基于激光雷达技术的矿井巷道变形在线监测

姜阔胜，李良和，韩刘帮，周远远，郭 帅

(安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤矿井下有大量的巷道，如人员生命线、物料输送线、安全通风线等。随着巷道的发展、资源的开采、地质活动等，巷道变形时有发生。巷道变形会堵塞巷道内的交通，甚至造成严重的安全事故[1-2]。因此，巷道变形检测对煤矿安全生产具有重要意义。巷道变形监测方法可分为接触式测量和非接触式测量。大多数接触式测量方法依赖于位移传感器、压力传感器等终端监控设备，传感器需要放置在合适的区间多通道中，这会造成测量系统操作复杂，成本较高。接触测量本身也会对巷道造成一定程度的破坏。非接触式测量是机械、电子技术、计算机技术等多学科研究的共同成果，具有测量速度快、数据量大、便于后续研究等优点。如数字摄影测量[3]，它不仅测量速度快，精度高，对生产影响也较小。本文提出的激光雷达测量方法，巷道侧壁不需要做任何处理，激光雷达由四旋翼无人机搭载，移动式地扫描整个巷道的侧壁数据，并通过无线通讯传输至上位机进行处理[4]。整个系统操作简单、测量速度快，克服了现有方法的不足。

1 监测系统总体架构

本文所提系统总体架构分为主机部分和从机部分，如图1所示。

从机主要用于巷道轮廓数据的采集和传输。上位机主要用于巷道的数据处理、三维重建和变形评价。整个系统包括硬件部分和软件部分。

2 系统简介

硬件系统由电源模块、RPLIDAR激光雷达、四旋翼飞行器(UAV)、STM32单片机、cc2530 ZigBee发送模块和上位机的cc2530 ZigBee接收模块以及上位机处理计算机组成。硬件各模块之间的具体联系如图2所示。

2.1 RPLIDAR 激光雷达

本系统采用了由SLAMTEC公司开发的新一代低成本的二维激光雷达RPLIDAR A2，它具有高达4 000次/s的高速激光测距采样能力[5]。RPLIDAR主要包括激光测距核心以及使其高速旋转的电源和机械部分,如图3所示。

2.2 STM32单片机

系统采用STM32C8T6单片机[6]。该型号单片机晶体倍频器最高可达72 MHz，运行速度快，成本低，抗干扰能力强，适用于本系统。本系统主要使用了STM32C8T6的计时器PWM输出、串行通信和ADC模拟电压输入功能。

2.3 电源模块

下位机硬件安装在四旋翼无人机上，采用3S锂电池作为系统电源[7]。由于3S锂电池的电压范围为直流11.1～12.6 V，而系统的供电电压为5 V直流电源，因此有必要设计一个DC-DC电源降压电路。本文采用基于XL4015E降压芯片的大功率DC-DC可调降压模块。

2.4 隧道侧壁数据采集

巷道侧壁数据采集靠下位机软件程序来实现。首先向搭载在无人机上的RPLIDAR发送扫描请求指令，RPLIDAR接到后会返回应答数据，STM32单片机会实时读取这些应答数据，预处理之后，通过ZigBee模块将数据发送至上位机。RPLIDAR在无人机的带动下，会扫描整个巷道侧壁，故上位机可获取整个巷道侧壁数据。

STM32程序的具体流程如图4所示。

本文的数据处理和图像构建基于Processing3.3软件，主要使用size(width,height,renderer)函数使得Processing工作在P3D模式，随后声明核心类，使用Scene(parent)函数进行3D环境构建，这样即可获得一个可以拖拽放大缩小的3D场景[8]。使用ControlP5库，创建Start按键及Stop按键，分别用于发送给下位机开始及停止命令。其创建结果如图5所示。

PC主软件程序流程如图6所示。

3 实验和误差分析

3.1 巷道仿真实验

对廊道中的轮廓进行三维图像重建仿真。分别对夜间廊道开灯和关灯两种环境进行模拟，模拟环境如图7所示。

首先下载下位机程序，连接硬件设备,在走廊两种模拟环境下扫描到的图像相同，如图8所示，表明系统扫描效果不受巷道内光线的影响。

3.2 误差分析

根据实验测得走廊轮廓数据，分别取0°与180°、90°与270°对应的4个点(即激光雷达的上下与左右4个点)的距离值，即图9中的A、C和B、D点，其大小分别用HA、HC、LB、LD表示。

这样即可计算出走廊的上下高度值H0，与左右宽度值L0，分别为：

H0=HA+HC

(1)

L0=LB+LD

(2)

而走廊实际的上下高度值H=2400 mm,左右宽度值L=2000 mm，故本系统测得走廊高度和宽度的相对误差分别为：

δL=(|L-L0|/L)×100%

(3)

δH=(|H-H0|/H)×100%

(4)

具体的误差数值分析见表1。

从表1可以看出，系统误差大约为0.3%。巷道的侧墙都是围岩,一旦变形,变化量一般都会达到50 mm以上,而巷道的高度一般不低于1800 mm,形变造成的高度变化率大于5%，远高于系统误差。因此，系统的测量误差满足实际巷道变形测量的需要。

表1 测量误差分析

4 结束语

本文提出了一种基于激光雷达技术的巷道变形测量方法，并设计了一款基于RPLIDAR激光雷达的巷道变形监测系统。

1)通过下位机控制处理核心STM32单片机与激光传感器、ZigBee模块有机地组合，从而实现了下位机数据采集。

2)通过与上位机进行数据通讯，将采集数据传送至Processing程序端，程序端将数据进行处理并显示，实现了二维截面的扫描与三维图像的简单重构，达到了对巷道变形快速、低误差监测的目的。