煤矿巷道三维扫描技术现状与探索

田伟琴，田原,2，索艳春，贾曲

1山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

2中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

煤 矿智能化是煤炭工业高质量发展的方向[1]。其中采掘智能化是煤矿智能化的重点，而环境感知、测距定位、扫描探测则是煤矿空间位置探测中不可或缺的部分。

空间位置探测即获取矿井中的空间三维信息。早在 20 世纪 80 年代，国内外就开始了对矿山三维地质探测的研究，先后出现了 GoCAD、Datamine、Micromine、Surpac、3DMine、Longruan GIS 等众多矿井三维建模软件[2]。随着技术的进步，三维可视化技术已经成为智慧矿山建设必不可少的支撑技术。其中巷道三维信息的获取是建立矿山空间三维可视化系统的一个重要组成部分。传统的测绘技术以经纬仪、测距仪、全站仪及 GPS 为主，只能采集单点的三维数据和信息，无法详尽地反映出煤矿巷道内的复杂情况，难免会丢失许多有用信息。

目前，在巷道空间探测中有学者提出利用测量机器人与双目视觉相机结合，对巷道进行 360°拍摄获取巷道全景图像实现三维重建。然而对于煤矿巷道而言，巷道多为光线不足、内壁纹理稀疏的封闭或部分封闭空间，仍需要人工辅助测量，从而导致误差增大，影响测量精度。

李梅等人[3-4]认为在快速获取巷道数据进行三维可视化应用时，可考虑集成 TOF 相机、全景相机、惯导等技术于一体的三维数据采集设备，也可考虑设计全景相机结合防爆手持激光扫描仪等设备，实现对掘进工作面进行三维信息采集，并提出了基于BIM (Geographic Information System) 与 GIS (Building Information Modeling) 的三维建模技术进行巷道建模。

在煤矿巷道空间位置探测中，三维巷道模型的建立基础即是三维信息的获取。目前，信息获取主要包括测距及三维扫描 2 部分。测距是三维扫描的基础，三维扫描是测距技术的延伸。笔者通过分析煤矿巷道空间位置探测的必要性，总结了三维扫描技术在煤矿中涉及的测距方法，并分析了其在煤巷应用中的研究情况。通过对三维扫描技术的调研及探索，以求为煤矿巷道三维扫描提供范例和经验借鉴，促进煤矿智能化高效、快速发展。

1 煤矿巷道空间三维扫描的必要性

我国近 95% 的煤矿为井工煤矿，井下潮湿阴暗、能见度极差，在开采中会产生大量粉尘，并且煤矿巷道封闭狭长、多转角，部分巷道壁凹凸不平，井下设备实现自主定位导航需要适应恶劣的作业和复杂电磁环境。目前，在井下仍有许多岗位需要人工操作，为了在采掘及安全运输中实现无人化作业和智能监测，构建实时、透明的煤矿智能化平台，首先就要实现巷道空间位置信息可视化。因而，对煤矿巷道进行空间位置探测，健全三维可视化系统，实现透明工作面勘探及监控技术，对智慧矿山的空间信息平台建设至关重要。

2 井下测距技术现状分析

由于井下空气湿度大、浮尘杂质含量高且电磁环境多变，WiFi、ZigBee、蓝牙等测距定位精度并不理想，难以满足煤矿工作面建设中对各类信息系统高精度定位的要求。目前，在井下应用中主要有超声波、激光、无线测距传感器以及毫米波雷达等测距技术。

2.1 超声波测距定位技术

超声波测距是发射器向某一方向发射超声波，接收器接收到遇障碍物返回的信号，记录发射到接收的时间差，利用公式求解得到发射点到障碍物的距离

式中：v为超声波在空气中的传播速度；Δt为计时器测得的发射波与反射回波的时间差。

李宗伟等人[5]利用电磁波与超声波在煤矿井下联合定位，根据超声波的测距方法进行巷道横向测距，利用电磁波信号强度的对数常态分布模型进行巷道纵向测距，最终确定目标的二维坐标；付承彪等人[6]基于超声波测距原理设计了适应于煤矿井下输送带纠偏检测系统，实时检测输送带跑偏。

在煤矿井下，受粉尘、光照以及电磁信号的干扰，超声波与红外测距和激光测距技术相比优势明显，且具有分辨率高、传感器体积小、信息处理简单的优点。但是不足之处在于超声波只适合近距离测距场合。

2.2 激光测距定位技术

激光测距一般有脉冲法和相位法。脉冲法测距与超声波测距原理相同，且可以应用于远距离测距。而相位法测距中，发射点到障碍物的距离

式中：φ为调制后的激光来往返距离上的相位差；f为脉冲频率。

在相位法测距中需要注意的是，测相是测量调制在激光上面的信号相位，并不是测量激光的相位。这种激光测距方式通常应用于精密测距中。

刘亚辉[7]在煤巷顶底板上安装了激光测距传感器进行移近量测量；牛永刚等人[8]设计了一种基于超宽带 (UWB) 与激光测距的综采工作面定位系统，采用矿用本安型激光测距传感器测量定位基站之间的距离。

激光传感器由于具有测距精确的优点而在井下测量中大量使用，但其成本较高，且需要保证光学系统的洁净度以实现精确测量。

2.3 无线测距定位技术

通常无线传感器测距的方法有基于接收信号强度指示 (RSSI)、到达时间 (TOA)、到达时间差 (TDOA)以及到达角度 (AOA) 测距。4 种无线测距方法对比如表 1 所列。

表1 4 种无线测距方式对比Tab.1 Comparison of four kinds of wireless ranging method

在井下无线测距多用 RSSI 测距，根据已知的节点信号发射功率和节点接收的信号功率，通过信号与距离之间的衰减模型，计算出节点间的距离，信号强度

式中：n为信号传播常数；d为发射端与接收端之间的距离；A为距离发射者 1 m 的信号强度。

李正东等人[9]利用RSSI 和 TOF 测距技术相结合的方式来获取移动节点与参考节点间的距离信息，确定井下目标精确定位。张传伟等人[10]提出基于 RSSI算法的无线定位方法，对目前研究算法在煤矿井下巷道应用中出现的误差情况进行改进，实现 RSSI 算法在斜坡上的测距定位。

RSSI 测距技术不需要额外的硬件，就能够分析处理复杂的信息，成本低廉，比较适用于无线传感器网络的定位系统。

2.4 毫米波雷达测距定位技术

毫米波指波长为 1～10 mm，工作频率通常为30～300 GHz，介于红外光波和微波频段之间的电磁波，具备微波与红外 光波的某些特征。毫米波波长介于厘米波和光波之间，因此兼有两者的优点。

毫米波雷达是一项非接触技术，可用于检测并提供物体的距离、速度和角度信息。其一般分为连续波和脉冲波 2 种工作体制。脉冲毫米波雷达测距原理与脉冲激光测距相同。

连续波测距原理：通过发射信号和回收信号，将接受到的信号频率与自身的频率对比，从而得出雷达与物体之间的相对距离。

式中：T为雷达扫描周期；ΔF为信号带宽；Δf为混频输出频率差。

作为一种高精度测距技术，毫米波雷达已在诸多领域中有所研究，然而可查询到的关于矿井应用研究的相关文献极少，因此需要我们去进一步探索。

3 井下三维扫描技术现状分析

三维空间信息获取是煤矿工作面建设中场景监控与可视化支撑平台的基础组成部分。目前，煤矿井下的三维数据获取及三维可视化平台等核心技术正处于攻坚阶段，三维可视化还无法满足作业现场的实际需求，因此三维扫描技术的应用至关重要。

3.1 三维超声波扫描技术

超声波是一种机械波，通过介质中分子的振动进行传播，介质的密度越大，超声波传播速度越快，衰减越少。超声波扫描是利用超声波测距的原理，加装扫描装置进行扫描。其主要应用于扫描显微镜、B超、彩超 (四维)、金属探伤以及声纳探测中。其在煤矿巷道中使用时，由于在空气中传播的超声波信号衰减严重，难以实现有效的扫描探测。

3.2 三维激光扫描技术

三维激光扫描是根据测距原理，利用传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描，通过一系列处理获取目标物表面的点云数据，得到被测对象的三维坐标信息，从而建立起物体的三维影像模型。

TomáKot 等人[11]提出了一种煤矿 3D 点云扫描的可视化方法，通过创建独立 3D 扫描得到点云，之后进行点云数据处理，对速度进行渲染优化，实现了煤矿工作面的测量定位；付忠敏[12]设计了面向矿山环境的三维点云数据采集与处理系统，基于激光扫描原理提出了基于二维激光扫描采集轮廓点云和随机抽样一致性算法拟合直线的掘进窗口快速测量方法，可实现井下空间的快速探测。

目前，激光扫描设备受能见度以及黑色表面探测影响较大，在矿井下进行大范围推广仍难以实现。另外，点云分辨率和数据采集效率难以同时提高，需进一步研究。

3.3 三维无线传感器扫描技术

基于测距定位的无线传感技术属于静态测距，需要依靠自身传感器与移动的定位辅助装置进行三维扫描，主要应用于防空雷达及航空设备等远距离扫描中。但是无线传感器扫描受基站数量以及距离限制，存在信号衰减的问题，且由于传感器节点的通信和计算能力有限，实现三维定位的算法仍不够成熟，在煤矿中尚无法实现有效应用。

3.4 三维毫米波雷达扫描技术

毫米波雷达扫描方式一般有旋转扫描和相控阵列扫描，旋转扫描是将毫米波雷达固定在转台上，通过调节转台的机械旋转得到三维成像数据；相控阵列扫描是通过现有的射频芯片，采用相控阵天线原理，利用x、y、z平面不同射频天线的回波相位差实现三维数据扫描。

相比于激光雷达，毫米波雷达扫描具有成本低、抗干扰能力强以及三维点云数量少 1～2 个数量级的特点，使得毫米波雷达在地下、3D 成像和视觉SLAM 领域得到越来越多的关注[13]。传感器探测方法性能对比如表 2 所列。

表2 传感器探测方法性能对比Tab.2 Comparison of various sensing detection methods in performance

目前毫米波雷达已在汽车电子 (如汽车防撞、自适应巡航、自动启停、盲点监测、行人检测、自动驾驶)、智慧交通 (如交通卡口、可移动信号灯)、军事(如导弹制导) 以及人像检测等领域有了广泛应用，但却极少在相关资料中找到毫米波雷达在煤矿井下三维扫描中的应用。

毫米波雷达具有鲁棒性好、环境适应性强，对粉尘烟雾穿透能力强、精度高，可全天时、全天候使用的特点，环境适应性及处理能力均优于其他探测方法，适合作为煤矿井下工作面主动式探测传感器。

随着煤矿智能化的推进，毫米波环境感知高度集成技术会逐渐发展成熟，实现大规模应用。但是，许多理论和技术仍然需要进一步的研究和探讨。

4 结语

通过对煤矿巷道空间位置探测的必要性分析，总结归纳了当前三维扫描技术涉及的井下测距技术，分析了各类三维扫描技术在煤矿巷道中的应用现状。从查阅到的相关资料分析，认为毫米波雷达在理论上会更适合井下空间位置特征探测，但目前却极少查找到该项技术在矿井中的使用。因此，需要加强毫米波雷达对煤矿井下进行测距及扫描的技术研究。