煤炭科学技术

作者：毛清华, 柴建权, 陈彦璋, 薛旭升, 王川伟,

关键词：煤矿巷道, 三维重建, 激光雷达, 惯导, 迭代卡尔曼滤波, 回环检测,

针对煤矿掘进巷道存在典型非结构化、特征退化、大尺度环境，巷道三维重建易出现位姿估计精度低、累计漂移误差大等问题，提出了一种激光雷达和惯导（Inertial Measurement Unit，IMU）融合的煤矿掘进巷道三维重建方法。该方法通过迭代卡尔曼滤波将激光雷达观测模型的残差函数和IMU预测模型的先验状态偏差紧耦合，经状态更新得到更为精确的后验状态，提升了退化环境下的位姿估计精度。为降低巷道三维模型重建过程中的累计漂移误差，提出基于体素化广义迭代最近点（Voxelized Generalized ICP，VGICP）的回环检测算法，以基于体素的单分布到多分布的方式进行配准，完成对回环帧的选取及精确匹配，实现回环帧的全局位姿校正，有效降低煤矿巷道三维重建的累计漂移误差。相比于A-LOAM、LEGO-LOAM、LINS算法，所提算法在位姿估计精度和全局一致性方面显著提升。公开数据集试验结果表明：所提算法的RPE和APE均方根误差分别为0.2718和0.5008，与其他算法相比分别降低了53.14%、50.97%、48.31%，和50.41%、47.99%、47.49%。开展了2种模拟巷道场景三维重建试验，结果表明所提算法构建的室内长廊模型各区域在长度、宽度和高度方向的误差均在1.2%以内；所提算法构建的煤矿巷道三维模型与真实巷道空间分布一致，总体距离退化误差仅为2.46%，较其他3种算法重建性能分别提升了66.12%、65.30%、70.43%。在煤矿主体实验室掘进巷道进行三维重建试验，结果表明三维重建结果在长度、宽度和高度方向的平均误差百分比分别为0.47%、0.75%和0.67%，可以实现掘进巷道三维精确建模。

来源：2025年第2期

《煤炭科学技术》期刊编辑部

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