一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置

1.本发明涉及煤矿巷道监测技术领域，具体的是一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置。


背景技术：

2.煤炭是工业发展的基础能源和重要原料。煤矿巷道支撑着整个煤层，为采矿提升、运输、通风、排水、动力供应等提供着非常必要的条件。当前，人工地下开采是煤炭的主要生产方式，随着煤炭开采强度和开采深度的不断加大，煤矿巷道的变形破坏会阻断井下交通，增大矿井通风阻力，损坏生产设备，造成人员伤亡，严重威胁煤矿的安全生产。
3.煤矿巷道形变是指巷道岩层在外力因素作用下会产生形状和尺寸变化，国内外学者对巷道岩层的形变研究采用了多种测量方法和装置，大量的巷道形变数据为巷道形变理论的发展提供了有力依据。按工作原理可将其分为机械测法、电测法、声波测法、激光测法等。机械测法在工程实际应用中最为常见，它是在机械传动系统中将金属构件因受到外力产生的弹性形变放大，然后在示数器上显示相应数值。电测法随着电子信息检测技术的发展被应用，它是利用传感器将巷道的形变量转换为电信号，然后显示在仪器上。声波测法是利用速度、时间与位移三者之间的关系，通过声波发射和碰壁返回被接受的时间差与声波在空气中的传播速度，计算出发射点与墙壁之间的距离。激光测法利用激光发射点与巷道壁面之间的距离反应巷道形变。但是，这些监测巷道形变的方法存在着明显的不足，一方面，没有考虑巷道变形的实时性、持续性、速度不一致性、位置突变性以及大范围性。另一方面，没有考虑巷道内恶劣的环境因素对测量精度的影响。
4.目前，立体视觉技术基于计算机视觉技术的发展，被广泛应用到工业、天文气象以及空间信息等其他领域。立体视觉测量技术也被应用到矿山方面，对矿山开采过程中的地表、岩体、隧道断面、边坡和巷道等进行检测，使用一到两个相机对其进行拍照，然后利用开发的视觉计算原理对其图像特征信息进行处理，从而获得被测对象的形变信息。随着计算机图像处理能力的提高以及相机成本的降低，多目立体视觉测量技术基于双目立体视觉测量技术基础上得到越来越多的重视。多目立体视觉测量原理根据测量要求，可将被测对象分成若干个测量区域，每个子区域的测量数据由双目立体视觉系统测得，选取其中一个子区域的摄像机坐标系作为世界坐标系，把其他区域的测量数据统一融合到同一个世界坐标下，从而实现被测对象更广区域的测量。
5.煤矿巷道遍布于整个煤矿开采区内，范围大，现有的单目和双目立体视觉测量系统对煤矿巷道的测量存在明显的不足之处。一方面，无法对煤矿巷道进行整体视觉测量，只能获得局部区域信息，测量范围有限。另一方面，煤矿巷道结构和环境复杂，障碍物的遮挡以及光线的明暗，导致视线无法到达某些区域进行检测。另外，由于巷道内某些其他环境影响因素的存在，视觉测量系统的坐标基准容易变动，空间点坐标变动大以及定位困难等问题，导致空间点云重构困难，巷道表面几何模型构建精度低。
6.因此，需要开发一种能够对煤矿巷道复杂曲面形变量进行稳定精确测量、结构简
单轻便、快速响应、测量空间开阔等特点的测量系统，实时无死角的在线监测煤矿巷道复杂曲面形变量，为巷道灾害防治提供一种新的可靠的技术手段。


技术实现要素：

7.为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，本发明巷道形变监测装置结构简单轻便、响应快速、测量空间开阔、测量精度高，能够持续性的实时无死角在线监测煤矿巷道复杂曲面形变量，为巷道灾害防治提供一种新的可靠的技术手段。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
9.一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，包括巷道和智能调节旋转测量平台，巷道墙壁两侧安装有第一组追踪相机和第二组追踪相机，所述第一组追踪相机和第二组追踪相机均设置有多个,智能调节旋转测量平台固定安装在标识板上部，标识板固定安装在智能升降平台上，且智能升降平台安装在煤矿智能升降机器人内部；
10.所述智能调节旋转测量平台由测量相机、智能调节平台、激光线扫描器、扫描器夹具、旋转轴、第一联轴器、电机滚珠滑台传动模组支架和第一伺服电机组成；
11.所述智能升降平台由升降板、滑轨、滑块、滑块轴座、升降支撑臂、轴座、升降转轴、圆锥滚子轴承、丝杆轴承座、丝杆螺母、丝杆转轴、丝杆、电机传动座、第二联轴器、行星减速器、第二伺服电机和机器人底板组成。
12.进一步地，所述测量相机和激光线扫描器安装在智能调节平台上，所述智能调节平台通过旋转轴、第一联轴器、电机滚珠滑台传动模组支架与第一伺服电机相连。
13.进一步地，所述标识板安装在升降板上，所述升降板底部安装有滑轨，且依次通过滑块、滑块轴座、升降支撑臂、升降转轴、丝杆转轴、丝杆螺母与丝杆相连，所述丝杆通过第二联轴器和行星减速器安装在第二伺服电机上，所述圆锥滚子轴承安装在丝杆轴承座上，所述丝杆轴承座和电机传动座固定安装在所述机器人底板上。
14.进一步地，所述智能调节平台上设有刻度滑槽，所述测量相机和激光线扫描器滑动连接。
15.进一步地，所述智能调节旋转测量平台通过第一伺服电机智能调节旋转拍照角度，所述智能调节旋转测量平台可以进行三百六十度的循环转动。
16.进一步地，所述标识板分别位于煤矿智能升降机器人前进方向的左边、右边和后边，所述标识板外表面贴有使用高反光材料的编码标识点，所述第一组追踪相机通过识别标识板上的编码标识点进行位姿追踪。
17.进一步地，所述智能升降平台通过第二伺服电机调节智能调节旋转测量平台的扫描拍照高度，所述智能调节旋转测量平台可以获得最佳测量高度。
18.进一步地，所述煤矿智能升降机器人自主规划所述智能调节旋转测量平台的扫描拍照路径，所述智能调节旋转测量平台可以获得最佳测量位置。
19.本发明的有益效果：巷道形变监测装置结构简单轻便、响应快速、测量空间开阔、测量精度高，能够持续性的实时无死角在线监测煤矿巷道复杂曲面形变量，为巷道灾害防治提供一种新的可靠的技术手段。
附图说明
20.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
21.图1是本发明整体结构示意图；
22.图2为本发明智能调节旋转测量平台的结构图；
23.图3为本发明智能升降平台的结构图。
24.图中：1、巷道；2、第一组追踪相机；3、第二组追踪相机；4、智能调节旋转测量平台；401、测量相机；402、智能调节平台；403、激光线扫描器；404、扫描器夹具；405、旋转轴；406、第一联轴器；407、电机滚珠滑台传动模组支架；408、第一伺服电机；5、智能升降平台；501、升降板；502、滑轨；503、滑块；504、滑块轴座；505、升降支撑臂；506、轴座；507、升降转轴；508、圆锥滚子轴承；509、丝杆轴承座；510、丝杆螺母；511、丝杆转轴；512、丝杆；513、电机传动座；514、第二联轴器；515、行星减速器；516、第二伺服电机；517、机器人底板；6、标识板；7、煤矿智能升降机器人。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，参见图1，本发明提供一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，巷道1墙壁两侧安装有第一组追踪相机2和第二组追踪相机3,第一组追踪相机2和第二组追踪相机3均设置有多个，智能调节旋转测量平台4安装在标识板6上部，标识板6固定安装在智能升降平台5上，且智能升降平台5安装在煤矿智能升降机器人7内部，实现智能调节旋转测量平台4三百六十度旋转、上下升降和平移运动，第一组追踪相机2和第二组追踪相机3对标识板6上的编码标识点进行接龙式位姿追踪，完成对整个巷道1的全面精确扫描。
28.参见图2，测量相机401和激光线扫描器403安装在智能调节平台402上，智能调节平台402与旋转轴405固定安装，旋转轴405与第一联轴器406固定安装，第一联轴器406与第一伺服电机408的输出轴固定安装，使智能调节平台402随第一伺服电机408一同转动，保证转动精度的实时控制，电机滚珠滑台传动模组支架407与第一伺服电机408固定安装，电机滚珠滑台传动模组支架407一方面支撑旋转轴405，另一方面保证第一伺服电机408的输出轴和旋转轴405连接时的高度同轴，减小安装误差。
29.参见图3，升降板501底部安装有滑轨502和轴座506，滑块503通过上面的滑槽安装在滑轨502上，滑块轴座504与滑块503固定安装，机器人底板517上同样安装有滑轨502和轴座506，机器人底板517上的滑轨502上同样安装有固定安装的滑块轴座504滑块503，丝杆转轴511通过与滑块轴座504通孔同轴安装，丝杆转轴511和升降转轴507与升降支撑臂505通
孔同轴安装，丝杆螺母510固定安装在丝杆转轴511的中心通孔上，丝杆512通过第二联轴器514和行星减速器515安装在第二伺服电机516上，圆锥滚子轴承508安装在丝杆轴承座509上，丝杆轴承座509和电机传动座513固定安装在机器人底板517上，丝杆512随着第二伺服电机516的转动带动丝杆螺母510上的丝杆转轴511移动，实现滑块503在滑轨502滑动，带动升降板501上下升降。
30.本实施例中，智能调节平台402上有刻度滑槽，测量相机401与激光线扫描器403的相对位置可以进行调节，减小测量相机401的安装带来的测量误差。
31.本实施例中，扫描器夹具404用于夹持激光线扫描器403，智能调节旋转测量平台4能够控制第一伺服电机408的转动精度，智能调节旋转拍照角度，测量相机401对扫描在巷道1表面的激光进行拍照采集，从而满足扫描采集数据的多精度，同时三百六十度的循环转动，实现巷道1某一位置截面信息能够被全面扫描采集。
32.本实施例中，智能升降平台5能够通过控制第二伺服电机516的转动精度，完成对丝杆512的转动控制，根据巷道1的高低智能调节升降高度，使得智能调节旋转测量平台4获得最佳的扫描测量高度。
33.本实施例中，标识板6上贴有使用高反光材料的编码标识点，第一组追踪相机2识别编码标识点进行位姿追踪，经过坐标转换，能够推得测量相机401和激光线扫描器403的位姿，从而使得测量相机401和激光线扫描器403扫描采集的数据转换统一到第一组追踪相机2的跟踪系统坐标系下，从而构建出一段巷道1表面几何模型，使得系统的测量精度与安装测量相机401和激光线扫描器403的位置无关，避免安装误差带来的巷道1表面几何模型构建精度低的问题。
34.本实施例中，煤矿智能升降机器人7前进通过第二组追踪相机3后，第二组追踪相机3继续对编码标识点的位姿进行追踪，根据巷道1的环境和煤矿智能升降机器人7的前进规划路径，每隔一段距离依次布置多组追踪相机，固定安装在巷道1墙壁的两侧，随着煤矿智能升降机器人7的逐步推进，多组追踪相机对整个巷道1进行接龙式位姿追踪，根据多组追踪相机的位姿关系，通过跟踪系统之间的坐标转换，可以将多组追踪相机坐标系下扫描采集的数据统一到第一组追踪相机2的跟踪系统坐标系下，从而利用接龙式扫描实现对测量相机401和激光线扫描器403扫描采集的数据进行归一化，得到大纵深煤矿巷道1在同一坐标系下的巷道1表面信息，构建出整个巷道1表面几何模型。
35.本实施例中，智能调节旋转测量平台4能够智能调节旋转拍照角度，利用智能升降平台5自主寻找最佳的扫描测量高度，通过煤矿智能升降机器人7自主规划最优扫描测量路径，实现智能调节旋转测量平台4的旋转、升降和平移组合运动，对整个巷道1的任一截面进行精确扫描测量，有效解决结构复杂的煤矿巷道1中，由于巷道1高度变化、测量范围有限、遮挡等因素，造成某些区域不易监测和测量数据误差偏大，导致重构巷道1表面几何模型不精确的问题。
36.在使用时，智能调节旋转测量平台4能够智能调节旋转拍照角度，从而满足扫描采集数据的多精度，智能调节旋转测量平台4能够进行三百六十度的循环转动，实现巷道1某一位置截面信息能够被全面扫描采集，测量相机401能够利用智能调节平台402上的刻度滑槽，调节与激光线扫描器403的相对位置，减小测量相机401的安装带来的测量误差，智能升降平台5能够自主调节升降高度，使得智能调节旋转测量平台4获得最佳扫描测量高度，智
能调节旋转测量平台4能够智能调节旋转拍照角度，能够在智能升降平台5的升降范围内自主寻找最佳扫描测量高度，能够在煤矿智能升降机器人7根据巷道1结构和环境自主规划的路径中选择最优扫描测量路径，实现智能调节旋转测量平台4的旋转、升降和平移组合运动，对整个巷道1的某一截面进行精确扫描测量。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
38.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，包括巷道(1)和智能调节旋转测量平台(4)，其特征在于，巷道(1)墙壁两侧安装有第一组追踪相机(2)和第二组追踪相机(3)，所述第一组追踪相机(2)和第二组追踪相机(3)均设置有多个,智能调节旋转测量平台(4)固定安装在标识板(6)上部，标识板(6)固定安装在智能升降平台(5)上，且智能升降平台(5)安装在煤矿智能升降机器人(7)内部；所述智能调节旋转测量平台(4)由测量相机(401)、智能调节平台(402)、激光线扫描器(403)、扫描器夹具(404)、旋转轴(405)、第一联轴器(406)、电机滚珠滑台传动模组支架(407)和第一伺服电机(408)组成；所述智能升降平台(5)由升降板(501)、滑轨(502)、滑块(503)、滑块轴座(504)、升降支撑臂(505)、轴座(506)、升降转轴(507)、圆锥滚子轴承(508)、丝杆轴承座(509)、丝杆螺母(510)、丝杆转轴(511)、丝杆(512)、电机传动座(513)、第二联轴器(514)、行星减速器(515)、第二伺服电机(516)和机器人底板(517)组成。2.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述测量相机(401)和激光线扫描器(403)安装在智能调节平台(402)上，所述智能调节平台(402)通过旋转轴(405)、第一联轴器(406)、电机滚珠滑台传动模组支架(407)与第一伺服电机(408)相连。3.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述标识板(6)安装在升降板(501)上，所述升降板(501)底部安装有滑轨(502)，且依次通过滑块(503)、滑块轴座(504)、升降支撑臂(505)、升降转轴(507)、丝杆转轴(511)、丝杆螺母(510)与丝杆(512)相连，所述丝杆(512)通过第二联轴器(514)和行星减速器(515)安装在第二伺服电机(516)上，所述圆锥滚子轴承(508)安装在丝杆轴承座上(509)，所述丝杆轴承座(509)和电机传动座(513)固定安装在所述机器人底板(517)上。4.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述智能调节平台(402)上设有刻度滑槽，所述测量相机(401)和激光线扫描器(403)滑动连接。5.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述智能调节旋转测量平台(4)通过第一伺服电机(408)智能调节旋转拍照角度，所述智能调节旋转测量平台(4)可以进行三百六十度的循环转动。6.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述标识板(6)分别位于煤矿智能升降机器人(7)前进方向的左边、右边和后边，所述标识板(6)外表面贴有使用高反光材料的编码标识点，所述第一组追踪相机(2)通过识别标识板(6)上的编码标识点进行位姿追踪。7.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述智能升降平台(5)通过第二伺服电机(516)调节智能调节旋转测量平台(4)的扫描拍照高度，所述智能调节旋转测量平台(4)可以获得最佳测量高度。8.根据权利要求1所述的一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，其特征在于，所述煤矿智能升降机器人(7)自主规划所述智能调节旋转测量平台(4)的扫描拍照路径，所述智能调节旋转测量平台(4)可以获得最佳测量位置。

技术总结
本发明公开一种基于线扫描技术的多目立体视觉巷道形变监测装置，涉及煤矿巷道监测技术领域，包括巷道和智能调节旋转测量平台，巷道墙壁两侧安装有第一组追踪相机和第二组追踪相机，所述第一组追踪相机和第二组追踪相机均设置有多个,智能调节旋转测量平台固定安装在标识板上部，标识板固定安装在智能升降平台上，且智能升降平台安装在煤矿智能升降机器人内部，本发明巷道形变监测装置结构简单轻便、响应快速、测量空间开阔、测量精度高，能够持续性的实时无死角在线监测煤矿巷道复杂曲面形变量，为巷道灾害防治提供一种新的可靠的技术手段。手段。手段。


技术研发人员：杨洪涛 单翔飞 于印 沈梅 刘月琪
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.05.09
技术公布日：2022/7/5