CN104973479A - 一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法，属于施工立井吊桶监测系统及方法。系统包括安装在滑架上的动态信号采集发射系统，安装在井壁上的无线信号传输系统，安装在控制机房的计算机集控中心。动态信号采集发射系统包括激光位移传感器、工业相机、光源、终端采集发射控制器；无线信号传输系统包括多个分布于施工井壁的无线mesh节点；计算机集控中心包括控制主机和无线信号采集器。吊桶状态监测方法，包括摄像机标定、图像采集、图像数据上传、分析吊桶位置；动态测量与数据保存；监测显示；数据研判与报警。优点：该系统和方法能够实时监测立井施工吊桶的运动状态并对异常状态自动报警，确保了施工立井吊桶的安全运行。

Description

一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种立井吊桶监测系统及方法，特别涉及一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法。

背景技术

吊桶是立井施工中经常使用到的一种运输工具，主要用于在地面、吊盘和井底之间运送人员和物料。由于天轮存在圆度误差、井筒内的风载等原因会造成吊桶在运行中产生偏摆。这种偏摆会严重威胁吊桶运行的安全，进而威胁到立井施工过程中的人员和设备安全。但是目前尚无有效办法实时监测吊桶的偏摆，给立井施工安全生产埋下了隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法，解决在施工立井吊桶运行过程中无法对吊桶的运动状态进行监测的问题。实现施工立井吊桶运动状态监测的实时化、可视化，对吊桶危险状态判断的自动化。

为实现上述目的，本发明一种施工立井吊桶运动状态监测系统，该系统包括安装在滑架上的动态信号采集发射系统，安装在井壁上的无线信号传输系统，安装在控制机房的计算机集控中心。

所述的动态信号采集发射系统包括：安装在滑架上的激光位移传感器、安装在滑架两侧的两台工业相机、用于补光的光源、放置在滑架上的终端采集发射控制器；终端采集发射控制器与工业相机、光源和激光位移传感器相联接。

所述的激光位移传感器共有两台，水平布置于滑架上，两台激光位移传感器测量方向相互垂直，分别测量两个相互垂直方向上的滑架相对于施工立井井壁的距离。

所述的终端采集发射控制器与无线信号传输系统的无线mesh节点通过无线进行联接。

所述的终端采集发射控制器由电池组、单片机控制器、视频采集卡和mesh网络客户端组成；电池组负责整个终端采集发射控制器以及安装在滑架上的激光位移传感器、安装在滑架两侧的工业相机、光源的供电；单片机根据设定程序控制终端采集发射控制器各部分的协调并负责和直接和激光位移传感器通信；视频采集卡将工业相机采集到的模拟信号转换为数字格式并传给mesh网络客户端；mesh网络客户端通过mesh网络和上位机通信。

工业相机产生的图像数据和激光位移传感器产生的距离数据通过终端采集发射控制器上传至控制主机；终端采集发射控制器能够识别工业相机采集的图像是否长时间处于静止状态，在确定工业相机采集的图像长时间处于静止状态时暂停图像信号的传输以节省电能。

所述的无线信号传输系统包括多个分布于施工井壁的无线mesh节点，无线mesh节点与终端采集发射控制器通过无线进行联接；无线mesh节点用于将工业相机和激光位移传感器采集到的信息传输到计算机集控中心以及将控制信号传输到动态信号采集发射系统。

所述的计算机集控中心包括控制主机和无线信号采集器；控制主机和无线信号采集器相连接；无线信号采集器将通过无线接收到的数据信号上传至控制主机。

一种施工立井吊桶运动状态监测方法，该方法的终端采集发射控制器控制主机将两台工业相机采集到吊桶图像信号进行综合分析，利用事先对两台工业相机标定得到的参数还原吊桶相对于工业相机坐标的三维坐标参数，根据激光位移传感器得到的位置数据计算出滑架相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶相对于施工立井的位置坐标；

该方法包括以下步骤：

1)摄像机标定：使用棋盘状标准标定物分别对两台工业相机进行精确标定；得到工业相机的内参数矩阵和外参数矩阵以及两台工业相机之间的本征矩阵和基础矩阵；

2)数据采集：控制主机发出信号控制两台工业相机采集立井施工吊桶的连续运动图像，同时激光位移传感器采集滑架相对于施工立井井壁的位置数据；

3)数据上传：通过终端控制器、无线mesh节点和无线信号采集器将工业相机采集到的吊桶图像数据以及激光位移传感器采集滑架相对于施工立井的位置数据上传到的控制主机中；

4)分析吊桶位置：采用Mean-Shift跟踪模型确定吊桶在步骤2中得到的图像中的位置，根据吊桶自身固有的棱角特征识别吊桶的姿态，根据步骤1得到的工业相机标定参数计算出吊桶的空间三维坐标，根据激光位移传感器得到的位置数据计算出滑架相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶相对于施工立井的位置坐标；

5)动态测量与数据保存：对在步骤2中得到的图像连续按照步骤4进行分析得到吊桶于不同时刻的空间位置信息，从而得到吊桶的运动情况；通过对吊桶运动位置数据的分析，得到吊桶运动的速度、加速度、偏摆频率参数，将得到的数据保存在控制主机中；

6)监测显示：控制主机将步骤2得到的吊桶图像和步骤5得到的吊桶运动参数显示在控制主机屏幕上以便于监测吊桶运动情况；

7)数据研判与报警：根据步骤6得到的吊桶运动参数判断吊桶是否处于正常运动状态；一旦发现吊桶摆动幅度超过设定阈值即启动报警程序报警。

计算吊桶位置坐标的具体方法，当吊桶相对于工业相机坐标的位置是P′(x,y,z)，滑架相对于施工立井的坐标位置是Q(x,y)，工业相机坐标系到施工立井坐标系的转换矩阵为T，由于工业相机是固定在滑架上的，因此吊桶相对于施工立井的位置坐标：

$P(x,y)=\[P^{\′}(x,y,z),1\]T\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]+Q(x,y).$

有益效果，由于采用了上述方案，安装了施工立井吊桶运动状态监测系统的施工立井能够在吊桶运行过程中实时监测并记录吊桶的运动状态，并在发生吊桶摆动幅度过大时及时报警，实现了施工立井吊桶运动状态监测的可视化、自动化、智能化。

优点：该施工立井吊桶运动状态监测系统及方法可靠性和自动化程度高，同时使用了机器视觉技术对施工立井吊桶进行位置判断，通过无线mesh节点将监测图像实时快速上传至控制主机，保证了系统的实时性。整套系统能够实时监测立井施工吊桶的运动状态并对异常状态自动报警，确保了施工立井吊桶的安全运行。

附图说明

图1是本发明一种施工立井吊桶运动状态监测系统布置图。

图2是本发明一种施工立井吊桶运动状态监测方法示意框图。

图3是本发明终端采集控制器组成图。

图中：1、滑架；2、工业相机；3、光源；4、终端采集发射控制器；5、无线mesh节点；6、控制主机；7、无线信号采集器；8、吊桶；9、激光位移传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明一种施工立井吊桶动态测量系统及方法作详细具体描述。

实施例：图1是施工立井吊桶运动状态监测系统布置图，该系统包括安装在滑架1上的动态信号采集发射系统，安装在井壁上的无线信号传输系统，安装在控制机房的计算机集控中心。

所述的动态信号采集发射系统包括安装在滑架1上激光位移传感器9、安装在滑架两侧的两台工业相机2、用于补光的两组光源3和放置在滑架1上的的终端采集发射控制器4，终端采集发射控制器4与工业相机2、光源3以及激光位移传感器9相联接。

所述的激光位移传感器9共有两台，两台激光位移传感器9水平布置于滑架上，两台激光位移传感器9测量方向相互垂直，分别测量两个相互垂直方向上的滑架1相对于施工立井井壁的距离。

所述的终端采集发射控制器4由电池组、单片机控制器、视频采集卡和mesh网络客户端组成。电池组负责整个终端采集发射控制器以及安装在滑架上的激光位移传感器、安装在滑架两侧的工业相机、光源的供电；单片机根据设定程序控制终端采集发射控制器各部分的协调并负责和直接和激光位移传感器通信；视频采集卡将工业相机采集到的模拟信号转换为数字格式并传给mesh网络客户端；mesh网络客户端通过mesh网络和上位机通信。

工业相机2产生的图像数据和激光位移传感器9产生的距离数据通过终端采集发射控制器4上传至控制主机6；终端采集发射控制器4能够识别工业相机2采集的图像是否长时间处于静止状态，在确定工业相机2采集的图像长时间处于静止状态时暂停图像信号的传输以节省电能；终端采集发射控制器4采用电池供电，在终端控制器4电池电量过低时终端控制器4发出更换电池请求，待滑架1上升至地面时更换终端控制器4电池。

所述的无线信号传输系统包括多个分布于施工井壁的无线mesh节点5，无线mesh节点5用于将图像采集系统采集到的信息传输到计算机集控中心以及将控制信号传输到图像采集系统。

所述的计算机集控中心包括控制主机6和无线信号采集器7；无线信号采集器7将通过无线接收到的数据信号上传至控制主机6。

一种施工立井吊桶运动状态监测方法，终端采集发射控制器控制主机6将两台工业相机2采集到吊桶图像信号进行综合分析，利用事先对两台工业相机2标定得到的参数还原吊桶8相对于工业相机2坐标的三维坐标参数，根据激光位移传感器9得到的位置数据计算出滑架1相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶8相对于施工立井的位置坐标。控制主机6还具有数据储存、故障报警等功能；

在完成上述系统的安装后即可根据图2实施施工立井吊桶运动状态监测方法，该方法的主要由以下步骤组成：

1)摄像机标定：使用棋盘状标准标定物分别对两台工业相机2进行精确标定，得到工业相机2的内参数矩阵和外参数矩阵以及两台工业相机2之间的本征矩阵和基础矩阵；

2)数据采集：控制主机6发出信号控制两台工业相机2采集立井施工吊桶8的连续运动图像，同时激光位移传感器采集滑架1相对于施工立井井壁的位置数据；

3)数据上传：通过终端控制器4、无线mesh节点5和无线信号采集器7将工业相机2采集到的吊桶8图像数据以及光位移传感器采集滑架相对于施工立井的位置数据上传到的控制主机6中；

4)分析吊桶位置：采用Mean-Shift跟踪模型确定吊桶8在步骤2中得到的图像中的位置，根据吊桶8自身固有的棱角特征识别吊桶8的姿态，根据步骤1得到的工业相机2标定参数计算出吊桶8相对于工业相机2坐标的三维坐标参数，根据激光位移传感器得到的位置数据计算出滑架1相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶8相对于施工立井的位置坐标；

5)动态测量与数据保存：对在步骤2中得到的图像连续按照步骤4进行分析得到吊桶8于不同时刻的空间位置信息，从而得到吊桶8的运动情况。通过对吊桶8运动情况的分析，得到吊桶8运动的速度、加速度、偏摆频率等运动参数，将得到的数据保存在控制主机6中；

6)监测显示：控制主机6将步骤2得到的吊桶8图像和步骤5得到的吊桶8运动参数显示在控制主机6屏幕上以便于监测吊桶8运动情况；

7)数据研判与报警：根据步骤6得到的吊桶8运动参数判断吊桶8是否处于正常运动状态，一旦发现吊桶8摆动幅度超过设定阈值即启动报警程序报警。

计算吊桶位置坐标的具体方法：当吊桶相对于工业相机坐标的位置是P′(x,y,z)，滑架相对于施工立井的坐标位置是Q(x,y)，工业相机坐标系到施工立井坐标系的转换矩阵为T，由于工业相机是固定在滑架上的，因此吊桶相对于施工立井的位置坐标：

$P(x,y)=\[P^{\′}(x,y,z),1\]T\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]+Q(x,y).$

在图像采集过程中终端控制器4根据现场照明状况决定是否开启照明光源3，以便于在不需要照明时节约电能。

在系统工作过程中终端控制器4实时监测终端控制器4的电量，在电池电量低于设定值时向控制主机6发出信号，并在滑架1上升到地面后更换电池。

Claims (8)

1.一种施工立井吊桶运动状态监测系统，其特征是：该系统包括安装在滑架(1)上的动态信号采集发射系统，安装在井壁上的无线信号传输系统，安装在控制机房的计算机集控中心。

2.根据权利要求1所述的施工立井吊桶运动状态监测系统，其特征是：所述的动态信号采集发射系统包括：安装在滑架(1)上的激光位移传感器(9)、安装在滑架(1)两侧的工业相机(2)、用于补光的光源(3)、放置在滑架(1)上的终端采集发射控制器(4)，终端采集发射控制器(4)与工业相机(2)、光源(3)和激光位移传感器(9)相联接。

3.根据权利要求2所述的施工立井吊桶运动状态监测系统，其特征是：所述的激光位移传感器共有两台，水平布置于滑架上，两台激光位移传感器测量方向相互垂直，分别测量两个相互垂直方向上的滑架相对于施工立井井壁的距离。

4.根据权利要求2所述的施工立井吊桶运动状态监测系统，其特征是：所述的终端采集发射控制器(4)与无线信号传输系统的无线mesh节点(5)通过无线进行联接。

5.根据权利要求1所述的施工立井吊桶运动状态监测系统，其特征是：所述的无线信号传输系包括多个分布于施工井壁的无线mesh节点(5)，无线mesh节点(5)与终端采集发射控制器(4)通过无线进行联接。

6.根据权利要求1所述的施工立井吊桶运动状态监测系统，其特征是：所述的计算机集控中心包括控制主机(6)和无线信号采集器(7)，控制主机(6)和无线信号采集器(7)相连接；无线信号采集器将通过无线接收到的数据信号上传至控制主机。

7.权利要求1所述的一种施工立井吊桶运动状态监测方法，其特征是：该方法的终端采集发射控制器控制主机将两台工业相机采集到吊桶图像信号进行综合分析，利用事先对两台工业相机标定得到的参数还原吊桶相对于工业相机坐标的三维坐标参数，根据激光位移传感器得到的位置数据计算出滑架相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶相对于施工立井的位置坐标；

该方法包括以下步骤：

1)摄像机标定：使用棋盘状标准标定物分别对两台工业相机(2)进行精确标定，得到工业相机(2)的内参数矩阵和外参数矩阵以及两台工业相机(2)之间的本征矩阵和基础矩阵；

2)数据采集：控制主机(6)发出信号控制两台工业相机(2)采集施工立井吊桶(8)的连续运动图像，同时激光位移传感器(9)采集滑架(1)相对于施工立井的位置数据；

3)数据上传：通过终端控制器(4)、无线mesh节点(5)和无线信号采集器(7)将工业相机(2)采集到的吊桶(8)图像数据以及激光位移传感器采集滑架(1)相对于施工立井的位置数据上传到的控制主机(6)中；

4)分析吊桶位置：采用Mean-Shift跟踪模型确定吊桶(8)在步骤2中得到的图像中的位置，根据吊桶(8)自身固有的棱角特征识别吊桶(8)的姿态，根据步骤1得到的工业相机(2)标定参数计算出吊桶(8)相对于工业相机(2)坐标的三维坐标参数，根据激光位移传感器得到的位置数据计算出滑架(1)相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶(8)相对于施工立井的位置坐标；

5)动态测量与数据保存：对在步骤2中得到的图像连续按照步骤4进行分析得到吊桶(8)于不同时刻的空间位置信息，即吊桶(8)的运动情况。通过对吊桶(8)运动情况的分析，得到吊桶(8)运动的速度、加速度、偏摆频率等运动参数，将得到的数据保存在控制主机(6)中；

6)监测显示：控制主机(6)将步骤2得到的吊桶(8)图像和步骤5得到的吊桶(8)运动参数显示在控制主机(6)屏幕上以便于监测吊桶(8)运动情况；

7)数据研判与报警：根据步骤6得到的吊桶(8)运动参数判断吊桶(8)是否处于正常运动状态，一旦发现吊桶(8)摆动幅度超过设定阈值即启动报警程序报警。

8.根据权利要求1所述的一种施工立井吊桶运动状态监测方法，其特征是：计算吊桶位置坐标的具体方法，当吊桶相对于工业相机坐标的位置是P′(x,y,z)，滑架相对于施工立井的坐标位置是Q(x,y)，工业相机坐标系到施工立井坐标系的转换矩阵为T，由于工业相机是固定在滑架上的，因此吊桶相对于施工立井的位置坐标：

$P(x,y)=\[P^{\′}(x,y,z),1\]T\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]+Q(x,y).$