CN106908000B - 一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统及其方法，由机器视觉模块和与之配合定位的姿态补偿模块组成，机器视觉模块对液压支架顶梁相对于液压支架底板的角度及高度值进行测量；然后采用高度及倾角补偿模块中的MEMS倾角传感器测出液压支架底板相对水平面的角度值，进而对之前测得的顶梁支撑高度及角度值进行补偿，从而得出液压支架顶梁最终的角度及高度值；采用机器视觉模块不仅安装方便而且结构简单无需在液压支架上布置复杂的机构进行测量，不会影响液压支架的动作，保证了液压支架正常的工作。

Description

一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种液压支架的测量系统及其方法，具体是一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统及其方法。
背景技术
随着机械化采煤的工艺的不断进步和发展，国内外的煤矿都开始向着“无人化”或“少人化”的采煤工作面转型。随着综采面“少人化”和“无人化”的进一步发展，综采工作面液压支架支护信息的获取变得越来越重要。通常，液压支架的支护高度与综采面的顶板高度相同，因此可以通过液压支架的支护高度间接反映综采面的顶板高度。同时，液压支架作为综采面工作三机配套的重要一环，液压支架的姿态信息也对整个综采面的工作状况和工作状态有很大影响。所以，液压支架的顶梁支撑高度及支护姿态对控制液压支架和整个综采面的控制起到重要作用。
专利号为201210366865.0、201110209300.7、200910224776.0的中国发明专利分别提出了采用液位压力、角度传感器和拉线式距离传感器对综采工作面的液压支架顶梁支撑高度进行测量的方法，但其均有其各自缺点，具体如下：液位压力法在复杂的井下环境内布置困难，进而导致其可实现度不高；角传感器法虽布设简单，但只能测量角度在30°以内的角度，若液压支架顶梁的角度倾斜超过许用范围后其测量的角度值会产生较大的误差，导致最终得出的液压支架顶梁支撑高度的精确度较低；拉线式距离传感器法在液压支架的顶梁与底板距离较远时，即液压支架的顶梁支撑高度较高时其会丧失测量精度。另外上述三种方法均不能得到液压支架顶梁倾角的精确信息，很难完成液压支架顶梁的准确姿态确定。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统及其方法，对于煤层顶底板情况较为恶劣的情况下，可精确测量液压支架顶梁高度与角度信息，另外可通过测得的顶梁支撑高度及顶梁倾角，得出液压支架顶梁的姿态。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统，包括机器视觉模块和与之配合使用的姿态补偿模块，所述机器视觉模块包括矿用防爆外壳、矿用摄像仪和微型计算机Ⅰ，矿用防爆外壳安装在液压支架顶梁下部，微型计算机Ⅰ设置在矿用防爆外壳内，矿用摄像仪安装在防爆外壳下端；所述姿态补偿模块包括标记靶、微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器，所述标记靶设置在液压支架底板上，标记靶的上表面与液压支架底板的表面平行，以便于机器视觉模块可以准确采集到标记靶图像信息，且此图像信息不受液压支架向其两侧倾斜的偏斜角影响；所述标记靶的上表面设有LED灯组，微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器设置在标记靶下表面，微型计算机Ⅰ分别与微型计算机Ⅱ和矿用摄像仪连接，微型计算机Ⅱ与MEMS倾角传感器连接。
进一步，所述LED灯组布设成以圆心位置呈正方形分布的四组同心圆环；这种结构可抵消由LED光斑造成的信息采集误差。
进一步，所述矿用防爆外壳面的材质为不锈钢，并设置至少两个喇叭口；便于接受矿用摄像仪输入数据和向微型计算机Ⅱ输出数据。
进一步，所述微型计算机Ⅰ与微型计算机Ⅱ通过矿用阻燃网线连接。
一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量方法，具体步骤是：
第一步，摄像机标定：将标定平面靶标放置于矿用摄像仪前方不同位置处，用矿用摄像仪对其进行拍摄，得到不同位置、不同角度下的标定平面靶标图像，采用非线性标定方法得出摄像仪内部参数信息，包括焦距及镜头畸变参数等；
第二步，视觉采集与处理：通过矿用摄像仪采集标记靶上LED灯组的光斑信息，即四组标记靶同心圆环；将采集的图像传递给微型计算机Ⅰ，然后微型计算机Ⅰ对采集的图像进行去噪与压缩，具体为：
A、对采集图像进行二维小波包分解，采用Db4小波包对图像进行三层分解，并利用Shannon熵作为信息代价函数，获取图像的最优小波基；
B、完成采集图像的小波包分解后，利用小波包工具箱对图像数据进行压缩和去噪；获取压缩和去噪之后图像的近似部分；所述小波包工具箱是安装在微型计算机Ⅰ上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包；
C、对压缩和去噪之后的图像进行重构；
第三步，图像边缘提取：微型计算机Ⅰ采用canny算子提取上述处理后的图像边缘，并进行固定阈值，得到二值图像；
第四步，标记信息提取：微型计算机Ⅰ采用改进的基于最小二乘法的椭圆拟合算法对图像数据进行椭圆拟合，具体步骤如下：
a、在采集的图像数据的所有样本点中随机选取6个点；随机选取是由于综采环境下采集的图像不可避免的存在误差较大的样本点，如果直接将包含这些误差较大的点的图像进行椭圆拟合，拟合误差较大；所述样本点为二值图像中所有灰度为1的像素点；
b、利用基于代数距离最小二乘法拟合出椭圆曲线；
c、设定样本点到求得的椭圆边界的最小距离的阈值；
d、遍历所有样本点,求取各个样本点到求得的椭圆边界的最小距离，对各个距离值依次与设定的阈值比较，若测得的距离值小于或等于阈值，则该样本点确定为匹配点并编号，若大于阈值，则该样本点确定为杂质点；统计本次遍历的匹配点总个数；
e、重复执行步骤a～步骤d过程100～200次，比对出匹配点总个数最多的拟合椭圆，确定该椭圆为最优椭圆；标记靶椭圆参数主要包括四组标记靶椭圆的圆心位置，完成后将数据传输到微型计算机Ⅱ中；
第五步，根据所得图像信息，将摄像机简化为针孔成像模型，可计算出液压支架相对于标记靶的液压支架顶梁的高度及倾角数据；
由于摄像仪采集信息存在透视变化，成像后任意两标记靶椭圆圆心连线所成的线段中存在平行于液压支架机身方向分量的线段长度会在成像中相对于不存在平行于液压支架机身方向的分量的线段长度有所缩短，故所采集到的四组标记靶椭圆圆心位置的连线在成像面所成像呈矩形，设该矩形的长边为a，其短边为b；设与该成像矩形长边a对应的实际标记靶上圆心的连线边为A，与该成像矩形短边b对应的实际标记靶上圆心的连线边为B，由于实际标记靶上LED灯组圆心连线为正方形，故A＝B；
摄像机焦点与标记靶矩形两长边中点构成的平面中，设H1、H2分别为焦点到实际标记靶两连线边A中点的距离，即焦点到两连线边A的垂直距离，同理，h1、h2分别为焦点到成像后标记靶两长边a中点的距离；
设k1和k2分别为成像区域的中心点到标记靶两长边中点在成像面上所成像的距离，f为摄像机焦距；
在摄像机焦点与标记靶长边构成的平面中，H1、H2可由以下公式求得：
其中，k、f、A、a为已知数；
由f、k1、k2可推出角θ的大小，具体公式如下：
根据三角定理，可求出液压支架顶梁相对于液压支架底板的倾角γ的角度值，公式如下：
以摄像机焦点到底板高度代替液压支架顶梁支撑高度，记为H总，可得
将上述得出的高度信息和角度信息存储在微型计算机Ⅱ中；
第六步，高度及姿态的补偿：通过MEMS倾角传感器可得到液压支架底板相对于水平位置的倾斜角度，且标记靶安装位置距液压支架底板距离已知，结合步骤五得出的倾角γ及液压支架顶梁支撑高度H总，进行液压支架顶梁支撑高度和姿态补偿，从而得到液压支架顶梁实际高度与实际姿态信息。
与现有技术相比，本发明采用机器视觉模块和高度及倾角补偿模块相结合的方式，机器视觉模块对液压支架顶梁相对于液压支架底板的角度及高度值进行测量；然后采用高度及倾角补偿模块中的MEMS倾角传感器测出液压支架底板相对水平面的角度值，进而对之前测得的顶梁支撑高度及角度值进行补偿，从而得出液压支架顶梁最终的角度及高度值，由于液压支架底板在工作过程中其倾角一般不会超过30度，故MEMS倾角传感器的俯仰角度控制在30度以下，从而可保证其测量精度，另外采用机器视觉模块不仅安装方便而且结构简单无需在液压支架上布置复杂的机构进行测量，不会影响液压支架的动作，保证了液压支架正常的工作。
附图说明
图1是本发明中标记靶上的LED灯组布置图；
图2是本发明中标记靶在液压支架底板上的安装位置示意图；
图3是图2的旋转俯视图；
图4是本发明中机器视觉模块的安装位置示意图；
图5是图4的仰视图；
图6～图8是本发明高度及角度的算法几何模型图；
图9是本发明中机器视觉模块的原理图；
图10是本发明中姿态补偿模块的原理图；
图11是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统，包括机器视觉模块和与之配合使用的姿态补偿模块，所述机器视觉模块包括矿用防爆外壳、矿用摄像仪和微型计算机Ⅰ，矿用防爆外壳安装在液压支架顶梁下部，微型计算机Ⅰ设置在矿用防爆外壳内，矿用摄像仪安装在防爆外壳下端；所述姿态补偿模块包括标记靶、微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器，所述标记靶设置在液压支架底板上，标记靶的上表面与液压支架底板的表面平行，以便于机器视觉模块可以准确采集到标记靶图像信息，且此图像信息不受液压支架向其两侧倾斜的偏斜角影响；所述标记靶的上表面设有LED灯组，微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器设置在标记靶下表面，微型计算机Ⅰ分别与微型计算机Ⅱ和矿用摄像仪连接，微型计算机Ⅱ与MEMS倾角传感器连接。
进一步，所述LED灯组布设成以圆心位置呈正方形分布的四组同心圆环；这种结构可抵消由LED光斑造成的信息采集误差。
进一步，所述矿用防爆外壳面的材质为不锈钢，并设置至少两个喇叭口；便于接受矿用摄像仪输入数据和向微型计算机Ⅱ输出数据。
进一步，所述微型计算机Ⅰ与微型计算机Ⅱ通过矿用阻燃网线连接。
一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量方法，具体步骤是：
第一步，摄像机标定：将标定平面靶标放置于矿用摄像仪前方不同位置处，用矿用摄像仪对其进行拍摄，得到不同位置、不同角度下的标定平面靶标图像，采用非线性标定方法得出摄像仪内部参数信息，包括焦距及镜头畸变参数等；
第二步，视觉采集与处理：通过矿用摄像仪采集标记靶上LED灯组的光斑信息，即四组标记靶同心圆环；将采集的图像传递给微型计算机Ⅰ，然后微型计算机Ⅰ对采集的图像进行去噪与压缩，具体为：
A、对采集图像进行二维小波包分解，采用Db4小波包对图像进行三层分解，并利用Shannon熵作为信息代价函数，获取图像的最优小波基；
B、完成采集图像的小波包分解后，利用小波包工具箱对图像数据进行压缩和去噪；获取压缩和去噪之后图像的近似部分；所述小波包工具箱是安装在微型计算机Ⅰ上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包；
C、对压缩和去噪之后的图像进行重构；
第三步，图像边缘提取：微型计算机Ⅰ采用canny算子提取上述处理后的图像边缘，并进行固定阈值，得到二值图像；
第四步，标记信息提取：微型计算机Ⅰ采用改进的基于最小二乘法的椭圆拟合算法对图像数据进行椭圆拟合，具体步骤如下：
a、在采集的图像数据的所有样本点中随机选取6个点；随机选取是由于综采环境下采集的图像不可避免的存在误差较大的样本点，如果直接将包含这些误差较大的点的图像进行椭圆拟合，拟合误差较大；所述样本点为二值图像中所有灰度为1的像素点；
b、利用基于代数距离最小二乘法拟合出椭圆曲线；
c、设定样本点到求得的椭圆边界的最小距离的阈值；
d、遍历所有样本点,求取各个样本点到求得的椭圆边界的最小距离，对各个距离值依次与设定的阈值比较，若测得的距离值小于或等于阈值，则该样本点确定为匹配点并编号，若大于阈值，则该样本点确定为杂质点；统计本次遍历的匹配点总个数；
e、重复执行步骤a～步骤d过程100～200次，比对出匹配点总个数最多的拟合椭圆，确定该椭圆为最优椭圆；标记靶椭圆参数主要包括四组标记靶椭圆的圆心位置，完成后将数据传输到微型计算机Ⅱ中；
第五步，根据所得图像信息，将摄像机简化为针孔成像模型，可计算出液压支架相对于标记靶的液压支架顶梁的高度及倾角数据；
由于摄像仪采集信息存在透视变化，成像后任意两标记靶椭圆圆心连线所成的线段中存在平行于液压支架机身方向分量的线段长度会在成像中相对于不存在平行于液压支架机身方向的分量的线段长度有所缩短，故所采集到的四组标记靶椭圆圆心位置的连线在成像面所成像呈矩形，设该矩形的长边为a，其短边为b；设与该成像矩形长边a对应的实际标记靶上圆心的连线边为A，与该成像矩形短边b对应的实际标记靶上圆心的连线边为B，由于实际标记靶上LED灯组圆心连线为正方形，故A＝B；
摄像机焦点与标记靶矩形两长边中点构成的平面中，设H1、H2分别为焦点到实际标记靶两连线边A中点的距离，即焦点到两连线边A的垂直距离，同理，h1、h2分别为焦点到成像后标记靶两长边a中点的距离；
设k1和k2分别为成像区域的中心点到标记靶两长边中点在成像面上所成像的距离，f为摄像机焦距；
如图6所示，在摄像机焦点与标记靶长边构成的平面中，H1、H2可由以下公式求得：
其中，k、f、A、a为已知数；
如图7所示，由f、k1、k2可推出角θ的大小，具体公式如下：
如图8所示，根据三角定理，可求出液压支架顶梁相对于液压支架底板的倾角γ的角度值，公式如下：
以摄像机焦点到底板高度代替液压支架顶梁支撑高度，记为H总，可得
将上述得出的高度信息和角度信息存储在微型计算机Ⅱ中；
第六步，高度及姿态的补偿：通过MEMS倾角传感器可得到液压支架底板相对于水平位置的倾斜角度，且标记靶安装位置距液压支架底板距离已知，结合步骤五得出的倾角γ及液压支架顶梁支撑高度H总，进行液压支架顶梁支撑高度和姿态补偿，从而得到液压支架顶梁实际高度与实际姿态信息。

Claims (4)

1.一种液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统的使用方法，采用的液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统，包括机器视觉模块和与之配合使用的姿态补偿模块，所述机器视觉模块包括矿用防爆外壳、矿用摄像仪和微型计算机Ⅰ，矿用防爆外壳安装在液压支架顶梁下部，微型计算机Ⅰ设置在矿用防爆外壳内，矿用摄像仪安装在防爆外壳下端；所述姿态补偿模块包括标记靶、微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器，所述标记靶设置在液压支架底板上，标记靶的上表面与液压支架底板的表面平行，所述标记靶的上表面设有LED灯组，微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器设置在标记靶下表面，微型计算机Ⅰ分别与微型计算机Ⅱ和矿用摄像仪连接，微型计算机Ⅱ与MEMS倾角传感器连接；其特征在于，该方法的具体步骤是：
第一步，摄像机标定：将标定平面靶标放置于矿用摄像仪前方不同位置处，用矿用摄像仪对其进行拍摄，得到不同位置、不同角度下的标定平面靶标图像，采用非线性标定方法得出摄像仪内部参数信息，包括焦距及镜头畸变参数；
第二步，视觉采集与处理：通过矿用摄像仪采集标记靶上LED灯组的光斑信息，即四组标记靶同心圆环；将采集的图像传递给微型计算机Ⅰ，然后微型计算机Ⅰ对采集的图像进行去噪与压缩，具体为：
A、对采集图像进行二维小波包分解，采用Db4小波包对图像进行三层分解，并利用Shannon熵作为信息代价函数，获取图像的最优小波基；
B、完成采集图像的小波包分解后，利用小波包工具箱对图像数据进行压缩和去噪；获取压缩和去噪之后图像的近似部分；所述小波包工具箱是安装在微型计算机Ⅰ上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包；
C、对压缩和去噪之后的图像进行重构；
第三步，图像边缘提取：微型计算机Ⅰ采用canny算子提取上述处理后的图像边缘，并进行固定阈值，得到二值图像；
第四步，标记信息提取：微型计算机Ⅰ采用改进的基于最小二乘法的椭圆拟合算法对图像数据进行椭圆拟合，具体步骤如下：
a、在采集的图像数据的所有样本点中随机选取6个点；所述样本点为二值图像中所有灰度为1的像素点；
b、利用基于代数距离最小二乘法拟合出椭圆曲线；
c、设定样本点到求得的椭圆边界的最小距离的阈值；
d、遍历所有样本点,求取各个样本点到求得的椭圆边界的最小距离，对各个距离值依次与设定的阈值比较，若测得的距离值小于或等于阈值，则该样本点确定为匹配点并编号，若大于阈值，则该样本点确定为杂质点；统计本次遍历的匹配点总个数；
e、重复执行步骤a～步骤d过程100～200次，比对出匹配点总个数最多的拟合椭圆，确定该椭圆为最优椭圆；得出标记靶椭圆参数即四组标记靶成像后椭圆的圆心位置，完成后将数据传输到微型计算机Ⅱ中；
第五步，根据所得图像信息，将摄像机简化为针孔成像模型，可计算出液压支架相对于标记靶的液压支架顶梁的高度及倾角数据；
采集到的四组标记靶椭圆圆心位置的连线在成像面所成像呈矩形，设该矩形的长边为a，其短边为b；设与该成像矩形长边a对应的实际标记靶上圆心的连线边为A，与该成像矩形短边b对应的实际标记靶上圆心的连线边为B，由于实际标记靶上LED灯组圆心连线为正方形，故A＝B；
摄像机焦点与标记靶矩形两长边中点构成的平面中，设H1、H2分别为焦点到实际标记靶两连线边A中点的距离，即焦点到两连线边A的垂直距离，同理，h1、h2分别为焦点到成像后标记靶两长边a中点的距离；
设k1和k2分别为成像区域的中心点到标记靶两长边中点在成像面上所成像的距离，f为摄像机焦距，a为标记靶长边在成像面上所成像的长度；
在摄像机焦点与标记靶长边构成的平面中，H1、H2可由以下公式求得：
其中，k、f、A、a为已知数；
由f、k1、k2可得出角θ的值，具体公式如下：
根据三角定理，求出液压支架顶梁相对于液压支架底板的倾角γ的角度值，公式如下：
以摄像机焦点到底板高度代替液压支架顶梁支撑高度，记为H总，可得
将上述得出的高度信息和角度信息存储在微型计算机Ⅱ中；
第六步，高度及姿态的补偿：通过MEMS倾角传感器可得到液压支架底板相对于水平位置的倾斜角度，且标记靶安装位置距液压支架底板距离已知，结合步骤五得出的倾角γ及液压支架顶梁支撑高度H总，进行液压支架顶梁支撑高度和姿态补偿，从而得到液压支架顶梁实际高度与实际姿态信息。
2.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统的使用方法，其特征在于，所述LED灯组布设成以圆心位置呈正方形分布的四组同心圆环。
3.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统的使用方法，其特征在于，所述矿用防爆外壳面的材质为不锈钢，并设置至少两个喇叭口。
4.根据权利要求1所述的一种液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统的使用方法，其特征在于，所述微型计算机Ⅰ与微型计算机Ⅱ通过矿用阻燃网线连接。
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