CN107228723A - 一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，包括如下步骤：锚杆托盘预处理，布设光源以及架设相机，建立坐标系，标定立体摄影系统，搜索处理，变形前参考坐标确定，变形后参考坐标确定，应变量计算和计算载荷；本发明利用高分辨率单反数码相机拍摄得到的锚杆托盘变形前后图像，采用相关搜索方法，识别得到同一点，通过对比其坐标的变化，得到该点的应变，识别所有标志点坐标变化得到锚杆托盘的应变场，结合锚杆托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，适用于煤矿井下及隧道、边坡用锚杆锚杆托盘载荷的非接触式测量法。
背景技术
锚杆托盘作为锚杆支护过程中的重要支护构件，能够使巷道围岩由二向应力状态恢复到三向应力状态，改善巷道围岩的受力状态，而且在支护过程中使锚杆中性点位置向巷道表面移动，改善锚杆杆体受力状态，提高锚杆的整体抗剪能力，有效测量锚杆托盘的载荷，分析锚杆托盘在预紧阶段和工作阶段过程中的应力分布和变形规律，对于揭示锚杆锚固机理，最大限度发挥锚杆作用具有重要意义。
目前锚杆托盘载荷测量方法包括液压枕测量法、应变片测量法、传统光学测量法；其中液压枕测量法最为常用，由于锚杆托盘、液压枕长期处于潮湿环境，锈蚀速度快，锈蚀情况严重，液压枕漏液测量随即停止，液压枕的安装存在偏心等问题，使得测量灵敏度低，精度差；应变片测量法虽然测量准确性有所提高，但是在锚杆托盘表面典型位置粘贴足够多的应变片难以实现，缺乏现场测量经验，现阶段仅限于实验室的测量和研究；传统光学测量法一般埋设、粘贴光纤传感器或利用测量杠杆测量，目前应用于具备隔振台的实验室内进行科学研究测量，难以适应煤矿井下复杂多变的环境，而且光学测量法对光源的要求比较高，一般要求使用激光作为光源，限制其推广使用。
发明内容
本发明提供一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，利用高分辨率单反数码相机拍摄得到的锚杆托盘变形前后图像，采用相关搜索方法，识别得到同一点，通过对比其坐标的变化，得到该点的应变，识别所有标志点坐标变化得到锚杆托盘的应变场，和锚杆托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，包括如下步骤：
第一步：锚杆托盘预处理，在锚杆托盘表面粘贴分布均匀的网格点形成定点或对其表面涂覆散斑形成散斑场，将锚杆托盘固定在巷道壁面上；
第二步：布设光源以及架设相机，在锚杆托盘表面的中轴线两侧分别布设第一光源和第二光源，第一光源、第二光源分别与中轴线呈60度角设置，在中轴线的两侧还分别布设有第一相机和第二相机，且第一相机布设在第一光源与锚杆托盘相反的一侧，第二相机布设在第二光源与锚杆托盘相反的一侧，第一相机、第二相机均与中轴线呈30度-60度角设置；
第三步：建立坐标系，同时建立四个坐标系，分别为OXYZ坐标系、oxyz坐标系、x′y′坐标系和HV坐标系，其中OXYZ坐标系为锚杆托盘的三维参考坐标系，以正对锚杆托盘表面左侧底角为坐标系原点，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，垂直锚杆托盘表面向外为Z轴正方向；oxyz坐标系为相机的三维坐标系，以相机中心为原点，向右为x轴正方向，向前为y轴正方向，向上为z轴正方向；x′y′坐标系为二维锚杆托盘像平面坐标系，以物像左侧底角为坐标系原点，向右为x′轴正方向，向上为y′轴正方向；HV坐标系为计算机上的二维锚杆托盘图像坐标系，原点、正方向与二维锚杆托盘像平面坐标系相同；
第四步：标定立体摄影系统，将计算机图像中由第一相机所拍摄到的标定区域S1m的点(H1m，V1m)定义为第一中心点，然后将计算机图像中由第二相机所拍摄到的标定区域S2m的点(H2m，V2m)定义为第二中心点，第一中心点、第二中心点对应于锚杆托盘上的同一点(Xm，Ym，Zm)，由已知序列(H1m，V1m)、(H2m，V2m)、(Xm，Ym，Zm)后采用非线性最小二乘方法来分别标定第一相机、第二相机的参数；其中，粘贴分布均匀的网格点形成定点的锚杆托盘，将左下角第一个网格标定区域定义为A1，向右为A2，以此类推；对于表面涂覆散斑形成散斑场的锚杆托盘，将左下角第一个1cm见方的方格为标定区域定义为B1，向右第二个1cm见方方格为标定区域B2，以此类推；
第五步：：搜索处理，从第一相机或第二相机最原始拍摄得到的计算机图像中选择一个图像标定区域S1m或S2m，在变形后的第一相机或第二相机拍摄得到的计算机图像上搜索与之强度分布最相似的图像子区S1m′或S2m′；
第六步：变形前参考坐标确定，对第一相机、第二相机首次拍摄标定区域A1或B1得到的图像子区S1、S2作计算，求解出图像子区S1内标定点P1在计算机图像上的坐标值，同理得到该点在图像子区S2上的对应点P2在计算机图像上的坐标值，利用已知标定点P1在计算机图像上的坐标(H1，V1)和点P2在计算机图像上的坐标(H2，V2)来推导出对应于P点参考坐标值(X，Y，Z)；
第七步：变形后参考坐标确定，确定方法同第六步，推导出P′的参考坐标值(X′，Y′，Z′)；
第八步：应变量计算，将变形前后同一坐标对应值相减，得到该点的应变量，对整幅图像每个图像子区重复以上过程即可得到一个应变场；
第九步：计算载荷，根据得到的应变场，结合锚杆托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分求得锚杆锚杆托盘的实时载荷；
作为本发明的进一步优选，所述的网格点制作采用电脑刻字法，灰度分布为二值化，网格点形状为点状或方形，或由计算机生成呈一定灰度分布的网格，将其打印到打印纸上，手工裁剪下网格点；
作为本发明的进一步优选，粘贴网格点前用速干自喷漆将锚杆托盘表面喷成白色，待速干自喷漆晾晒干后，将网格点均匀牢固的粘贴在锚杆托盘表面；
作为本发明的进一步优选，用剪刀在坐标纸上裁剪出大小适中，形状不一，分布杂乱的孔洞，将坐标纸按在锚杆托盘表面，用一种速干自喷漆喷涂，在锚杆托盘表面上留下具有这种颜色的散斑点，待散斑点晾晒干后，将坐标纸移动一定的距离，仍将其按在锚杆托盘表面，再用另一种速干自喷漆喷涂，在锚杆托盘表面留下具有这种颜色的散斑点，若一次不成，可重复上述喷涂过程，通过多次喷涂，所用的速干自喷漆为三种颜色，白色、黑色和灰色；
作为本发明的进一步优选，变形前参考坐标的确定首先进行锚杆托盘坐标OXYZ坐标系到oxyz坐标系的转换，而后进行oxyz坐标系到x′y′坐标系的转换，最后进行x′y′坐标系到HV坐标系的转换；
作为本发明的进一步优选，第一相机、第二相机均与中轴线呈45度角设置；第一光源、第二光源距离锚杆托盘表面直线距离为30cm；
作为本发明的进一步优选，所述的第一光源、第二光源均由光纤灯照射锚杆托盘形成。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
第一，对光源要求低并且光路简单，只需要使用普通光纤灯照射锚杆托盘表面即可，不需要使用激光；第二，三维应变全场测量，两个相机拍摄到的范围都会进行识别，不存在典型位置与一般位置之分，锚杆托盘表面所有标志点都进行识别，得到应变的三维坐标；第三，非接触，测量过程不存在直接接触，不会引入外力，消除外力引入带来的误差；第四，分辨率、测量精度高，通过高分辨率单反数码相机拍摄，相关搜索理论上能够获得 0.01 像素的测量精度；第五，对环境要求低、无需隔振，本发明能较好适应复杂多变的井下环境，高湿度、煤尘、粉尘、放炮振动，采煤机械振动，岩层移动都不会对测量结果造成太大影响；第六，拍摄视场可以调节、测量范围大，适合各种形状和尺寸的锚杆托盘。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的锚杆托盘表面进行预处理后的两种状态，其中，1a为在锚杆托盘表面粘贴分布均匀的网格点形成定点，1b为对锚杆托盘表面涂覆散斑形成散斑场；
图中：1为网格点，2为速干自喷漆，3为散斑场，4为锚杆托盘，5为巷道壁面，6为第一光源，7为第二光源，8为第一相机，9为第二相机，10为图像采集卡，11为计算机。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图2所示，本发明的一种锚杆锚杆托盘载荷数字成像测量技术，包括如下步骤：
第一步：锚杆托盘预处理，在锚杆托盘表面粘贴分布均匀的网格点形成定点或对其表面涂覆散斑形成散斑场，将锚杆托盘固定在巷道壁面上；
第二步：布设光源以及架设相机，在锚杆托盘表面的中轴线两侧分别布设第一光源和第二光源，第一光源、第二光源分别与中轴线呈60度角设置，在中轴线的两侧还分别布设有第一相机和第二相机，且第一相机布设在第一光源与锚杆托盘相反的一侧，第二相机布设在第二光源与锚杆托盘相反的一侧，第一相机、第二相机均与中轴线呈30度-60度角设置，在锚杆托盘的结构同时还设有计算机，其上安装有图像采集卡；
第三步：建立坐标系，同时建立四个坐标系，分别为OXYZ坐标系、oxyz坐标系、x′y′坐标系和HV坐标系，其中OXYZ坐标系为锚杆托盘的三维参考坐标系，以正对锚杆托盘表面左侧底角为坐标系原点，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，垂直锚杆托盘表面向外为Z轴正方向；oxyz坐标系为相机的三维坐标系，以相机中心为原点，向右为x轴正方向，向前为y轴正方向，向上为z轴正方向；x′y′坐标系为二维锚杆托盘像平面坐标系，以物像左侧底角为坐标系原点，向右为x′轴正方向，向上为y′轴正方向；HV坐标系为计算机上的二维锚杆托盘图像坐标系，原点、正方向与二维锚杆托盘像平面坐标系相同；
第四步：标定立体摄影系统，将计算机图像中由第一相机所拍摄到的标定区域S1m的点(H1m，V1m)定义为第一中心点，然后将计算机图像中由第二相机所拍摄到的标定区域S2m的点(H2m，V2m)定义为第二中心点，第一中心点、第二中心点对应于锚杆托盘上的同一点(Xm，Ym，Zm)，由已知序列(H1m，V1m)、(H2m，V2m)、(Xm，Ym，Zm)后采用非线性最小二乘方法来分别标定第一相机、第二相机的参数；其中，粘贴分布均匀的网格点形成定点的锚杆托盘，将左下角第一个网格标定区域定义为A1，向右为A2，以此类推；对于表面涂覆散斑形成散斑场的锚杆托盘，将左下角第一个1cm见方的方格为标定区域定义为B1，向右第二个1cm见方方格为标定区域B2，以此类推；
第五步：：搜索处理，从第一相机或第二相机最原始拍摄得到的计算机图像中选择一个图像标定区域S1m或S2m，在变形后的第一相机或第二相机拍摄得到的计算机图像上搜索与之强度分布最相似的图像子区S1m′或S2m′；
第六步：变形前参考坐标确定，对第一相机、第二相机首次拍摄标定区域A1或B1得到的图像子区S1、S2作计算，求解出图像子区S1内标定点P1在计算机图像上的坐标值，同理得到该点在图像子区S2上的对应点P2在计算机图像上的坐标值，利用已知标定点P1在计算机图像上的坐标(H1，V1)和点P2在计算机图像上的坐标(H2，V2)来推导出对应于P点参考坐标值(X，Y，Z)；
第七步：变形后参考坐标确定，确定方法同第六步，推导出P′的参考坐标值(X′，Y′，Z′)；
第八步：应变量计算，将变形前后同一坐标对应值相减，得到该点的应变量，对整幅图像每个图像子区重复以上过程即可得到一个应变场；
第九步：计算载荷，根据得到的应变场，结合锚杆托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分求得锚杆锚杆托盘的实时载荷；
作为本发明的进一步优选，所述的网格点制作采用电脑刻字法，灰度分布为二值化，网格点形状为点状或方形，或由计算机生成呈一定灰度分布的网格，将其打印到打印纸上，手工裁剪下网格点，其后使用速干自喷漆将锚杆托盘表面喷成白色，待速干自喷漆晾晒干后，再将网格点均匀牢固的粘贴在锚杆托盘表面形成标定点，使得网格点与锚杆托盘的背景色形成鲜明的对比；
作为本发明的进一步优选，粘贴网格点前用速干自喷漆将锚杆托盘表面喷成白色，待速干自喷漆晾晒干后，将网格点均匀牢固的粘贴在锚杆托盘表面；
作为本发明的进一步优选，用剪刀在坐标纸上裁剪出大小适中，形状不一，分布杂乱的孔洞，将坐标纸按在锚杆托盘表面，用一种速干自喷漆喷涂，在锚杆托盘表面上留下具有这种颜色的散斑点，待散斑点晾晒干后，将坐标纸移动一定的距离，仍将其按在锚杆托盘表面，再用另一种速干自喷漆喷涂，在锚杆托盘表面留下具有这种颜色的散斑点，若一次不成，可重复上述喷涂过程，通过多次喷涂，所用的速干自喷漆为三种颜色，白色、黑色和灰色；
作为本发明的进一步优选，变形前参考坐标的确定首先进行锚杆托盘坐标OXYZ坐标系到oxyz坐标系的转换，而后进行oxyz坐标系到x′y′坐标系的转换，最后进行x′y′坐标系到HV坐标系的转换；
作为本发明的进一步优选，第一相机、第二相机均与中轴线呈45度角设置；第一光源、第二光源距离锚杆托盘表面直线距离为30cm；
作为本发明的进一步优选，所述的第一光源、第二光源均由光纤灯照射锚杆托盘形成，第一光源、第二光源为两个100W的光纤灯，其光照稳定，光场均匀，且可方便调节光线方向，能够充分保证锚杆托盘表面光强达到拍摄要求，而后将两台高分辨率单反数码相机及第一相机、第二相机架设在锚杆托盘表面两端，保证第一相机、第二相机视野开阔，视角良好，聚焦后物像清晰。
其中，在本申请中，为了提高测试精度和运算速度，在相关计算的程序设计中引入了十字搜索法、亚像素搜索技术和小波减噪技术等。同时可以将测量过程开发成测量系统，测量系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分由光源、高分辨率单反数码相机相机、图像采集卡、控制计算机组成，负责试件变形图像的采集、保存、计算等工作；软件部分则是对采集到的散斑图像进行处理、获得所需的变形信息。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：锚杆托盘预处理，在锚杆托盘表面粘贴分布均匀的网格点形成定点或对其表面涂覆散斑形成散斑场，将锚杆托盘固定在巷道壁面上；
第二步：布设光源以及架设相机，在锚杆托盘表面的中轴线两侧分别布设第一光源和第二光源，第一光源、第二光源分别与中轴线呈60度角设置，在中轴线的两侧还分别布设有第一相机和第二相机，且第一相机布设在第一光源与锚杆托盘相反的一侧，第二相机布设在第二光源与锚杆托盘相反的一侧，第一相机、第二相机均与中轴线呈30度-60度角设置；
第三步：建立坐标系，同时建立四个坐标系，分别为OXYZ坐标系、oxyz坐标系、x′y′坐标系和HV坐标系，其中OXYZ坐标系为锚杆托盘的三维参考坐标系，以正对锚杆托盘表面左侧底角为坐标系原点，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，垂直锚杆托盘表面向外为Z轴正方向；oxyz坐标系为相机的三维坐标系，以相机中心为原点，向右为x轴正方向，向前为y轴正方向，向上为z轴正方向；x′y′坐标系为二维锚杆托盘像平面坐标系，以物像左侧底角为坐标系原点，向右为x′轴正方向，向上为y′轴正方向；HV坐标系为计算机上的二维锚杆托盘图像坐标系，原点、正方向与二维锚杆托盘像平面坐标系相同；
第四步：标定立体摄影系统，将计算机图像中由第一相机所拍摄到的标定区域S1m的点(H1m，V1m)定义为第一中心点，然后将计算机图像中由第二相机所拍摄到的标定区域S2m的点(H2m，V2m)定义为第二中心点，第一中心点、第二中心点对应于锚杆托盘上的同一点(Xm，Ym，Zm)，由已知序列(H1m，V1m)、(H2m，V2m)、(Xm，Ym，Zm)后采用非线性最小二乘方法来分别标定第一相机、第二相机的参数；其中，粘贴分布均匀的网格点形成定点的锚杆托盘，将左下角第一个网格标定区域定义为A1，向右为A2，以此类推；对于表面涂覆散斑形成散斑场的锚杆托盘，将左下角第一个1cm见方的方格为标定区域定义为B1，向右第二个1cm见方方格为标定区域B2，以此类推；
第五步：搜索处理，从第一相机或第二相机最原始拍摄得到的计算机图像中选择一个图像标定区域S1m或S2m，在变形后的第一相机或第二相机拍摄得到的计算机图像上搜索与之强度分布最相似的图像子区S1m′或S2m′；
第六步：变形前参考坐标确定，对第一相机、第二相机首次拍摄标定区域A1或B1得到的图像子区S1、S2作计算，求解出图像子区S1内标定点P1在计算机图像上的坐标值，同理得到该点在图像子区S2上的对应点P2在计算机图像上的坐标值，利用已知标定点P1在计算机图像上的坐标(H1，V1)和点P2在计算机图像上的坐标(H2，V2)来推导出对应于P点参考坐标值(X，Y，Z)；
第七步：变形后参考坐标确定，确定方法同第六步，推导出P′的参考坐标值(X′，Y′，Z′)；
第八步：应变量计算，将变形前后同一坐标对应值相减，得到该点的应变量，对整幅图像每个图像子区重复以上过程即可得到一个应变场；
第九步：计算载荷，根据得到的应变场，结合锚杆托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分求得锚杆托盘的实时载荷。
2.根据权利要求1所述的锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：所述的网格点制作采用电脑刻字法，灰度分布为二值化，网格点形状为点状或方形，或由计算机生成呈一定灰度分布的网格，将其打印到打印纸上，手工裁剪下网格点。
3.根据权利要求1或2所述的锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：粘贴网格点前用速干自喷漆将锚杆托盘表面喷成白色，待速干自喷漆晾晒干后，将网格点均匀牢固的粘贴在锚杆托盘表面。
4.根据权利要求1所述的一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：用剪刀在坐标纸上裁剪出大小适中，形状不一，分布杂乱的孔洞，将坐标纸按在锚杆托盘表面，用一种速干自喷漆喷涂，在锚杆托盘表面上留下具有这种颜色的散斑点，待散斑点晾晒干后，将坐标纸移动一定的距离，仍将其按在锚杆托盘表面，再用另一种速干自喷漆喷涂，在锚杆托盘表面留下具有这种颜色的散斑点，若一次不成，可重复上述喷涂过程，通过多次喷涂，所用的速干自喷漆为三种颜色，白色、黑色和灰色。
5.根据权利要求1所述的一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：变形前参考坐标的确定首先进行锚杆托盘坐标OXYZ坐标系到oxyz坐标系的转换，而后进行oxyz坐标系到x′y′坐标系的转换，最后进行x′y′坐标系到HV坐标系的转换。
6.根据权利要求1所述的一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：第一相机、第二相机均与中轴线呈45度角设置；第一光源、第二光源距离锚杆托盘表面直线距离为30cm。
7.根据权利要求1所述的一种锚杆托盘载荷数字成像测量技术，其特征在于：所述的第一光源、第二光源均由光纤灯照射锚杆托盘形成。
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