CN108106569B - 一种基于视觉的综采工作面直线度检测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于视觉的综采工作面直线度检测方法，方法包括：在工作面的快速巡检平台上，搭载视觉系统。视觉系统的摄像机布置在巡检平台的端头处，摄像机的机头平行于行走轨道，且应尽量向下微倾。在巡检平台快速移动过程中进行拍摄视频，尽量稳定保证巡检平台行走机构轨道始终出现在拍摄画面内。当巡检平台行走机构以较快的速度沿工作面循回，拍摄其行走的轨迹，然后基于视觉算法计算巡检平台行走机构的运动轨迹，从而检测出综采工作面的直线度，实现综采工作面的自动找直。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采领域，特别涉及一种煤矿井下综采工作面的直线度检测方法和系统。
背景技术
综采工作面有采煤机、刮板运输机和液压支架等设备构成。刮板运输机是由一节一节溜槽连接起来构成的，由刮板运输机的连接孔和液压支架推移杆连接头通过销子固定连接，通过工作面液压支架推移千斤顶的伸缩动作，现实刮板运输机的移动。多台液压支架在工作面依次排列，其各自的位置在工作面受到刮板运输机约束，但各自之间相互的位置并没有约束，是一个半浮动系统。在工作时，为了实现工作面的正常运转，多个工作面液压支架之间需要保持一定的直线度，即多个工作面液压支架基本处于同一直线上。同时，在采煤过程中，刮板运输机是采煤机运行的轨道，所以在工作面液压支架推溜以后要求刮板运输机同样具有较好的直线度，以保证采煤机割煤质量。
在综采工作面开采过程中，由于支架的参差不齐和上窜下滑、刮板运输机推移弯曲、煤层的起伏等因素，加剧刮板运输机齿轨磨损、甚至损伤支架等设备。由于刮板机连接销耳间的隙窜动量，影响行程传感器的测量精度，造成直线度的检测误差。上述原因会导致工作面不能连续推进，影响开采生产的安全、高效和协调运行。因此，需要开展工作面自动直线度检测技术的研究开发，实现综采工作面的自动找直。目前，在煤矿综采过程中，主要采用的工作面找直方法主要有：基于惯性导航的方法、基于光纤应变的方法、基于激光矩阵的方法，以及传统人工拉绳的方法。典型的现有技术如中国专利申请CN201210142362.5或CN201410103888.1中介绍的直线度控制方法和系统。
液压支架手动系统工作面靠人工进行工作面液压支架的推溜或拉架来进行刮板运输机的调直控制，少数采用传感器进行直线度校正的系统结构复杂，使用的传感器数量多，信息传输受井下环境影响较大，调直不够准确，同时安装上需要对现有的工作面支护系统做较大的改动，不利于大规模的推广应用。基于惯性导航的方法其成本较高，具有累积误差的缺点，以及不能实时检测控制的缺点；基于激光应变的方法实施起来同样成本代价很高，以及具有累积误差，而且安装使用维护复杂。基于激光矩阵的方法也具有累积误差的不足，以及只能测量之间的相对位移。传统人工拉绳方法，虽然实施简单，但是达不到实现以自动化、智能化技术减人的目标。为此，本领域急需研制一种安全可靠的工作面直线度控制系统，用来较为精确和便捷的调整工作面液压支架的直线度，从而实现各工作面液压支架之间的直线度的控制。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种综采工作面直线度检测的方法和系统，本发明通过在综采工作面电缆槽边上布置的快速巡检行走机构上安装视频采集装置采集工作面视频信息，使用光流跟踪算法从所述视频信息中计算出视频采集装置的运动轨迹，根据其运动轨迹得到工作面的直线度。
第一方面，一种综采工作面直线度检测方法，其特征在于，包括：
使视频获取装置以预设速度在与工作面相同的方向运动；
在运动过程中，所述视频获取装置获取所述工作面的视频流；
从所述视频流中提取关键帧序列；
计算每两个相邻关键帧Fi和Fj之间的匹配特征点组Pi和Pj；
根据所述匹配特征点组Pi和Pj计算所述关键帧Fj相对于Fi的空间旋转度R和位移平移量t；
根据每两个相邻关键帧之间的所述空间旋转度R和位移平移量t计算所述视频获取装置的运动轨迹；
根据所述运动轨迹，确定所述综采工作面的直线度。
其中，从所述视频流中提取关键帧的步骤中，提取关键帧之间间隔的时间相同。
优选的，所述计算每两个相邻关键帧Fi和Fj之间的匹配特征点组Pi和Pj的步骤包括：
获取所述关键帧Fi的特征点组Pi，根据光流跟踪算法计算所述关键帧Fj中与所述特征点组Pi匹配的匹配特征点组Pj。
若跟踪失败无法获得与所述特征点组Pi匹配的匹配特征点组Pj，则使用特征点检测算法从所述关键帧Fj中重新检测特征点进行下次重新跟踪。
另一个优选实施方式中，根据所述匹配特征点组Pi和Pj计算所述关键帧Fj相对于Fi的空间旋转度R和位移平移量t包括；
分别计算所述匹配特征点组Pi和Pj在所述相邻关键帧中Fi和Fj中的3D信息，根据所述3D信息计算所述空间旋转度Ri和所述位移平移量ti。
其中，如果跟踪匹配失败，特征点提取算法可以包括：KLT角点检测方法、Harris角点检测方法或FAST特征检测算法。
优选的，综采工作面的控制系统可以根据检测到的直线度对液压支架、刮板机进行控制，实现综采工作面的调直操作。
第二方面，一种综采工作面直线度检测系统，其特征在于，包括：
视频获取装置，所述视频获取装置包括运动装置，所述运动装置能够使所述视频获取装置以预设速度在所述工作面方向上运动；
关键帧提取模块，用于从所述视频获取装置获取的视频流中提取关键帧序列；
特征点跟踪匹配模块，使用光流跟踪算法获取下一关键帧中与上一关键帧中匹配的特征点；
运动估计模块，用于根据所述匹配特征点计算下一关键帧相对于上一关键帧的空间旋转度R和位移平移量t；
轨迹生成模块，用于根据每两个相邻关键帧之间的空间旋转度R和位移平移量t计算所述视频获取装置的运动轨迹。
综采工作面直线度检测系统还可以包括设置于工作面电缆槽外巡检行走机构的轨道，视频获取装置的运动装置沿所述轨道运动，轨道的方向和直线度即代表综采工作面的直线度。
优选的，视频采集模块可以设置在综采工作面的巡检平台上，或者设置在采煤机上。
本发明的优点在于：
1、在巡检平台上搭建视觉系统进行工作面找直，充分利用巡检平台优势，只需要一台摄像机，最多需要两台摄像机安装于巡检平台行走机构的两端，操作简单，便于安装、调试和实现工作面自动找直。
2、不受工作面环境，例如弯曲、起伏影响。
3、现场实现辅助元器件需求少，节约成本，软件算法优化方便、实用。
附图说明
图1为采煤工作面刮板运输机通过液压支架的推溜动作移动的示意图；
图2为本公开一实施例提供的工作面直线度检测算法流程图；
图3为本公开一实施例提供的一种工作面直线度检测系统搭载方式示意图。
附图标记如下：
1-煤壁；2-刮板运输机；3-液压支架；4-采煤机
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
以下对本公开实施例中提及的部分词语进行举例说明。
参见附图1，本发明涉及煤矿工作面综采系统，综采系统主要包括液压支架、刮板运输机和采煤机。其中，采煤机在刮板运输机的采煤机轨道上运动，完成采煤动作；完成一次开采后，整个综采系统需要向开采方向前进，如附图1所示，综采系统的移动是通过每个液压支架动作并推动刮板运输机运动，液压支架系统由多个液压支架组成，每个液压支架和刮板运输机的一段溜槽相互连接，多个溜槽连接组成刮板运输机，在开采过程中，需要保证由多个溜槽组成的刮板运输机尽量在一条直线上，本发明的工作面直线度检测方法也是通过检测刮板运输机的直线度来确定工作面的直线度，直线度检测完成后，可以通过液压支架动作，调整每段溜槽的推移量，从而实现对刮板运输机的调直操作。
图2为本公开一实施例提供的一种工作面直线度检测算法流程图；
如图2所示，本实施例的一种工作面直线度检测方法，包括：
使视频获取装置以预设速度在与工作面相同的方向运动；
在运动过程中，所述视频获取装置获取所述工作面的视频流；
从所述视频流中提取关键帧序列；
计算每两个相邻关键帧Fi和Fj之间的匹配特征点组Pi和Pj；
根据所述匹配特征点组Pi和Pj计算所述关键帧Fj相对于Fi的空间旋转度R和位移平移量t；
根据每两个相邻关键帧之间的所述空间旋转度R和位移平移量t计算所述视频获取装置的运动轨迹；
根据所述运动轨迹，确定所述综采工作面的直线度。
在本实施例中，视频获取装置可以是工作面的巡检装置，其可以安装在采煤机上，或者通过运动装置安装在刮板运输机的导轨上。当视频获取装置安装在采煤机上时，采煤机在开采过程中沿着刮板运输机上的导轨运动，视频获取装置同时获取运动过程中的视频流，通过所述工作面直线度检测方法，能够得到视频获取装置的运动轨迹，也就是采煤机沿着导轨运动的轨迹，从而得到刮板运输机的直线度。
优选的，视频获取装置具有运动装置，并可以通过运动装置独立在刮板运输机的导轨上以预定速度运动，在运动过程中，通过对工作面的视频采集并将工作面视频发送到监控站，可以实现无人化的工作面巡检。
运动装置在导轨上的运动速度可以进行调整，以快速完成对工作面直线度的检测，并且根据直线度对刮板运输机的溜槽进行调整，从而实现刮板运输机的调直操作。
本发明的另一个优选实施方式中，在工作面刮板运输机电缆槽外的快速巡检平台的行走机构上，搭载视觉系统。视觉系统的摄像机布置在巡检平台的端头处，摄像机的机头平行于行走轨道，且应尽量向下微倾。在巡检平台快速移动过程中进行拍摄，尽量稳定保证巡检平台行走轨道始终出现在拍摄画面内。当巡检平台行走机构以较快的速度沿工作面循回，拍摄其行走的轨迹，然后基于视觉里程计计算估计巡检平台行走机构的运动轨迹，从而检测出综采工作面的直线度，实现综采工作面的自动找直。
从视频流中提取关键帧的步骤一般是为了提高处理速度，减少视频流中的冗余信息。对关键帧的提取，需要保证各相邻关键帧之间的时间间隔相同。优选的，关键帧提取时，相邻关键帧之间的时间间隔可以根据视频获取装置的运动速度确定，速度越大，则相邻关键帧之间的时间间隔应当越小。
提取视频流的关键帧后，首先通过特征点检测算法提取关键帧的特征点；然后在后续关键帧中跟踪前面检测到的特征点，并在后续帧中检测得到与之匹配的特征点；在此基础上，根据连续两帧所跟踪匹配特征点的3D信息计算前一关键帧相对于后一关键帧的空间旋转度和位移平移量，从而完成目标的运动估计；最终利用运动估计量绘制出摄像机的运动轨迹，即综采工作面的直线度。
具体算法描述如下：
其中，特征点检测可以使用KLT角点检测方法、Harris角点检测方法或FAST特征检测算法。
图3为本公开一实施例提供的一种工作面直线度检测系统搭载方式示意图。
本发明综采工作面直线度检测系统，包括：
视频获取装置，所述视频获取装置包括运动装置，所述运动装置能够使所述视频获取装置以预设速度在所述工作面方向上运动；
关键帧提取模块，用于从所述视频获取装置获取的视频流中提取关键帧序列；
特征点跟踪匹配模块，使用光流跟踪算法获取下一关键帧中与上一关键帧中匹配的特征点；
运动估计模块，用于根据所述匹配特征点计算下一关键帧相对于上一关键帧的空间旋转度R和位移平移量t；
轨迹生成模块，用于根据每两个相邻关键帧之间的空间旋转度R和平移量t计算所述视频获取装置的运动轨迹。
优选的实施方式中，直线度检测系统的视频获取装置布置在巡检平台的端头处，视频获取装置可以是摄像机或者红外线摄像机，摄像机的机头平行于行走轨道，且应尽量向下微倾。在巡检平台快速移动过程中进行拍摄，尽量稳定保证巡检平台行走轨道始终出现在拍摄画面内。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
应当注意的是，在本公开的系统的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本公开不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。
本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上实施方式仅适于说明本公开，而并非对本公开的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本公开的范畴，本公开的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种综采工作面直线度检测方法，其特征在于，包括：
使视频获取装置以预设速度在与工作面相同的方向运动；
在运动过程中，所述视频获取装置获取所述工作面的视频流；
从所述视频流中提取关键帧序列；
计算每两个相邻关键帧Fi和Fj之间的匹配特征点组Pi和Pj；
根据所述匹配特征点组Pi和Pj计算所述关键帧Fj相对于Fi的空间旋转度R和位移平移量t；
根据每两个相邻关键帧之间的所述空间旋转度R和位移平移量t计算所述视频获取装置的运动轨迹；
根据所述运动轨迹，确定所述工作面的直线度；
所述计算每两个相邻关键帧Fi和Fj之间的匹配特征点组Pi和Pj的步骤包括：
获取所述关键帧Fi的特征点组Pi，根据光流跟踪算法计算所述关键帧Fj中与所述特征点组Pi匹配的匹配特征点组Pj；
若跟踪失败无法获得与所述特征点组Pi匹配的匹配特征点组Pj，则使用特征点检测算法从所述关键帧Fj中获取多个特征点作为匹配特征点组Pj；
根据所述匹配特征点组Pi和Pj计算所述相邻关键帧Fi和Fj之间的空间旋转度R和位移平移量t包括：
分别计算所述匹配特征点组Pi和Pj在所述相邻关键帧中Fi和Fj中的3D信息，根据所述3D信息计算所述空间旋转度Ri和所述位移平移量ti；
视频获取装置装在采煤机上，或者通过运动装置安装在刮板运输机的导轨上，运动装置独立在刮板运输机的导轨上以预定速度运动；
当视频获取装置安装在采煤机上时，采煤机在开采过程中沿着刮板运输机上的导轨运动，视频获取装置同时获取运动过程中的视频流；
从所述视频流中提取关键帧的步骤中，提取关键帧之间间隔的时间相同；相邻关键帧之间的时间间隔根据视频获取装置的运动速度确定，速度越大，则相邻关键帧之间的时间间隔越小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征点检测算法包括：KLT角点检测方法、Harris角点检测方法或FAST特征检测算法。
3.一种基于权利要求1所述的综采工作面直线度检测方法的综采工作面直线度检测系统，其特征在于，包括：
视频获取装置，所述视频获取装置包括运动装置，所述运动装置能够使所述视频获取装置以预设速度在所述工作面方向上运动；
关键帧提取模块，用于从所述视频获取装置获取的视频流中提取关键帧序列；
特征点跟踪匹配模块，使用光流跟踪算法计算每两个相邻关键帧的匹配特征点；
运动估计模块，用于根据所述匹配特征点计算相邻关键帧之间的空间旋转度R和位移平移量t；
轨迹生成模块，用于根据每两个相邻关键帧之间的空间旋转度R和位移平移量t计算所述视频获取装置的运动轨迹。
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