CN110081861B - 一种基于图像识别的激光快速测绘系统及测绘方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于图像识别的激光快速测绘系统，图像识别模块用以追踪激光光圈和实际测点位置图像，基于基准坐标系计算激光测距模块的调整参数，控制模块根据该调整参数控制激光测距模块的姿态，直至光圈与实际测点重合，此时获取激光机械姿态和图像识别参数，激光机械姿态和图像识别参数各自进行闭合计算。与现有技术相比，将激光测距技术与图像识别技术结合，使用摄像技术，获取远端激光测距模块射出的光线投影，利用图像识别模块识别投影、获取视角，进而满足隧道井下工程测绘要求；可以实时监测控制无人智能化管理井下设备，另外，通过激光机械姿态和图像识别参数互相校核，从而确定测量是否满足精度要求。

Description

一种基于图像识别的激光快速测绘系统及测绘方法

技术领域

本发明涉及新概念测绘技术，主要应用于井下测绘技术，具体来说是一种基于图像识别的激光快速测绘系统。

背景技术

目前用于坐标定位的设备主要有光学测绘和GPS测绘；GPS是利用卫星导航进行定位，不适用于井下测点定位，光学测绘设备适用井下，但这种设备工作流程繁琐，人员使用较多，测绘过程中人为因素有时候影响测绘成果。因此，隧道工程测绘迫切需要测量定位的智能化。现阶段，光学摄像、图像识别技术、激光测距技术获得了长足发展；然以应用光学摄像、图像识别、激光测距技术应用于井下、隧道、洞穴测绘是一种全新的测绘概念技术，具有较广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于图像识别的激光快速测绘系统和测绘方法，提高井下、隧道、洞穴的测绘精度和效率。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种基于图像识别的激光快速测绘系统，包括：激光测距模块，图像识别模块，基准坐标系获取模块，数据库，控制模块，数据交互模块；

所述基准坐标系获取模块获取当前环境的基准坐标系及系统姿态数据，并将基准坐标系及系统姿态数据信息发送给数据库；

所述数据交互模块用以输入命令和接收提示信息；并将命令发送给控制模块；

所述控制模块获取已知坐标，并基于基准坐标系并参考系统姿态数据，换算成激光测距模块的激光机械参数(r,θ，φ)，并发送给激光测距模块；

所述激光测距模块根据激光机械参数(r,θ，φ)追踪已知坐标对应的空间测点；

或激光测距模块追踪未知坐标对应的空间测点；

所述图像识别模块用以追踪激光光圈和实际测点位置图像，基于基准坐标系计算激光测距模块的调整参数(r,θ，φ)，并将该调整参数(r,θ，φ)发送给数据库和控制模块；控制模块根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光测距模块的姿态，直至光圈与实际测点重合，此时获取激光测距模块的激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块的图像识别参数(r,θ，φ)，激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别参数(r,θ，φ)各自进行闭合计算，互相校核，并分别与激光测距模块和图像识别模块的预设精度比对，从而确定测量是否满足精度要求。

优选的，所述激光测绘仪输出光圈，中心点作十字标识，将光圈分为360个编码区，1个编码区对应角度1°。

优选的，采用条形码、二维码对光圈进行编码分区。

优选的，当所述图像识别模块未识别出光圈或实际测点时，向所述控制模块发送提示信息，所述控制模块将提示信息发送给数据交互模块。

优选的，所述基准坐标系获取模块采用陀螺经纬仪获取当前环境的基准坐标系，或者利用两个已知测点获取当前环境的基准坐标系。

本发明还提供一种基于图像识别的激光快速测绘方法，包括

设备安装与调试：将激光快速测绘系统定置于待测环境中；

获取当前环境的基准坐标系及系统姿态数据；并将基准坐标系及系统姿态数据信息发送给数据库；

已知坐标空间测点追踪：输入空间测点的已知坐标，基于基准坐标系并参考系统姿态数据，自动换算成激光机械参数(r,θ，φ)，激光指向空间测点，图像识别模块控制激光光圈对焦空间测点，直至光圈重合测点，此时获取最后的激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)；

未知坐标实际测点追踪：图像获取光圈和测点，基于基准坐标系，计算出空间测点与实际测点之间的调整参数(r,θ，φ)，根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光光圈逼近测点，直至重合，获取激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)；当视角范围内未发现光圈盘或测点，发送提示信息。

优选的，由图像识别模块控制激光测绘仪射出光圈对焦空间测点，使光圈“十”字与空间测点重合，从而获取激光测绘仪和图像识别模块的(r,θ，φ)；

然后两激光测绘仪和图像识别模块的(r,θ，φ)进行各自的闭合计算，相互校核，并分别与激光测绘仪和图像识别模块的预设精度比对，从而确定测量是否满足精度要求；

采用较低等级精度计算时，仅采用图像识别模块获取的(r,θ，φ)进行闭合计算，完成目标要求。

本发明的优点在于：

将激光测距技术与图像识别技术结合，使用摄像技术，获取远端激光测距模块射出的光线投影，利用图像识别模块识别投影、获取视角，进而满足隧道井下工程测绘要求；该技术结合施工目标加工轨迹算法，实时监测控制无人智能化挖掘机挖掘，无人智能化综掘机掘进，无人智能化综采设备回采工作面。

采用双闭合计算，从而确定测量是否满足精度要求。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于图像识别的激光快速测绘系统的结构框图；

图2为本发明实施例中激光测距模块的功能框图；

图3为本发明实施例中图像识别模块的功能框图；

图4为本发明实施例中光圈编码分区的结构示意图；

图5为本发明实施例极径r获取计算图；

图6为本发明实施例中极角θ获取计算图；

图7为本发明实施例中φ获取计算图；

图8为本发明实施例中测绘方法的逻辑框图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

一种基于图像识别的激光快速测绘系统，用于隧道、洞穴、巷道等地下环境测绘。包括：激光测距模块，图像识别模块，基准坐标系获取模块，数据库，控制模块，数据交互模块；

激光测距模块采用激光测绘仪测量距离和激光射线指向坐标所在空间对应控制测点。其中激光测绘仪输出光圈具有可识别性；光圈是圆形光圈，圆点用“十”字焦点，通过条形码、二维码及其他编码形式，把光圈分为360编码区，如图4所示，1个编码区对应为角度1度，1个编码区可以根据精度要求继续等分至分(′)或秒(″)。并可以结合图像识别模块的视角，结合图像中编码获取极角(θ，φ)。

图像识别模块一般采用摄像机，包括追踪单元和视角识别单元，追踪单元追踪检测图像中的激光点，获取当前环境中的图像，视角识别单元获取当前图像中中光圈与实际测点的图像，然后通过计算识别光圈与实际测点的位置调整参数(r,θ，φ)，可以调整激光测绘仪的姿态，让光圈无限接近实际测点。具体计算过程为：

如图5所示，激光测绘仪从O点发射激光追踪测点A，当激光圆斑中心对准测点A时，此时获取极径r,极角θ，φ(见图5)；这里有两套系统的(r,θ，φ)，一套是图像识别模块获取的(r,θ，φ)，一套是通过图像识别模块控制激光机械系统姿态(r,θ，φ)。两套(r,θ，φ)进行各自的闭合计算，并与该套设备的预设精度比对，从而确定测量是否满足精度要求。

其中图像识别模块获取的θ获取参阅图6，图6左图所示激光输出一定角度圆形光圈追踪到测点(右图)，输出的圆形光圈在某角度上的编码直径区，在图6右图卵形光圈上形成长轴编码区，即的圆形激光上某角度的编码直径(线)区，与卵形光圈的编码长轴区对应，即获取θ。

图像识别模块获取的φ的获取参阅图7，依据圆形光圈的面积与卵形光圈的面积比值，根据测点所在平面或垂面，取余弦或正弦：

非平面和垂面的所在面通过所获图像中编码位置及光圈形状计算出获取φ。

极径r获取参照图5所示，可以依据激光测距系统获取极径距离r，同时也可以利用扩散率恒定的输出光圈在平面或垂面上的光圈面积，换算为图7所示CD面上的面积，利用面积S_CD扩散光圈面积计算出极径距离r，两者极径理论上是相等的，互为验证，因此通过激光极极径验证图像识别模块的各个参数(r,θ，φ)，检验是否达到预设的精度要求。

激光快速测绘系统获取r,θ，φ参数，输入数据库，转换为坐标点。

坐标获取模块利用惯性导航系统如陀螺经纬仪获取当前环境的基准坐标系及系统姿态数据：或者利用两个已知测点获取当前环境的基准坐标系。用以测绘时作为极坐标的计算基础，其中测点获取的基准坐标系高于惯性导航获取的基准坐标系。

数据库存储图像识别模块和激光测距模块数据，用于支持控制模块控制激光测绘仪指向坐标控制测点或获取控制测点坐标。

数据交互模块包括显示屏和键盘，用于输入和输出数据，并控制模块进行信息交互。

具体工作中，分为两种情况。

1、已知坐标对应的空间测点

作业时，操作人员先通过数据交互模块数据已知坐标，控制模块获取改已知坐标后，根据基准坐标系，计算得到极坐标(激光机械系统姿态(r,θ，φ))，并根据该极坐标控制激光测绘仪姿态调整，使激光测绘仪的光圈对焦至已知坐标对应的空间测点。然后图像识别模块获取光圈所在位置的图像，并识别出图像中的激光点和实际测点图像，并由图像识别模块计算出当前激光点与实际测点的位置调整参数(r,θ，φ)，并将调整参数(r,θ，φ)发送给数据库和控制系统，控制系统根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光测绘仪进行姿态调整，以此类推，实现光圈无限接近实际测点。当图像视图模块未能同时识别激光点和实际测点，则向控制模块发送提示信息，控制模块向数据交互模块发送提示信息。

2、未知坐标对应的空间测点

作业时，先人工调整激光测绘仪，使光圈大致对准实际测点，然后通过然后图像识别模块获取光圈所在位置的图像，并识别出图像中的激光点和实际测点图像，并计算出当前激光点与实际测点的位置调整参数(r,θ，φ)，并将调整参数(r,θ，φ)发送给数据库和控制系统，控制系统根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光测绘仪进行姿态调整，以此类推，实现光圈无限接近实际测点(进而获取激光机械系统姿态(r,θ，φ))。当图像视图模块未能同时识别激光点和实际测点，则向控制模块发送提示信息，控制模块向数据交互模块发送提示信息。

待光圈和实际测点重叠以后，最后图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)，激光机械系统姿态(r,θ，φ)。两套(r,θ，φ)进行各自的闭合计算，并该套设备的预设精度比对，从而确定测量是否满足精度要求。

针对上述系统，本实施例还提供一种基于图像识别的激光快速测绘方法，包括

步骤1.设备安装与调试：将激光快速测绘系统定置于待测环境中；

步骤2.获取当前环境的基准坐标系；

步骤3.已知坐标空间测点追踪：输入空间测点的已知坐标，基于基准坐标系，自动换算成激光机械参数(r,θ，φ)，激光指向空间测点，图像识别模块控制激光光圈对焦空间测点，直至光圈重合测点，此时获取最后的激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)；

未知坐标实际测点追踪：图像获取光圈和测点，基于基准坐标系，计算出空间测点与实际测点之间的调整参数(r,θ，φ)，根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光光圈逼近测点，直至重合，获取激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)；当视角范围内未发现光圈盘或测点，发送提示信息。

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的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种基于图像识别的激光快速测绘系统，其特征在于：包括：激光测距模块，图像识别模块，基准坐标系获取模块，数据库，控制模块，数据交互模块；

所述基准坐标系获取模块获取当前环境的基准坐标系及系统姿态数据，并将基准坐标系及系统姿态数据信息发送给数据库；

所述数据交互模块用以输入命令和接收提示信息；并将命令发送给控制模块；

所述控制模块获取已知坐标，并基于基准坐标系并参考系统姿态数据，换算成激光测距模块的激光机械参数(r,θ，φ)，并发送给激光测距模块；

所述激光测距模块根据激光机械参数(r,θ，φ)追踪已知坐标对应的空间测点；

或激光测距模块追踪未知坐标对应的空间测点；

所述图像识别模块用以追踪激光光圈和实际测点位置图像，基于基准坐标系计算激光测距模块的调整参数(r,θ，φ)，并将该调整参数(r,θ，φ)发送给数据库和控制模块；控制模块根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光测距模块的姿态，直至光圈与实际测点重合，此时获取激光测距模块的激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块的图像识别参数(r,θ，φ)，激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别参数(r,θ，φ)各自进行闭合计算，互相校核，并分别与激光测距模块和图像识别模块的预设精度比对，从而确定测量是否满足精度要求；

所述r为极径，θ和φ为极角；

所述激光测距模块采用激光测绘仪输出激光光圈，中心点作十字标识，将光圈分为360个编码区，1个编码区对应角度1°。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的激光快速测绘系统，其特征在于：采用条形码、二维码对光圈进行编码分区。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种基于图像识别的激光快速测绘系统，其特征在于：当所述图像识别模块未识别出光圈或实际测点时，向所述控制模块发送提示信息，所述控制模块将提示信息发送给数据交互模块。

4.根据权利要求1或2任一所述的一种基于图像识别的激光快速测绘系统，其特征在于：所述基准坐标系获取模块采用陀螺经纬仪获取当前环境的基准坐标系，或者利用两个已知测点获取当前环境的基准坐标系。

5.一种基于权利要求1所述的激光快速测绘系统的测绘方法，其特征在于：包括

设备安装与调试：将激光快速测绘系统定置于待测环境中；

获取当前环境的基准坐标系及系统姿态数据；并将基准坐标系及系统姿态数据信息发送给数据库；

已知坐标空间测点追踪：输入空间测点的已知坐标，基于基准坐标系并参考系统姿态数据，自动换算成激光机械参数(r,θ，φ)，激光指向空间测点，图像识别模块控制激光光圈对焦空间测点，直至光圈重合测点，此时获取最后的激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)；

未知坐标实际测点追踪：图像获取光圈和测点，基于基准坐标系，计算出空间测点与实际测点之间的调整参数(r,θ，φ)，根据该调整参数(r,θ，φ)控制激光光圈逼近测点，直至重合，获取激光机械姿态(r,θ，φ)和图像识别模块获取图像识别参数(r,θ，φ)；当视角范围内未发现光圈盘或测点，发送提示信息。

6.根据权利要求5所述的测绘方法，其特征在于：由图像识别模块控制激光测绘仪射出光圈对焦空间测点，使光圈“十”字与空间测点重合，从而获取激光测绘仪和图像识别模块的(r,θ，φ)；

然后两激光测绘仪和图像识别模块的(r,θ，φ)进行各自的闭合计算，相互校核，并分别与激光测绘仪和图像识别模块的预设精度比对，从而确定测量是否满足精度要求；

采用较低等级精度计算时，仅采用图像识别模块获取的(r,θ，φ)进行闭合计算，完成目标要求。

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