CN110246217A - 基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，具体涉及煤矿立井巡检技术领域。该基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统包括摄像平台、浮筒平台和垂线；摄像平台采用锂电池供电，不用单独架设电源线；垂线底端固定于井底，顶端通过浮筒平台悬浮；在井筒筒壁处选定若干个采集点，采集点与垂线上的基准点之间的X、Y、Z三个方向的距离采用标尺标定；摄像平台安装于井筒的罐笼上，随罐笼一起运动，在运动过程中，摄像平台内的双目相机依次对这些采集点的三维坐标进行采集，与历史数据对比后，进而推算井筒X、Y、Z三个方向的移动与变形。

Description

基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统

技术领域

本发明涉及煤矿立井巡检技术领域，具体涉及一种基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统。

背景技术

立井井筒是煤矿生产的关键部位，关系着矿井的安全和生产。立井井筒在各种内外力的作用下会产生变形，当井筒变形达到临界值时，井筒就会发生破裂甚至破断。从井壁出现细小裂隙到发生破裂事故，是一个渐进演化过程，而井壁的位移是这个过程中最直观的显现，通过对井壁的水平及竖向位移的监测，可以及时了解到井壁的变形情况，防止进一步的破坏，这对煤矿的安全生产有着非常重要的作用。

近年来，对井壁变形位移的监测由最初的人工测量，发展到集采集、监测、传输和管理于一体的自动化测量，由接触式测量发展为非接触式测量。传统测量方法主要是将压敏型元件(如压力传感器、光纤传感器等)预埋入井筒外壁附近，通过压敏元件对应力的敏感性来获取监测位置在一定时期内的应力变化曲线，结合力学分析的方法获取井筒的变形量。这种方法存在预埋阶段器件存活率低、器件发生相对移动后数据获取不精确、安装维护复杂、成本高等问题。目前，测量井筒倾斜变形的方法有：悬绳测量法、加速度传感器测倾角法、激光指向仪测位移等方法，其中悬绳测量法原理简单，初始安装精度要求低，是成本低又直接测量的方法，从而得到广泛采用。

悬绳测量法的原理是将测绳的一端固定在立井井筒的边缘上，另一端系上重锤垂下井筒。垂线由于受到重力作用，理想情况下是固定不动的。当井壁发生位移时，垂线到井壁采集点的相对位置会发生变化。通过传感器采集垂线到采集点的距离变化，即可进一步推算出井壁的形变情况。但悬绳测量法在实际使用中，重锤易摆动，进而会影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种基于立体视觉三维重建原理的立井井筒变形智能巡检系统，该系统采用“倒垂线法”解决垂线摆动的问题。

本发明具体采用如下技术方案：

基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，包括摄像平台、浮筒平台和垂线，垂线的底端固定于井底，顶端通过浮筒平台悬浮，在井筒筒壁处选定若干个采集点，采集点与垂线上的基准点之间的X、Y、Z三个方向的距离采用标尺标定，摄像平台安装于井筒的罐笼上，随罐笼一起运动，在运动过程中，摄像平台内的双目相机依次对采集点的三维坐标进行采集，与历史数据对比后，进而推算井筒X、Y、Z三个方向的移动与变形。

优选地，所述浮筒平台还包括圆柱形的油箱，油箱固定于井筒筒壁处，油箱内灌满机油，机油上悬浮一浮子，垂线的顶端通过浮子悬浮固定。

优选地，所述油箱的中心轴线处设置圆柱筒，圆柱筒的底部开口，垂线穿过圆柱筒连接浮子，垂线的底端固定在井筒底部，构成倒垂线。

优选地，机油填满圆柱筒的外壁与油箱内壁之间的区域。

优选地，所述摄像平台内置两个成一定角度的摄像机，组成双目相机，同时配备闪光灯、电池、无线通信设备。

优选地，所述摄像平台安装于井筒的罐笼上，随罐笼一起移动，在运动过程中，摄像平台中的双目相机以垂线上的基准点为基准，对井壁处的采集点进行图像采集，经过立体视觉三维重建算法，计算出采集点的三维坐标。

优选地，具体巡检原理为：

数据采集：摄像平台采集到的图像经无线通信设备传至接收机，接收机进一步将图像信息传输至地面系统进行图像处理，生成采集点的三维坐标，与历史数据对比可以得到采集点附近的井壁变形情况；

建立数据库：将摄像平台采集的三维坐标数据存入数据库中，经过处理后得到单个采集点附近的井壁变形情况，进而拟合出整个立井井筒的整体变形情况，并生成一段时期内的井壁变形情况，以供分析决策；

建立物理模型：结合信号处理算法，对未来一段时期内立井井筒的变化进行预测。

本发明具有如下有益效果：

该系统通过安装于罐笼上的摄像平台随罐笼一起移动，随着罐笼的提升下降运动自动进行图像采集，从而进一步计算出三维坐标，推算出井筒的移动与变形，智能化程度高，可以很好的为矿山安全生产提供技术和决策支持。

附图说明

图1位巡检系统组成示意图；

图2为摄像平台俯视示意图；

图3为浮筒平台示意图；

图4为立井井筒整体三维拟合示意图；

其中，1为摄像平台，2为浮筒平台，3为垂线，4为垂线固定点，5为井筒，6为罐笼，7为基准点，8为采集点，9为第一摄相机，10为第二摄相机，11为浮子，12为油箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1巡检系统组成示意图所示，基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，包括摄像平台1、浮筒平台2和垂线3。

摄像平台由双目相机、闪光灯、锂电池、无线通信设备等组成，摄像平台采用锂电池供电，不用单独架设电源线，采集到的图像经无线通信设备传输至地面接收机供进一步处理。垂线底端固定于井底，井筒的底部对应设置垂线固定点4，顶端通过浮筒平台2悬浮以保持垂直指向地心。

摄像平台1安装于井筒5的罐笼6上，随罐笼一起移动。随着罐笼6的上下运动，摄像平台中的第一摄像机9和第二摄像机10组成双目摄像机，双目相机以垂线基准点为基准，对井壁处的采集点8进行图像采集，经过立体视觉三维重建算法，计算出采集点的三维坐标。

井筒内设置若干对采集点与基准点，摄像平台在随罐笼运动过程中依次对这些采集点的三维坐标进行采集，进而推算井筒X、Y、Z三个方向的移动与变形。

如图2摄像平台俯视示意图所示，摄像平台内置两个成一定角度的摄像机，组成双目相机，同时配备闪光灯、电池、无线通信设备等辅助设备。第一摄像机9与第二摄像机同时以以垂线上的基准点7为基准，对井壁采集点8进行拍照，采集到的两张图片经过立体视觉三维重建算法计算后，就可以获取到对应井壁采集点的三维坐标。

如图3浮筒平台示意图所示，浮筒平台2包括圆柱形的油箱12以及浮子11。油箱12固定于井筒5筒壁处，油箱12内灌满机油作为悬浮液。机油上悬浮一浮子，浮子呈倒U形。油箱的中心轴线处设置圆柱筒，圆柱筒的底部开口，垂线穿过圆柱筒连接浮子。机油填满圆柱筒的外壁与油箱内壁之间的区域。垂线与浮筒平台用于实现“倒垂线法”测量。

“倒锤线法”具体为将绳子下端固定，使上端浮动的一种方法，该方法能有效的克服重锤摆动的问题。浮子受到浮力作用，产生向上运动的力，由于垂线下方固定在井筒底部，在浮子的牵引下可以使垂线保持竖直状态。同时油箱内使用机油作为悬浮液，加大摆动阻尼，这样悬绳会受到油箱内油的黏质阻力，减小摆动幅度，提高系统精度。

图4为立井井筒整体三维拟合示意图。基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统摄像平台工作过程包括以下几部分：

数据采集：摄像平台采集到的图像经无线通信设备传至接收机，接收机进一步将图像信息传输至地面系统进行图像处理，生成井壁采集点的三维坐标，与历史数据对比可以得到该采集点附近的井壁变形情况；

建立数据库：将摄像平台采集的三维坐标数据存入数据库中，经过处理后得到单个采集点附近的井壁变形情况，进而拟合出整个立井井筒的整体变形情况，如图4所示，并生成一段时期内的井壁变形情况，以供分析决策；

建立物理模型：结合信号处理算法，对未来一段时期内立井井筒的变化进行预测。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，包括摄像平台、浮筒平台和垂线，垂线的底端固定于井底，顶端通过浮筒平台悬浮，在井筒筒壁处选定若干个采集点，采集点与垂线上的基准点之间的X、Y、Z三个方向的距离采用标尺标定，摄像平台安装于井筒的罐笼上，随罐笼一起运动，在运动过程中，摄像平台内的双目相机依次对采集点的三维坐标进行采集，与历史数据对比后，进而推算井筒X、Y、Z三个方向的移动与变形。

2.如权利要求1所述的基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，所述浮筒平台还包括圆柱形的油箱，油箱固定于井筒筒壁处，油箱内灌满机油，机油上悬浮一浮子，垂线的顶端通过浮子悬浮固定。

3.如权利要求2所述的基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，所述油箱的中心轴线处设置圆柱筒，圆柱筒的底部开口，垂线穿过圆柱筒连接浮子，垂线的底端固定在井筒底部，构成倒垂线。

4.如权利要求3所述的基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，机油填满圆柱筒的外壁与油箱内壁之间的区域。

5.如权利要求1所述的基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，所述摄像平台内置两个成一定角度的摄像机，组成双目相机，同时配备闪光灯、电池、无线通信设备。

6.如权利要求5所述的基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，所述摄像平台安装于井筒的罐笼上，随罐笼一起移动，在运动过程中，摄像平台中的双目相机以垂线上的基准点为基准，对井壁处的采集点进行图像采集，经过立体视觉三维重建算法，计算出采集点的三维坐标。

7.如权利要求1所述的基于立体视觉的立井井筒变形智能巡检系统，其特征在于，具体巡检原理为：

数据采集：摄像平台采集到的图像经无线通信设备传至接收机，接收机进一步将图像信息传输至地面系统进行图像处理，生成采集点的三维坐标，与历史数据对比可以得到采集点附近的井壁变形情况；

建立数据库：将摄像平台采集的三维坐标数据存入数据库中，经过处理后得到单个采集点附近的井壁变形情况，进而拟合出整个立井井筒的整体变形情况，并生成一段时期内的井壁变形情况，以供分析决策；

建立物理模型：结合信号处理算法，对未来一段时期内立井井筒的变化进行预测。