CN111425183A - 一种地质勘探孔位定位方法及定位机器人 - Google Patents

一种地质勘探孔位定位方法及定位机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地质勘探孔位定位方法及定位机器人，摄像设备正对钻机的特征对象拍摄图像，获取摄像设备所在位置经纬度坐标以及所述摄像设备镜头的方位角；拍摄所述特征对象的图像，基于所述图像识别出钻机的特征对象成像高度；根据所述成像高度计算所述摄像设备的成像比例参数，计算镜头到所述特征对象的距离；计算得到所述特征对象的经纬度坐标作为地质勘探孔位定位结果。本发明通过拍摄钻孔方位角及钻孔与机器人相对距离求解钻孔位置坐标的算法简洁、高效，提高了地质勘探钻孔的定位效率；本发明整个孔位坐标获取过程，不影响勘探正常施工，为勘探工期提供了有力保障；本发明的地质勘探孔位定位机器人，减少了对工作人员操作经验的依赖，操作便捷。

Description

一种地质勘探孔位定位方法及定位机器人
技术领域
本发明涉及图像识别领域，尤其涉及一种地质勘探孔位定位方法及定位机器人。
背景技术
工程地质勘探是通过在工程建设特定区域采用地质钻探、物探、现场测试等手段获取地层资料，为设计方案提供地质依据的方法与过程；其中，地质钻探是工程地质勘探最常规和普及的手段，钻探孔位的准确性直接关系到地质依据的准确性，进而影响设计方案的科学性，因此必须严格按照设计孔位进行地质勘探，勘探孔位的核查成为一项关键工作。
目前，对地质钻探的孔位核查，主要依靠全站仪、RTK等设备结合人工进行判定，主要通过测量钻孔坐标，与设计孔位坐标进行人工比对，来核查孔位误差。在进行孔位核查(测量)时，勘探过程必须停止，且需提供额外的测量操作空间。这种传统的孔位核查方法，需要设备操作者及核对者具有较为专业的测量知识，核查过程较为繁琐，人工核对孔位坐标工作效率较低，耗费较多的人力和设备资源，当需要核查的钻孔数量较多、勘探工期较为紧张时，这种传统的孔位核查方法工作效率就难以满足工程建设的需要了。
因此，如何提供一种全新的地质勘探孔位定位方法，降低对操作人员的依赖，提高操作效率，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种地质勘探孔位定位方法及定位机器人，定位快速、准确，操作简单方便，且不影响地质勘探过程，对孔位进行高效核查。
为达到上述目的，本发明提供了一种地质勘探孔位定位方法，包括如下步骤：
固定摄像设备所在位置，使其能够正对钻机的特征对象拍摄图像，获取摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)以及所述摄像设备镜头的方位角θ；
拍摄所述特征对象的图像；
基于所述图像识别出钻机的特征对象；
计算所述特征对象相对于所述摄像设备的距离L；
根据所述距离L、所述摄像设备所在位置的经纬度坐标以及所述方位角θ计算所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)，所述特征对象的经纬度坐标即为所述地质勘探孔的定位坐标。
进一步的，所述计算所述特征对象相对于所述摄像设备的距离的步骤包括：
识别图像中所述特征对象的成像高度h0；
根据所述成像高度h0计算所述摄像设备的成像比例参数g；
根据成像比例参数g计算镜头到所述特征对象的距离L。
进一步的，所述特征对象位于钻机表面，包括纵向距离为h的上下两个目标，两个目标的成像高度为h0，两个目标包括至少一个特征点。
进一步的，成像比例参数g获取方法为：OA'/h0，其中OA'为所述镜头的摄像头光心与所述特征点像点之间的距离。
进一步的，计算所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)包括：
计算所述摄像设备与所述特征对象的距离L＝gh；
计算所述特征对象与所述摄像设备在纬度方向上的偏移距离LN＝Lcosθ；计算所述特征对象的纬度坐标的公式为：
Figure BDA0002390318340000021
纬度坐标的公式中，所述特征对象位于所述摄像设备北纬方向，取+，南纬方向，取-；
计算所述特征对象与所述摄像设备在经度方向上的偏移距离LE＝Lsinθ；计算所述特征对象的经度坐标的公式为：
Figure BDA0002390318340000031
其中R地为地球半径，经度坐标的公式中所述特征对象位于所述摄像设备东经方向，取+，所述特征对象位于所述摄像设备西经方向，取-。
进一步的，还包括：将得到的所述特征对象的经纬度坐标与设计孔位坐标进行对比计算，求得孔位偏差值作为定位结果的一部分。
本发明另一方面提供一种地质勘探孔位定位机器人，包括摄像模块、调节支架、识别模块、定位模块、方位角获取模块、结果计算模块；
所述摄像模块用于拍摄钻机的特征对象的图像；
所述调节支架可在三维方向上调节所述摄像模块的视角，并能够锁定所述拍摄特征对象的位置；
所述识别模块识别所述图像中的特征对象的位置，计算特征对象成像高度h0发送给所述结果计算模块；
所述方位角获取模块用于获取所述摄像设备镜头的方位角θ并发送给所述结果计算模块；
所述定位模块，定位获得摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)并发送给结果计算模块；
所述结果计算模块根据所述成像高度h0、方位角θ以及所述摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)，计算得到所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)作为地质勘探孔位定位结果。
进一步的，所述特征对象包括纵向距离为h的上下两个目标，两个目标的成像高度为h0，两个目标包括至少一个特征点；
所述结果计算模块包括比例计算单元，通过OA'/h0计算成像比例参数g，其中OA'为所述镜头的摄像头光心与所述特征点像点之间的距离。
进一步的，所述结果计算模块还包括距离计算单元、纬度计算单元以及经度计算单元；
所述距离计算单元通过L＝gh计算镜头到所述特征对象的距离L；
所述纬度计算单元计算所述特征对象与所述摄像设备在纬度方向上的偏移距离LN＝Lcosθ；计算所述特征对象的纬度坐标为：
Figure BDA0002390318340000041
纬度坐标的公式中，所述特征对象位于所述摄像设备北纬方向，取+，南纬方向，取-；
所述经度计算单元计算所述特征对象与所述摄像设备在经度方向上的偏移距离LE＝Lsinθ；计算所述特征对象的经度坐标为：
Figure BDA0002390318340000042
其中R地为地球半径，经度坐标的公式中所述特征对象位于所述摄像设备东经方向，取+，所述特征对象位于所述摄像设备西经方向，取-。
进一步的，所述结果计算模块还包括比较单元，将得到的所述特征对象的经纬度坐标与设计孔位坐标进行对比计算，求得孔位偏差值作为定位结果的一部分；如果孔位偏差值超过预设偏差则提示超差。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)镜头拍到钻机/钻孔(正对钻机/钻孔)，内置的地磁传感器测到镜头的方向，就获取了镜头方位角，获得钻机相对于镜头的方位；本发明通过内置在机器人的地磁传感器，获取钻机方位角，方便、快捷；
(2)本发明通过拍摄钻孔方位角及钻孔与机器人相对距离求解钻孔位置坐标的算法简洁、高效，提高了地质勘探钻孔的效率；
(3)本发明整个孔位坐标获取过程，不影响勘探正常施工，为勘探工期提供了有力保障；
(4)人工校核孔位的方法是：专业测量人员拿测量仪器放在钻孔处，实测钻孔位置坐标，再与设计坐标进行核对；孔位测量需要专业测量仪器和专业测量知识，测量孔位时，一般需挪开钻机，排除测量干扰；本发明提供了一种便捷的地质勘探孔位定位机器人，减少了对工作人员操作经验的依赖，操作便捷，提高了定位效率。
附图说明
图1是摄像设备成像几何关系示意图；
图2为摄像设备拍摄的照片；
图3为地质勘探孔位定位流程图；
图4为地质勘探孔位定位机器人构成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图像测距是通过数据方法，获取图像中两个物体的真实距离。单目摄像测距存在的缺陷是无法像多目一样直接利用图像完成3D建模。但通过提供参照物，可以在小范围内实现对目标物距离的判定。图1为单目摄像立体成像的示意图，在排除了镜头成像产生的变形后，根据几何关系，我们可认为图像的中间域满足如下计算公式：
Figure BDA0002390318340000051
Figure BDA0002390318340000052
其中，O为摄像头光心，ABCD为实物特征对象，A'B'C'D'位于成像平面，为拍摄实物特征对象的图像，O1为摄像头光心在成像平面的投影。在已知成像参数OO1、OA'、OB'、时，通过图像可知A'B',通过实物可知AB，计算获得比例参数g为g1或g2，由计算公式可求出拍摄物到摄像头的距离OA、OB。
如图2所示为拍摄的实际钻机图片，钻机表面设置特征对象，用于在图像中识别获得。在一个实施例中的是特征物体包括位于钻机表面上、下特征点A、B，对应的像点分别为A'、B'，识别出图像中的A'、B'，计算成像高度h0，通过像素计算出摄像头光心到两点的距离OA'或OB'，获得成像比例参数g，在特征物体和摄像头未发生位置变化的情况下，成像比例参数g保持不变。钻机距离摄像头的距离远大于高度h时，可认为OA、OB大致等于钻机与摄像头的距离。特征物体在拍摄过程中不应发生纵向形变，因此优选特征物体纵向高度便于识别，且摄像头正对特征物体拍摄。通过特征物体的位置的经纬度表征孔位的经纬度，因此特征物体水平方向应尽量靠近钻孔位置。在一个实施例中选择钻头端部作为特征物体，识别出其上下端面，上下端面实际距离为h，成像高度为h0，通过识别出端面之间的距离，在上下端面设置一个特征点，也就是仅设置一个特征点A或B即可计算出OA或OB作为钻机与摄像头的距离。
如图3所示地质勘探孔位定位方法实现的具体步骤如下：
S100.调节摄像头的成像角度，固定好机器人拍摄位置后，采用多模定位+基站辅助定位获取摄像头所在位置经纬度坐标(E0,N0)；选取特征对象，测量特征对象，得到对象真实高度h，摄像头正对钻机拍摄，优选的，正对钻机的特征对象拍摄。例如可采用GPS获取摄像头所在位置经纬度坐标(E0,N0)。
多模指的是GPS/GLONASS/BDS(北斗)，基站辅助指通过移动蜂窝通信的基站实现初步定位，实现加速。
通过地磁传感器，例如为数字指南针，获取镜头方位角θ，即镜头正对钻机，镜头与成像对象连线与正北方向夹角。
S200.拍摄所述特征对象的图像，采用标定矩阵对摄像头拍摄的图片进行处理，识别出特征对象的成像高度h0；
S300.依据摄像头参数、特征对象图片识别参数，求得成像比例参数g；计算机器人摄像头与实物的距离L(相当于成像图中OA)：
L＝gh
S400计算拍摄实物(钻机特征对象)与机器人摄像头在纬度方向上的偏移距离：
LN＝Lcosθ
依据地球参数及经纬度坐标设定规则，纬度每1°对应的距离约为110947m：
由此得到特征对象的纬度坐标为：
Figure BDA0002390318340000071
式中拍摄实物位于摄像头北纬方向，取+，拍摄实物位于摄像头南纬方向，取-；
计算特征对象与机器人摄像头在经度方向上的偏移距离：
LE＝Lsinθ
依据地球参数及经纬度坐标设定规则，已知拍摄实物纬度，计算对应的纬度半径为：
RNW＝R地cosNw
其中，R地为地球半径，单位m；
由此，算得拍摄实物处经度每1°对应的距离为：
Figure BDA0002390318340000072
计算得拍摄实物的经度坐标为：
Figure BDA0002390318340000073
式中拍摄实物位于摄像头东经方向，取+，拍摄实物位于摄像头西经方向，取-；
至此，得到拍摄钻机特征对象，即钻孔位置经纬度坐标为(Ew,Nw)，设计孔位坐标已事先输入，将得到的孔位坐标与设计孔位坐标进行对比计算，求得孔位偏差值，依据预置的标准，判断偏差是否过大，提请用户决策。
本发明另一方面提供一种地质勘探智能管理机器人执行孔位定位，包括摄像模块、调节支架、识别模块、定位模块、方位角获取模块以及结果计算模块。
所述摄像模块用于拍摄钻机的特征对象的图像；所述调节支架可在三维方向上调节所述摄像模块的视角，并能够锁定所述拍摄特征对象的位置。
所述识别模块识别所述图像中的特征对象的位置，计算特征对象成像高度h0、所述镜头的摄像头光心与所述特征点像点之间的距离并发送给所述结果计算模块。
所述方位角获取模块用于获取所述摄像设备镜头的方位角θ并发送给所述结果计算模块，可以采用地磁传感器，例如数字指南针。
所述定位模块，例如可采用GPS，定位获得摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)并发送给结果计算模块。
所述结果计算模块根据所述成像高度h0计算所述摄像设备的成像比例参数g，根据成像比例参数g计算镜头到所述特征对象的距离L；通过所述距离L、方位角θ以及所述摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)，计算得到所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)作为地质勘探孔位定位结果。所述结果计算模块包括比例计算单元、距离计算单元、纬度计算单元、经度计算单元以及比较单元；
比例计算单元通过OA'/h0计算成像比例参数g，其中OA'为所述镜头的摄像头光心与所述特征点像点之间的距离；
所述距离计算单元通过L＝gh计算镜头到所述特征对象的距离L；
所述纬度计算单元计算所述特征对象与所述摄像设备在纬度方向上的偏移距离LN＝Lcosθ；计算所述特征对象的纬度坐标为：
Figure BDA0002390318340000091
纬度坐标的公式中，所述特征对象位于所述摄像设备北纬方向，取+，南纬方向，取-；
所述经度计算单元计算所述特征对象与所述摄像设备在经度方向上的偏移距离LE＝Lsinθ；计算所述特征对象的经度坐标为：
Figure BDA0002390318340000092
其中R地为地球半径，经度坐标的公式中所述特征对象位于所述摄像设备东经方向，取+，所述特征对象位于所述摄像设备西经方向，取-；
所述结果计算模块还包括比较单元，将得到的所述特征对象的经纬度坐标与设计孔位坐标进行对比计算，求得孔位偏差值作为定位结果的一部分。
可以设置显示模块显示定位结果；也可以发送定位结果通过其他设备读取。
钻机特征对象应在图像中心位置，通过图像识别确定镜头是否已正对钻机；镜头方向确定后，内置数字指南针测量镜头方位角。。勘探开始后，设备启动监控拍摄，通过用户操作或自动触发内置的孔位坐标算法，计算得到钻孔位置实时坐标，将计算结果反馈给设备，显示在图片视频流及勘探管理平台界面上。通过用户操作或自动触发孔位核查功能，将计算得到的孔位实时坐标与设计孔位坐标进行比对计算，给出孔位偏差值，通过勘探管理平台、智能管理APP提示用户孔位偏差是否过大。
综上所述，本发明提供的地质勘探孔位定位机器人通过内置定位模块先获取自身位置坐标，通过内置的确定拍摄钻孔的方位角，通过单目摄像头成像几何关系及图像识别计算拍摄钻孔到机器人的相对距离，再依据方位角和相对距离计算钻孔的位置坐标，再将计算得到的孔位坐标与设计孔位坐标进行比对计算，求孔位偏差距离，给出孔位偏差值，依据预置的偏差标准，提示用户孔位是否偏差过大。
本发明提供的地质勘探孔位定位机器人及定位方法，应用场景广，操作简单、方便，可高效获取钻孔位置坐标，并与设计孔位坐标进行比对、核查，具有广阔的推广应用前景和良好的社会经济效益。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种地质勘探孔位定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
固定摄像设备所在位置，使其能够正对钻机的特征对象拍摄图像，获取摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)以及所述摄像设备镜头的方位角θ；
拍摄所述特征对象的图像；
基于所述图像识别出钻机的特征对象；
计算所述特征对象相对于所述摄像设备的距离L；
根据所述距离L、所述摄像设备所在位置的经纬度坐标以及所述方位角θ计算所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)，所述特征对象的经纬度坐标即为所述地质勘探孔的定位坐标。
2.根据权利要求1所述的一种地质勘探孔位定位方法，其特征在于，所述计算所述特征对象相对于所述摄像设备的距离的步骤包括：
识别图像中所述特征对象的成像高度h0；
根据所述成像高度h0计算所述摄像设备的成像比例参数g；
根据成像比例参数g计算镜头到所述特征对象的距离L。
3.根据权利要求2所述的一种地质勘探孔位定位方法，其特征在于，所述特征对象位于钻机表面，包括纵向距离为h的上下两个目标，对应目标的成像高度为h0，两个目标包括至少一个特征点。
4.根据权利要求3获所述的一种地质勘探孔位定位方法，其特征在于，成像比例参数g获取方法为：OA'/h0，其中OA'为所述镜头的摄像头光心与所述特征点像点之间的距离。
5.根据权利要求4所述的一种地质勘探孔位定位方法，其特征在于，计算所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)包括：
计算所述摄像设备与所述特征对象的距离L＝gh；
计算所述特征对象与所述摄像设备在纬度方向上的偏移距离LN＝Lcosθ；计算所述特征对象的纬度坐标的公式为：
Figure FDA0002390318330000021
纬度坐标的公式中，所述特征对象位于所述摄像设备北纬方向，取+，南纬方向，取-；
计算所述特征对象与所述摄像设备在经度方向上的偏移距离LE＝Lsinθ；计算所述特征对象的经度坐标的公式为：
Figure FDA0002390318330000022
其中R地为地球半径，经度坐标的公式中所述特征对象位于所述摄像设备东经方向，取+，所述特征对象位于所述摄像设备西经方向，取- 。
6.根据权利要求1或2所述的一种地质勘探孔位定位方法，其特征在于，还包括：将得到的所述特征对象的经纬度坐标与设计孔位坐标进行对比计算，求得孔位偏差值作为定位结果的一部分。
7.一种地质勘探孔位定位机器人，其特征在于，包括摄像模块、调节支架、识别模块、定位模块、方位角获取模块、结果计算模块；
所述摄像模块用于拍摄钻机的特征对象的图像；
所述调节支架可在三维方向上调节所述摄像模块的视角，并能够锁定所述特征对象的位置；
所述识别模块识别所述图像中的特征对象的位置，计算特征对象成像高度h0发送给所述结果计算模块；
所述方位角获取模块用于获取所述摄像设备镜头的方位角θ并发送给所述结果计算模块；
所述定位模块，定位获得摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)并发送给结果计算模块；
所述结果计算模块根据所述成像高度h0、方位角θ以及所述摄像设备所在位置经纬度坐标(E0,N0)，计算得到所述特征对象的经纬度坐标(Ew,Nw)作为地质勘探孔位定位结果。
8.根据权利要求7所述的地质勘探孔位定位机器人，其特征在于，所述特征对象包括纵向距离为h的上下两个目标，两个目标的成像高度为h0，两个目标包括至少一个特征点；
所述结果计算模块包括比例计算单元，通过OA'/h0计算成像比例参数g，其中OA'为所述镜头的摄像头光心与所述特征点像点之间的距离。
9.根据权利要求8所述的地质勘探孔位定位机器人，其特征在于，所述结果计算模块还包括距离计算单元、纬度计算单元以及经度计算单元；
所述距离计算单元通过L＝gh计算镜头到所述特征对象的距离L；
所述纬度计算单元计算所述特征对象与所述摄像设备在纬度方向上的偏移距离LN＝Lcosθ；计算所述特征对象的纬度坐标为：
Figure FDA0002390318330000031
纬度坐标的公式中，所述特征对象位于所述摄像设备北纬方向，取+，南纬方向，取-；
所述经度计算单元计算所述特征对象与所述摄像设备在经度方向上的偏移距离LE＝Lsinθ；计算所述特征对象的经度坐标为：
Figure FDA0002390318330000032
其中R地为地球半径，经度坐标的公式中所述特征对象位于所述摄像设备东经方向，取+，所述特征对象位于所述摄像设备西经方向，取-。
10.根据权利要求8所述的地质勘探孔位定位机器人，其特征在于，所述结果计算模块还包括比较单元，将得到的所述特征对象的经纬度坐标与设计孔位坐标进行对比计算，求得孔位偏差值作为定位结果的一部分；
如果孔位偏差值超过预设偏差则提示超差。
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