CN111928909A - 一种矿用煤流量激光三角测量装置及测量方法 - Google Patents

一种矿用煤流量激光三角测量装置及测量方法 Download PDF

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CN111928909A CN202010959751.1A CN202010959751A CN111928909A CN 111928909 A CN111928909 A CN 111928909A CN 202010959751 A CN202010959751 A CN 202010959751A CN 111928909 A CN111928909 A CN 111928909A
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Abstract

一种矿用煤流参数监测装置及测量方法，适用于煤矿井下使用。包括防爆箱体、检测装置、控制模块和电源模块，其中检测装置由CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构组成，检测装置、控制模块和电源模块都设置在防爆箱体内部，防爆箱体底部开有窗口且窗口上设有视窗玻璃；控制模块通过线路与上位机PC通讯，根据实际情况实时调控CCD相机与激光器的距离、激光器的角度，实现参数的自主调节，使测得的煤流量测量精度更高。其结构简单、使用方便、安全可靠、便于调节，不仅减少了劳动力，而且大大提高了数据分析的精确性与可靠性。

Description

一种矿用煤流量激光三角测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量装置及测量方法，尤其适用于一种煤矿井下使用的矿用煤流量激光三角测量装置及测量方法。
背景技术
目前，皮带机、刮板机等连续运输设备在煤炭生产过程中起着至关重要的作用，因其具有运量大、运距远、能耗小、运费低、效率高等优点，不仅提高了生产效率，而且降低了劳动成本。煤流量是煤炭运输过程中皮带机或刮板机上煤堆体积的表征之一，如果煤流量过大，则会造成运输设备的磨损，导致运输设备寿命缩短，严重时甚至会威胁矿井下工作人员的生命安全；而煤流量过小则会降低煤炭的运输和生产效率。
激光三角法被广泛的应用于工业中各领域，在煤流量监测领域也具有广阔的应用前景。采用基于视觉的激光三角法替代电子皮带秤、核子皮带秤等测量方法，具有非接触性、安全性高、可靠性高、适应性强等优点。在利用激光三角法监测煤流参数时，CCD相机与激光器之间距离d、激光器投射角度β等参数对于煤流量的准确测量具有非常重要的影响。然而，当前在利用激光三角法测量的实际操作中，是通过手动调节d、β等参数来达到目的，这极大的阻碍了煤流量监测装置的适用范围和测量效率。因此，为了提高煤流量监测的高效性和实时性，迫切需要提出一种参数自动调节、适用范围更广的矿用煤流量激光三角测量装置。
发明内容
本发明针对上述技术的现有不足之处，提供了一种结构简单、使用方便、安全可靠能够根据结构光法获取皮带机或刮板机上煤堆的三维形貌特征，判断其煤流量，以此作为调节皮带机或刮板机速度的依据。并且能够自主调节自变量参数为最佳数值，使获得的实时煤流量更加精准的矿用煤流量激光三角测量装置及测量方法。
为实现上述技术目的，本发明的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：它包括防爆箱体、检测装置、控制模块和电源模块，其中检测装置设置在防爆箱体内部；
所述防爆箱体包括防爆箱壳和相互匹配的防爆箱盖，防爆箱壳底部开有窗口，窗口上设有视窗玻璃，视窗玻璃通过压板与防爆箱壳固定，防爆箱盖上设有多个与液压支架横梁连接用的吊钩；
所述检测装置包括型材骨架，型材骨架同一侧上顺序设有驱动装置、CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构，其中驱动装置包括通过电机座a固定在型材骨架一侧的步进电机，CCD相机直线移动机构包括通过弹性联轴器与步进电机a驱动连接的丝杠支座，丝杠支座(6)设置在直线导轨上，丝杠支座之间设有滚珠丝杠，滚珠丝杠上滑动设有导轨滑块，导轨滑块上设有CCD相机，CCD相机上设有可更换镜头；激光器角度旋转机构包括电机座b，电机座b上设有步进电机b，步进电机b的驱动轴垂直向下，驱动轴上设有蜗杆，蜗杆一侧设有与蜗杆匹配的涡轮，涡轮上通过角接触球轴承设置有激光器，CCD相机(8)和激光器均能够通过窗口与防爆箱外接沟通。
所述控制模块包括激光器驱动器、步进电机驱动器和主控制器，主控制器分别与激光器驱动器、步进电机驱动器连接，激光器驱动器与激光器连接，步进电机驱动器分别与步进电机a和步进电机b连接；
主控制器和CCD相机还通过线路与上位机PC连接交换存储数据，电源模块与检测装置和控制模块连接并供电。
型材骨架为铝合金型材，其型号为001 08 40 80L。
驱动装置、CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构通过M6内六角头螺栓与型材骨架连接。
所述涡轮中心位置开有一圆孔，可与角接触球轴承外圈形成过盈连接；电机座b上固定有一竖直放置的阶梯轴，其可与角接触球轴承内圈形成过盈连接；角接触球轴承能够承受较大轴向力，且摩擦阻力小，使得涡轮能够绕阶梯轴旋转。
所述的蜗杆通过楔键和紧定螺钉与步进电机轴连接。通过蜗杆与涡轮间精密且较大的传动比，可以将步进电机b角度精准的旋转运动传递给固连在涡轮上的激光器，使得激光器绕角接触球轴承中心位置旋转预设区间的角度。
所述的CCD相机为大恒水星系列MER-230-168U3M/C面阵相机，镜头的型号为V1214-MP，激光器的型号为SL-660-130-S-C-45-24V。
防爆箱体内设有多个腔室，每个腔室设置不同的电子元件，腔室以及防爆箱体外部设有防爆喇叭口，所有线缆均通过防爆喇叭口接入，并且使用胶封进行固定与密封。
一种矿用煤流量激光三角测量装置的测量方法，其步骤如下：
在煤矿井下综采工作面处刮板运输机上方，利用吊钩将设置在防爆箱中的检测装置安装在液压支架横梁上，使检测装置的长度方向与刮板运输机的运行方向保持一致，以保证CCD相机连接的导轨滑块在丝杠支座上滑动的视野范围与激光器在预设转动范围内投射的线性激光均能穿透视窗玻璃不会被阻挡；
当刮板运输机运输煤堆经过测量装置的和激光器正下方时，激光器投射的线性激光打在煤堆不平整的表面上，形成多段相互断开的激光线，光线经反射后在CCD相机中成像；
CCD相机将成像数据通过主控制器发送到上位机PC中比对，若发现拍摄图像不符合预设要求，则会将位置调整信息发布给主控制器，主控制器分析来自上位机PC的调控命令后，通过步进电机驱动器分别调控CCD相机的导轨滑块直线移动机构中的步进电机a与激光器角度旋转机构中的步进电机b改变角度；重复本段内容，直至上位机PC判断成像数据符合预设要求，之后保持CCD相机和激光器的位置对刮板运输机上运输的煤堆进行测量。
CCD相机成像方法为：
将面阵CCD相机置于被测物体的正上方，激光器射出的光线与相机镜头光轴之间夹角为β，反射光线通过透镜聚焦作用打在面阵CCD相机的面阵CCD上△BOC∽△O1OC1，根据三角形相似原理，有
Figure BDA0002680060260000031
关系成立，其中A为在载物平面的投射点，B为CCD相机采集的被测物体影像的最高点，C为激光器投射被测物体影像的最高点，O为透镜的聚焦中心点，O1为CCD相机光轴与CCD面阵的交点，C1为激光器投射被测物体影像最高点在CCD面阵上对应的成像点，则
Figure BDA0002680060260000032
BO＝AO-AB＝(H-h),O1C1＝h'，O1O＝ν，则式Ⅰ可以改写为
Figure BDA0002680060260000033
在△ABC中，
Figure BDA0002680060260000034
则
Figure BDA0002680060260000035
根据斜射式测量法，被测目标高度可由下式计算
Figure BDA0002680060260000036
其中：h——被测物体实际厚度，单位：mm，
Η——镜头中心与载物平面之间垂直距离，单位：mm，
v——CCD相机成像中心与镜头之间距离，单位：mm，
β——激光投射线与CCD相机镜头中心法线的夹角，单位：°，
h′——CCD相机成像平面上激光点相对于没有被测物体的基准图像偏移距离，单位：mm。
有益效果：
本发明的装置能够根据实际情况自动调节参数，上位机PC根据皮带机上实时煤流情况，自动调节CCD相机与激光器的距离、激光器的角度，即参数d与β，使得所测像素值与物理值之比最小，大大提高了数据分析的精确性与可靠性。装置外部设有防爆壳具有防爆功能，设计有满足煤矿井下电气设备安全使用要求的防爆外壳。本发明能够轻松安装在皮带机或刮板机上方，实现皮带机或刮板机上煤流参数实时监测的目的，从而提高了煤炭生产的效率、降低了煤炭生产的劳动成本。设计科学、便于调节，不仅减少了劳动力，而且提高了检测效率。
附图说明
图1为激光三角法原理示意图；
图2为本发明矿用煤流量激光三角测量装置的检测装置的结构示意图；
图3为本发明的矿用煤流量激光三角测量装置结构示意图；
图4为本发明的矿用煤流量激光三角测量装置平面示意图；
图5为本发明矿用煤流量激光三角测量装置的控制模块电路框图；
图6为本发明矿用煤流量激光三角测量装置的工作流程示意图。
图中：1-镜头、2-步进电机、3-型材骨架、4-电机座、5-弹性联轴器、6-丝杠支座、7-导轨滑块、8-CCD相机、9-直线导轨、10-滚珠丝杠、11-电机座、12-步进电机、13-蜗杆、14涡轮、15-角接触球轴承、16-激光器、17-刮板运输机、18-煤堆、19-压板、20-视窗玻璃、21-防爆箱壳、22-防爆箱盖、23-吊钩、24-液压支架横梁、25-激光器驱动器、26-步进电机驱动器、27-主控制器、28-电源模块。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的阐述：
如图1所示，本发明的矿用煤流量激光三角测量装置采用斜射式激光三角法，斜射式激光三角法的布局，能够使CCD相机几乎可以接收全部反射光和散射光，系统的信噪比高、灵敏度高、测量精度高，且对激光器的功率要求不大。其基本原理为：将面阵CCD相机置于被测物体的正上方，激光器射出的光线与相机镜头光轴之间夹角为β，反射光线通过透镜聚焦作用打在面阵CCD相机上。由图1可知，△BOC∽△O1OC1，根据三角形相似原理，有
Figure BDA0002680060260000041
关系成立，其中A为在载物平面的投射点，B为CCD相机8采集的被测物体影像的最高点，C为激光器16投射被测物体影像的最高点，O为透镜的聚焦中心点，O1为CCD相机8光轴与CCD面阵的交点，C1为激光器16投射被测物体影像最高点在CCD面阵上对应的成像点，则
Figure BDA0002680060260000051
BO＝AO-AB＝(H-h),O1C1＝h'，O1O＝ν，则式Ⅰ可以改写为
Figure BDA0002680060260000052
在△ABC中，
Figure BDA0002680060260000053
则
Figure BDA0002680060260000054
根据斜射式测量法，被测目标高度可由下式计算
Figure BDA0002680060260000055
其中：h——被测物体实际厚度(mm)
Η——镜头中心与载物平面之间垂直距离(mm)
v——CCD相机成像中心与镜头之间距离(mm)
β——激光投射线与CCD相机镜头中心法线的夹角(°)
h′——CCD相机成像平面上激光点相对于没有被测物体的基准图像偏移距离(mm)
如图2所示，本发明的矿用煤流量激光三角测量装置，包括防爆箱体、检测装置、控制模块和电源模块28，其中检测装置设置在防爆箱体内部；
如图3所示，所述防爆箱体包括防爆箱壳21和相互匹配的防爆箱盖22，防爆箱壳21底部开有窗口，窗口上设有视窗玻璃20，视窗玻璃20通过压板19与防爆箱壳21固定，防爆箱盖22上设有多个与液压支架横梁24连接用的吊钩23；如图4所示，防爆箱体内设有多个腔室，每个腔室设置不同的电子元件，腔室以及防爆箱体外部设有防爆喇叭口，所有线缆均通过防爆喇叭口接入，并且使用胶封进行固定与密封。
所述检测装置包括型材骨架3，型材骨架3同一侧上顺序设有驱动装置、CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构，其中驱动装置包括通过电机座a4固定在型材骨架3一侧的步进电机2，CCD相机直线移动机构包括通过弹性联轴器5与步进电机a2驱动连接的丝杠支座6，丝杠支座6设置在直线导轨9上，丝杠支座6之间设有滚珠丝杠10，滚珠丝杠10上滑动设有导轨滑块7，导轨滑块7上设有CCD相机8，CCD相机8上设有可更换镜头1；激光器角度旋转机构包括电机座b11，电机座b11上设有步进电机b12，步进电机b12的驱动轴垂直向下，驱动轴上设有蜗杆13，蜗杆13一侧设有与蜗杆13匹配的涡轮14，涡轮14上通过角接触球轴承15设置有激光器16，CCD相机8和激光器16均能够通过窗口与防爆箱外接沟通。蜗杆13通过楔键和紧定螺钉与步进电机12轴连接。通过蜗杆13与涡轮14间精密且较大的传动比，可以将步进电机b12角度精准的旋转运动传递给固连在涡轮14上的激光器16，使得激光器16绕角接触球轴承15中心位置旋转预设区间的角度。涡轮14中心位置开有一圆孔，可与角接触球轴承15外圈形成过盈连接；电机座b11上固定有一竖直放置的阶梯轴，其可与角接触球轴承15内圈形成过盈连接；角接触球轴承15能够承受较大轴向力，且摩擦阻力小，使得涡轮14能够绕阶梯轴旋转。
如图5所示，控制模块包括激光器驱动器25、步进电机驱动器26和主控制器27，主控制器27分别与激光器驱动器25、步进电机驱动器26连接，激光器驱动器25与激光器16连接，步进电机驱动器26分别与步进电机a2和步进电机b12连接；
主控制器27和CCD相机8还通过线路与上位机PC连接交换存储数据，电源模块28与检测装置和控制模块连接并供电。
型材骨架3为铝合金型材，其型号为001 08 40 80L。驱动装置、CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构通过M6内六角头螺栓与型材骨架3连接。所述的CCD相机8为大恒水星系列MER-230-168U3M/C面阵相机，镜头1的型号为V1214-MP，激光器16的型号为SL-660-130-S-C-45-24V。
如图4所示，防爆箱体内设有多个腔室，每个腔室设置不同的电子元件，腔室以及防爆箱体外部设有防爆喇叭口，所有线缆均通过防爆喇叭口接入，并且使用胶封进行固定与密封。
如图6所示，一种矿用煤流量激光三角测量装置的测量方法，其步骤如下：
在煤矿井下综采工作面处刮板运输机17上方，利用吊钩23将设置在防爆箱中的检测装置安装在液压支架横梁24上，使检测装置的长度方向与刮板运输机17的运行方向保持一致，以保证CCD相机8连接的导轨滑块7在丝杠支座6上滑动的视野范围与激光器16在预设转动范围内投射的线性激光均能穿透视窗玻璃20不会被阻挡；
当刮板运输机17运输煤堆18经过测量装置的和激光器16正下方时，激光器16投射的线性激光打在煤堆18不平整的表面上，形成多段相互断开的激光线，光线经反射后在CCD相机8中成像；
CCD相机8将成像数据通过主控制器27发送到上位机PC中比对，若发现拍摄图像不符合预设要求，则会将位置调整信息发布给主控制器27，主控制器27分析来自上位机PC的调控命令后，通过步进电机驱动器26分别调控CCD相机8的导轨滑块直线移动机构中的步进电机a2与激光器角度旋转机构中的步进电机b12改变角度；重复本段内容，直至上位机PC判断成像数据符合预设要求，之后保持CCD相机8和激光器16的位置对刮板运输机17上运输的煤堆18进行测量。
实施例一、
一种矿用煤流量激光三角测量装置工作流程如下：开始运行后，首先固定CCD相机与激光器的位置，激光器驱动器控制激光器投出线性激光；CCD相机进行标定，标定完成后开始采集位于镜头视野中的图像，采集后的图像通过数据线传输给上位机PC；上位机对传输来的图像进行分析处理，获取被测物的高度像素值，并通过图示公式求出K值，将K值与在流程进行之前预先设定好的阈值T进行对比；若K＜T，上位机则对获取到的图像进行进一步分析与处理，求取被测物截面积S、估算被测物体积V，运行完成后结束流程；若K＜T不成立，说明CCD相机获取到的图像效果不佳，即CCD相机与激光器之间距离d、激光器的投射角度β这两个自变量参数数值不佳，在此种情况下分析获取被测物截面积S与体积V的误差较大，因此上位机发布控制命令给主控制器，主控制器进一步的控制步进电机驱动器发出脉冲信号，使步进电机精准步进到合适位置，并固定CCD相机与激光器的位置，重复进行上述流程，直至流程结束。

Claims (9)

1.一种矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：它包括防爆箱体、检测装置、控制模块和电源模块(28)，其中检测装置设置在防爆箱体内部；
所述防爆箱体包括防爆箱壳(21)和相互匹配的防爆箱盖(22)，防爆箱壳(21)底部开有窗口，窗口上设有视窗玻璃(20)，视窗玻璃(20)通过压板(19)与防爆箱壳(21)固定，防爆箱盖(22)上设有多个与液压支架横梁(24)连接用的吊钩(23)；
所述检测装置包括型材骨架(3)，型材骨架(3)同一侧上顺序设有驱动装置、CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构，其中驱动装置包括通过电机座a(4)固定在型材骨架(3)一侧的步进电机(2)，CCD相机直线移动机构包括通过弹性联轴器(5)与步进电机a(2)驱动连接的丝杠支座(6)，丝杠支座(6)设置在直线导轨(9)上，丝杠支座(6)之间设有滚珠丝杠(10)，滚珠丝杠(10)上滑动设有导轨滑块(7)，导轨滑块(7)上设有CCD相机(8)，CCD相机(8)上设有可更换镜头(1)；激光器角度旋转机构包括电机座b(11)，电机座b(11)上设有步进电机b(12)，步进电机b(12)的驱动轴垂直向下，驱动轴上设有蜗杆(13)，蜗杆(13)一侧设有与蜗杆(13)匹配的涡轮(14)，涡轮(14)上通过角接触球轴承(15)设置有激光器(16)，CCD相机(8)和激光器(16)均能够通过窗口与防爆箱外接沟通。
所述控制模块包括激光器驱动器(25)、步进电机驱动器(26)和主控制器(27)，主控制器(27)分别与激光器驱动器(25)、步进电机驱动器(26)连接，激光器驱动器(25)与激光器(16)连接，步进电机驱动器(26)分别与步进电机a(2)和步进电机b(12)连接；主控制器(27)和CCD相机(8)还通过线路与上位机PC连接交换存储数据，电源模块(28)与检测装置和控制模块连接并供电。
2.根据权利要求1所述的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：型材骨架(3)为铝合金型材，其型号为001 08 40 80L。
3.根据权利要求1所述的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：驱动装置、CCD相机直线移动机构和激光器角度旋转机构通过M6内六角头螺栓与型材骨架(3)连接。
4.根据权利要求1所述的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：所述涡轮(14)中心位置开有一圆孔，可与角接触球轴承(15)外圈形成过盈连接；电机座b(11)上固定有一竖直放置的阶梯轴，其可与角接触球轴承(15)内圈形成过盈连接；角接触球轴承(15)能够承受较大轴向力，且摩擦阻力小，使得涡轮(14)能够绕阶梯轴旋转。
5.根据权利要求1所述的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：所述的蜗杆(13)通过楔键和紧定螺钉与步进电机(12)轴连接。通过蜗杆(13)与涡轮(14)间精密且较大的传动比，可以将步进电机b(12)角度精准的旋转运动传递给固连在涡轮(14)上的激光器(16)，使得激光器(16)绕角接触球轴承(15)中心位置旋转预设区间的角度。
6.根据权利要求1所述的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：所述的CCD相机(8)为大恒水星系列MER-230-168U3M/C面阵相机，镜头(1)的型号为V1214-MP，激光器(16)的型号为SL-660-130-S-C-45-24V。
7.根据权利要求1所述的矿用煤流量激光三角测量装置，其特征在于：防爆箱体内设有多个腔室，每个腔室设置不同的电子元件，腔室以及防爆箱体外部设有防爆喇叭口，所有线缆均通过防爆喇叭口接入，并且使用胶封进行固定与密封。
8.一种使用权利要求1所述矿用煤流量激光三角测量装置的测量方法，其特征在于步骤如下：
在煤矿井下综采工作面处刮板运输机(17)上方，利用吊钩(23)将设置在防爆箱中的检测装置安装在液压支架横梁(24)上，使检测装置的长度方向与刮板运输机(17)的运行方向保持一致，以保证CCD相机(8)连接的导轨滑块(7)在丝杠支座(6)上滑动的视野范围与激光器(16)在预设转动范围内投射的线性激光均能穿透视窗玻璃(20)不会被阻挡；
当刮板运输机(17)运输煤堆(18)经过测量装置的和激光器(16)正下方时，激光器(16)投射的线性激光打在煤堆(18)不平整的表面上，形成多段相互断开的激光线，光线经反射后在CCD相机(8)中成像；
CCD相机(8)将成像数据通过主控制器(27)发送到上位机PC中比对，若发现拍摄图像不符合预设要求，则会将位置调整信息发布给主控制器(27)，主控制器(27)分析来自上位机PC的调控命令后，通过步进电机驱动器(26)分别调控CCD相机(8)的导轨滑块直线移动机构中的步进电机a(2)与激光器角度旋转机构中的步进电机b(12)改变角度；重复本段内容，直至上位机PC判断成像数据符合预设要求，之后保持CCD相机(8)和激光器(16)的位置对刮板运输机(17)上运输的煤堆(18)进行测量。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于CCD相机(8)成像方法为：
将面阵CCD相机置于被测物体的正上方，激光器射出的光线与相机镜头光轴之间夹角为β，反射光线通过透镜聚焦作用打在面阵CCD相机(8)的面阵CCD上ΔBOC∽ΔO1OC1，根据三角形相似原理，有
Figure FDA0002680060250000021
关系成立，其中A为在载物平面的投射点，B为CCD相机(8)采集的被测物体影像的最高点，C为激光器(16)投射被测物体影像的最高点，O为透镜的聚焦中心点，O1为CCD相机(8)光轴与CCD面阵的交点，C1为激光器(16)投射被测物体影像最高点在CCD面阵上对应的成像点，则
Figure FDA0002680060250000031
BO＝AO-AB＝(H-h),O1C1＝h'，O1O＝ν，则式Ⅰ可以改写为
Figure FDA0002680060250000032
在ΔABC中，
Figure FDA0002680060250000033
则
Figure FDA0002680060250000034
根据斜射式测量法，被测目标高度可由下式计算
Figure FDA0002680060250000035
其中：h——被测物体实际厚度，单位：mm，
Η——镜头中心与载物平面之间垂直距离，单位：mm，
v——CCD相机成像中心与镜头之间距离，单位：mm，
β——激光投射线与CCD相机镜头中心法线的夹角，单位：°，
h′——CCD相机成像平面上激光点相对于没有被测物体的基准图像偏移距离，单位：mm。
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