CN111964595A - 综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，涉及视觉测量应用技术领域。包括隔爆防尘外壳、深度相机主体及微处理器，隔爆防尘外壳的第一端面上具有开口，第二端面具有安装部，深度相机主体设于隔爆防尘外壳内，且镜头朝外设于开口中，微处理器与深度相机主体电连接；深度相机主体包括RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器，所述深度相机主体，用于获取包含液压支架底座彩色信息和深度信息的三维点云图像并发送至所述微处理器；所述微处理器，用于基于所述三维点云图像解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角。本测量装置能够较好地实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角参数的实时在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及视觉测量应用技术领域，特别是涉及一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置。
背景技术
液压支架作为综采工作面三机配套设备中的重要设备，其位姿状态的好坏将直接决定采场顶板的支护效果，从而影响综采工作面设备的自动化协同推进过程。对于液压支架来说，其关键位姿状态参数主要为支撑高度与顶梁倾角，而传统靠人工观察的方法存在效率低、误差大的缺点。因此，开发液压支架支撑高度与顶梁倾角自主视觉测量装置，进而实现液压支架位姿状态的实时在线监测，是提高综采工作面生产效率，提升工作面智能化程度的重要手段。
针对以上问题，中国专利申请号为201710040395.1的发明专利公开了一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统，通过在液压支架顶梁和底座上分别安装普通视觉模块和定位标识板，利用图像处理技术计算液压支架支撑高度和顶梁倾角。
发明人在实现本发明创造的过程中发现：上述方法需要在每台液压支架上安装定位标识板，实际安装成本较高，且标识板易受煤尘覆盖或松动脱落，将影响测量系统的正常运行。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，至少可以解决上述测量方法中存在的技术问题，能够较好地实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角参数的实时在线测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明实施例提供一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，安装在液压支架顶梁上；包括隔爆防尘外壳、深度相机主体及微处理器，所述隔爆防尘外壳的第一端面上具有开口，所述深度相机主体设于所述隔爆防尘外壳内，且镜头朝外设于所述开口中，在所述隔爆防尘外壳的第二端面具有用于安装于所述液压支架顶梁的安装部，所述第一端面与所述第二端面相对应，所述微处理器与所述深度相机主体电连接；
所述深度相机主体包括RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器，所述RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器并排设于所述隔爆防尘外壳的第一端面上；其中，所述第一深度传感器位于所述红外点阵投射器左侧，所述第二深度传感器位于所述红外点阵投射器右侧，所述RGB摄像头位于所述第一深度传感器左侧或第二深度传感器右侧；
所述深度相机主体，用于获取包含液压支架底座彩色信息和深度信息的三维点云图像并发送至所述微处理器；
所述微处理器，用于基于所述三维点云图像解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角。
可选地，所述微处理器，具体用于对所述三维点云图像去噪及分割处理得到特征图像；
基于图像识别与匹配算法对所述特征图像进行底座识别并得到液压支架底座相对于深度相机的位置信息；
基于所述液压支架底座相对于深度相机的位置信息及深度相机与液压支架的空间几何位置关系，计算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角；其中，所述液压支架支撑高度为液压支架底座到深度相机的距离与深度相机到顶梁的距离之和；所述液压支架顶梁倾角为液压支架底座相对于深度相机在竖直方向上的倾角。
可选地，所述隔爆防尘外壳为长方体筒结构，在所述隔爆防尘外壳的第一端面的开口处设有用于防尘的自洁净玻璃。
可选地，所述自洁净玻璃一侧表面为凸面，所述自洁净玻璃设于所述开口处，且其凸面位于所述开口处外侧。
本发明实施例提供的综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，安装在液压支架顶梁上；包括隔爆防尘外壳、深度相机主体及微处理器，所述隔爆防尘外壳的第一端面上具有开口，所述深度相机主体设于所述隔爆防尘外壳内，且镜头朝外设于所述开口中，所述微处理器与所述深度相机主体电连接；所述深度相机主体包括RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器，所述RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器并排设于所述隔爆防尘外壳的第一端面上；其中，所述RGB摄像头与红外点阵投射器左右相邻设置，所述第一深度传感器位于所述红外点阵投射器左侧，所述第二深度传感器位于所述RGB摄像头右侧；通过所述深度相机主体获取包含液压支架底座彩色信息和深度信息的三维点云图像并发送至所述微处理器；通过所述微处理器基于所述三维点云图像就可以解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角。该测量装置实现液压支架支撑高度和顶梁倾角测量的方案中，无需采用定位标识板，避免了因煤尘覆盖或标识板松动脱落造成的测量装置无法正常运行现象，降低了安装成本，提升了测量装置的运行稳定性，从而能够较好地实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角参数的实时在线测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明中液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置的安装应用示意图；
图2是本发明中的深度相机主体与隔爆防尘外壳一实施例结构示意图；
图3是本发明中的深度相机主体镜头部分结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的发明主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，适用于对综采工作面液压支架支撑高度与顶梁相对于液压支架底座的倾角监测，并进一步地可适用于对液压支架的位姿进行控制，如图1和图2所示，所述测量装置100安装于液压支架顶梁1上，图1中液压支架立柱2，液压支架底座3；所述测量装置包括隔爆防尘外壳5、深度相机主体6及微处理器(图中未示意出)。
所述隔爆防尘外壳5的第一端面51上具有开口，所述深度相机主体6设于所述隔爆防尘外壳5内，且镜头朝外设于所述开口中，所述微处理器与所述深度相机主体6电连接。
参看图3所示，所述深度相机主体6包括RGB摄像头61、红外点阵投射器 62、第一深度传感器63和第二深度传感器64，所述RGB摄像头61、红外点阵投射器62、第一深度传感器63和第二深度传感器64并排设于所述隔爆防尘外壳5的第一端面51上；其中，所述第一深度传感器位63于所述红外点阵投射器62左侧，所述第二深度传感器64位于所述红外点阵投射器62右侧；具体地，所述第一深度传感器63和第二深度传感器64关于所述红外点阵投射器62对称设置；所述RGB摄像头61位于所述第一深度传感器63左侧或第二深度传感器 64右侧，且相邻设置。在一些实施例中，所述RGB摄像头61、红外点阵投射器62、第一深度传感器63和第二深度传感器64分别为一个。
所述RGB摄像头61采用普通单目摄像头，用于获取液压支架底座的彩色图像；所述红外点阵投射器62用于将红外结构光投射到物体表面；所述第一深度传感器63和第二深度传感器64分别用于接收反射回来的结构光，从而获取包含液压支架底座深度信息的深度图像。
所述深度相机主体6，用于获取包含液压支架底座彩色信息和深度信息的三维点云图像并发送至所述微处理器；其中，液压支架底座彩色信息由所述RGB 摄像头61采集，所述深度信息由红外点阵投射器62、第一深度传感器63和第二深度传感器64配合协同采集获得。
所述微处理器，用于基于所述三维点云图像解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角。
具体地，所述微处理器，具体用于对所述三维点云图像去噪及分割处理得到特征图像；
基于图像识别与匹配算法对所述特征图像进行识别并得到液压支架底座相对于深度相机的位置信息；其中，图像识别与匹配算法为已有成熟技术，在此就不具体赘述。
基于所述液压支架底座相对于深度相机的位置信息及深度相机与液压支架的空间几何位置关系，计算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角；其中，所述液压支架支撑高度为液压支架底座到深度相机的距离与深度相机到顶梁的距离之和；所述液压支架顶梁倾角为液压支架底座相对于深度相机在竖直方向上的倾角。
所述隔爆防尘外壳5为长方体筒结构，材质为不锈钢，在所述隔爆防尘外壳5的第二端面52具有用于安装于所述液压支架顶梁的安装部7，在所述隔爆防尘外壳5的第一端面51的开口处设有用于防尘的自洁净玻璃8，所述第一端面51与所述第二端面52相对应。
所述自洁净玻璃8主要材料为二氧化硅，具有抗粉尘黏附作用，主要用于深度相机主体6镜头在井下的粉尘防护。
继续参看图2所示，所述自洁净玻璃8一侧表面为凸面，并设于所述开口处，且其凸面位于所述开口处外侧，这样便于深度相机的正常成像。
具体地，所述隔爆防尘外壳5上还设有用于深度相机主体6和/或微处理器与上位机通信连接的通信接口，便于实现深度相机和/或微处理器与上位机之间进行数据的传输。
其中，所述深度相机主体6每隔预定时间发送获取的所述三维点云图像至上位机，以使上位机基于所述三维点云图像解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角，实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角的实时监测；间隔的预定时间例如为30s一次。
或者，所述微处理器用于将解算得到的液压支架支撑高度和顶梁倾角发送至上位机，以使上位机接收到的液压支架支撑高度和顶梁倾角，实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角的实时监测。
为了帮助理解本发明实施例的技术方案及技术效果，现结合一实施例对本发明实施例测量装置的实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角测量的过程说明如下：
步骤一：在液压支架顶梁上安装测量装置100，通过测量装置100的深度相机主体6获取包含液压支架底座彩色信息和深度信息的点云图像；
步骤二：采用滤波算法对获得的点云图像进行降噪处理，得到降噪处理后的包含液压支架底座的三维点云图像；
步骤三：利用图像识别算法，具体为点云分割算法对降噪处理后的三维点云进行分割，得到若干不同类别的点云数据聚类；
步骤四：对点云数据聚类进行特征描述与提取；
步骤五：根据预设的液压支架底座CAD三维模型，在所述点云数据聚类中找出液压支架底座点云数据聚类，完成对液压支架底座点云信息的识别；所述液压支架底座点云信息包括液压支架底座的位置信息；
步骤六：将液压支架底座数据库模型点云与实际场景中分割识别出来的所述底座点云信息进行配准，并基于所述液压支架底座位置信息及与深度相机的空间几何位置关系，计算得到实际场景中液压支架底座相对于相机坐标系的六自由度参数。
所述液压支架底座相对于相机坐标系的六自由度参数包括：液压支架底座绕绕相机坐标系x、y、z轴旋转的欧拉角，及沿相机坐标系x、y、z轴方向上的位移。
可以理解的是，本步骤中由于深度相机主体6安装于液压支架顶梁上，为了得到更加精确的测量结果，需要根据该几何连接位置关系对计算得到的数据进行进一步校准。
步骤七：结合步骤六的计算结果，再根据深度相机与液压支架顶梁的几何位置关系，得出液压支架支撑高度和顶梁倾角真值。
在一些实施例中，步骤七具体包括步骤：
S71、液压支架支撑高度真值计算；包括：
设深度相机安装完成后，与顶梁距离为d，与液压支架底座的初始距离为
H0，步骤六中得到的液压支架底座在相机坐标系Z轴上的位移为
液压支架移架动作完成后，根据第一公式计算得到其支撑高度为H；所述第一计算公式为
S72、顶梁倾角真值计算；包括：
设液压支架顶梁倾角初始值为θ0，步骤6.3中液压支架底座绕相机坐标系X轴旋转的欧拉角为
液压支架移架动作完成后，根据第二公式计算得到顶梁倾角θ；所述第二公式为：
在背景技术部分提到的现有相关技术中，其测量得到的液压支架支撑高度并非支撑高度的真值，具体原因为：其在测量过程中，使用摄像机焦点到底板的高度代替液压支架支撑高度，由于摄像机到顶梁还具有一定的高度，因此，所测出的支撑高度并非液压支架真实支撑高度。由此，测量结果不够准确。
本实施例中，在计算得到液压支架相对于深度相机的六自由度参数的基础上，结合深度相机与顶梁的安装位置关系进一步校准，得到液压支架支撑高度与倾角真值，从而可以提高测量准确度，进而为液压支架的位姿控制提供准确的数据支撑，提高控制的精准。
在另一些实施例中，还包括：步骤八：每隔30s，重复步骤二到步骤七，并将得到的液压支架支撑高度和顶梁倾角发送至上位机，以完成液压支架支撑高度和顶梁倾角参数的实时在线监测。
本发明实施例提供的测量装置，结构简单，不要定位标识板即可完成在线测量及监测，测量精度高，可以为后续进一步的液压支架位姿控制提供精准的数据支撑，以提高控制精准度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例装置中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各装置的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种综采工作面液压支架支撑高度和顶梁倾角测量装置，其特征在于，安装在液压支架顶梁上；包括隔爆防尘外壳、深度相机主体及微处理器，所述隔爆防尘外壳的第一端面上具有开口，所述深度相机主体设于所述隔爆防尘外壳内，且镜头朝外设于所述开口中，在所述隔爆防尘外壳的第二端面具有用于安装于所述液压支架顶梁的安装部，所述第一端面与所述第二端面相对应，所述微处理器与所述深度相机主体电连接；
所述深度相机主体包括RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器，所述RGB摄像头、红外点阵投射器、第一深度传感器和第二深度传感器并排设于所述隔爆防尘外壳的第一端面上；其中，所述第一深度传感器位于所述红外点阵投射器左侧，所述第二深度传感器位于所述红外点阵投射器右侧，所述RGB摄像头位于所述第一深度传感器左侧或第二深度传感器右侧；
所述深度相机主体，用于获取包含液压支架底座彩色信息和深度信息的三维点云图像并发送至所述微处理器；
所述微处理器，用于基于所述三维点云图像解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微处理器，具体用于对所述三维点云图像去噪及分割处理得到特征图像；
基于图像识别与匹配算法对所述特征图像进行底座识别并得到液压支架底座相对于深度相机的位置信息；
基于所述液压支架底座相对于深度相机的位置信息及深度相机与液压支架的空间几何位置关系，计算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角；其中，所述液压支架支撑高度为液压支架底座到深度相机的距离与深度相机到顶梁的距离之和；所述液压支架顶梁倾角为液压支架底座相对于深度相机在竖直方向上的倾角。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述隔爆防尘外壳为长方体筒结构，在所述隔爆防尘外壳的第一端面的开口处设有用于防尘的自洁净玻璃。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述自洁净玻璃一侧表面为凸面，所述自洁净玻璃设于所述开口处，且其凸面位于所述开口处外侧。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔爆防尘外壳上还设有用于深度相机主体和/或微处理器与上位机通信连接的通信接口，所述深度相机主体每隔预定时间发送获取的所述三维点云图像至上位机，以使上位机基于所述三维点云图像解算得到液压支架支撑高度和顶梁倾角，实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角的实时监测；或者，
所述微处理器用于将解算得到的液压支架支撑高度和顶梁倾角发送至上位机，以使上位机接收到的液压支架支撑高度和顶梁倾角，实现对液压支架支撑高度和顶梁倾角的实时监测。
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2020
- 2020-07-28 CN CN202010741993.3A patent/CN111964595B/zh active Active
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