CN112924463A - 一种煤矿竖井井筒巡检装置及激光扫描缺陷检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种煤矿竖井井筒巡检装置及激光扫描缺陷检测方法，包括巡检装置本体，设置于井筒内并在井筒内上下移动；外部驱动装置，用于驱动巡检装置本体上下移动；张紧装置，两个相对应张紧装置之间竖直架设导向钢丝绳；本体导向装置，周向均布固定在巡检装置本体侧壁，导向钢丝绳滑动穿设在本体导向装置内；定位系统，包括布置在井筒内壁的若干UWB节点和一个布置在巡检装置本体上的UWB节点；供能电池包、无线通讯模块、激光雷达和图像采集平台，安装于巡检装置本体上；所述供能电池包用于为无线通讯模块、激光雷达和图像采集平台供电；无线通信模块具有无线通信功能以及基于UWB节点的定位功能。本发明可以有效改变现有的人工巡检效率低、存在安全隐患的现状。

Description

一种煤矿竖井井筒巡检装置及激光扫描缺陷检测方法
技术领域
本发明属于矿山安全技术领域，尤其涉及一种煤矿竖井井筒巡检装置及激光扫描缺陷检测方法。
背景技术
在煤矿开采过程中，井筒作为其中的一个极其重要的部分之一，井筒承担着多项不同的任务，包括接送井下作业工作人员、掘进与采煤等设备材料的上下井、以及原煤的运输等。竖井长期在复杂的地应力条件下工作内壁出现破裂，变形，局部混凝土剥落等潜在问题急需有效的检测手段。目前，对竖井井筒的检测大多采用人工方式，具体为安排专人进行巡视。这种人工巡检方式效率低,容易出现漏检,并且对于工作人员存在各种安全隐患等。
现有的自动巡检技术是在井筒中心布置一根两端固定的导向钢丝绳，煤矿井筒巡检装置沿固定的导向钢丝绳垂直上下移动实现检测任务，检测大多采用CCD相机采集图片对图片信息进行处理得出检测结果。大多数巡检装置是自主配备驱动装置，其驱动力小、负载能力弱例如自主式巡检机器人。本发明设计一种适合井筒巡检内壁的巡检装置，搭载激光雷达传感器，同时搭载CCD 相机，利用点云数据对井筒进行三维建模，辅助以图像信息提取内壁的质量缺陷同时检测变形量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种煤矿竖井井筒巡检装置及激光扫描缺陷检测方法, 本发明可以有效改变现有的人工巡检效率低、存在安全隐患的现状。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种煤矿竖井井筒巡检装置，包括，
巡检装置本体，设置于井筒内并在井筒内上下移动；
外部驱动装置，通过绳索与巡检装置本体连接，用于驱动巡检装置本体上下移动；
张紧装置，均匀分布在井筒顶壁和底壁且上下一一对应设置，两个相对应张紧装置之间竖直架设导向钢丝绳；
本体导向装置，周向均布固定在巡检装置本体侧壁，导向钢丝绳滑动穿设在本体导向装置内；
定位系统，包括布置在井筒内壁的若干UWB节点和一个布置在巡检装置本体上的UWB节点；
供能电池包、无线通讯模块、激光雷达和图像采集平台，安装于巡检装置本体上；所述供能电池包用于为无线通讯模块、激光雷达和图像采集平台供电；无线通信模块具有无线通信功能以及基于UWB节点的定位功能。
进一步的，所述外部驱动装置包括上部驱动装置和下部驱动装置，所述上部驱动装置位于巡检装置本体上方，通过绳索连接巡检装置本体，用于驱动巡检装置本体上行；下部驱动装置位于巡检装置本体下方，通过绳索连接巡检装置本体，用于驱动巡检装置本体下行。
进一步的，还包括有地面充电桩，其与供能电池包连接。
一种使用煤矿竖井井筒巡检装置扫描缺陷的方法，包括如下步骤：
步骤1，上部驱动装置和下部驱动装置间歇动作，驱动巡检装置本体在井筒内上下往复运动；
步骤2，通过布置在井筒内壁面和巡检装置本体上的UWB节点，测量巡检装置本体相对于井筒内壁的节点的距离实现定位，然后将位置数据通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤3，激光雷达检测，通过激光雷达获取井筒点云并通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤4，通过图像采集平台采集并处理井筒内壁面的图像并通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤5，地面数据处理系统对接收的图像数据、点云数据以及位置数据进行处理、实时显示井筒内壁的图像和三维点云模型，通过定位信息可以判断缺陷发生的位置从而达到巡检目的。
进一步的，步骤5中，通过激光雷达获取点云数据，包含环境噪声以及本身传感器的噪声，需要进行滤波处理，激光雷达采集时视场角有限，为了获得完整的井筒点云，需要将不同视点的点云数据进行拼接，利用采样一致性算法对整体点云进行拟合，获得圆柱的方程参数；利用中轴线设置断面，满足一定高度的点云数据向断面投影，得到平面的点云后再平面内拟合圆，获取圆的半径，将半径与设计值比较获得差值即可反映形变量；同时通过欧式聚类算法获取代表璧面剥落的面积点云簇，对点云进行三角化后提取面积信息。
进一步的，步骤5中，通过图像采集平台采集井筒内壁面的图像，首先对采集的图像进行预处理，以增强缺陷区域与背景的对比度，主要包括灰度化、高斯滤波、同态滤波，其次使用性能较好的Canny边缘检测方法，以获取缺陷区域的边缘轮廓线，然后使用形态学方法，对检测到的轮廓进行闭合并填充，最后提取连通区域的面积、长度、宽度等特征，用于井壁裂纹缺陷的分级。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明采用三根导向钢丝绳按圆周均匀分布在装置本体上，促使装置在外部驱动装置的作用下沿导向钢丝绳稳定的上下移动，避免巡检装置发生偏转，相比单根导向绳的设计方案，本发明具有更好的稳定性；
2、本发明所采用的导向装置可以灵活调整滚珠保持板的间距，使其可以使用与规格不同的导向钢丝绳，具有更好的适用性；
3、本发明采用外部驱动装置进行装置本体动力供给，使装置可以平稳在导向钢丝绳上下移动，且运动过程中装置本体不发生旋转运动，由于采用外部驱动装置，本发明具有较强的负载能力；
4、本发明在巡检装置本体安装了无线通讯模块可以将激光雷达传感器采集点云数据实时发送到后端处理，实现实时显示同时采用随机采样一致性算法、欧式聚类算法等对点云数据进行拟合、分割提取缺陷和检测变形量；
5、本发明采用CCD相机和激光雷达传感器联合对井内壁的混凝土面进行质量检测，其中CCD相机拍摄照片通过处理检测出裂纹信息，激光雷达通过点云拼接，拟合分割等处理获取整体形变量的信息。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明中巡检装置本体的结构示意图；
图3为本发明巡检装置本体内部结构示意图；
图4为本发明巡检装置图像采集平台结构示意图；
图5为本发明巡检装置本体导向装置的结构示意图；
图6为本发明巡检装置张紧装置的结构示意图；
图7为本发明检测流程示意图。
图中，1、上部驱动装置；2、滑轮；3、地面数据处理系统；4、地面充电桩；5、激光雷达以及图像采集平台；6、无线通信模块；7、巡检装置本体；8、导向钢丝绳；9、下部驱动装置；10、张紧装置；11、定位系统；
12、钢丝绳与本体固定装置；13、防爆外壳；14、本体导向装置；15、充电口；16、激光雷达；17、无线通信模块；18、顶部安装板；19、支架； 20、电机控制器；21、供能电池包 ；22、数据采集模块； 23、底部安装板；24、中部安装板；
25、摄像头；26、转台；27、固定环； 28、导向轴底座； 29、安装板 ；30、联轴器；31、支柱；32、内部电动机；33、导向机构外壳；34、支撑杆；35、拉簧；36、调节丝杆；37、滚珠保持板；38、滚珠；39、滑块；40、销孔；41、固定轮盘；42、转盘；43、挡板；44、钢丝绳固定孔；45、螺钉孔；46、张紧装置支座；47、摇臂；48、支座螺孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明所述的煤矿竖井井筒巡检装置，主要包括上部驱动装置1、滑轮2、地面数据处理系统3、地面充电桩4、激光雷达以及图像采集平台5、无线通信模块6、巡检装置本体7、导向钢丝绳8、下部驱动装置9、张紧装置10、定位系统11。
外部驱动装置包括上部驱动装置1和下部驱动装置9，上部驱动装置位于巡检装置本体7的上方，而下部驱动装置9位于巡检装置本体7的下方。上部驱动装置主要包括驱动电机、联轴器、收卷滚筒、绳索。驱动电机通过联轴器带动收卷辊筒转动，使绳索产生提升力。上部驱动装置的绳索的上端绕过滑轮2与上部驱动装置的收卷辊筒连接，下端则与巡检装置本体7连接；在驱动装置的驱动电机转动提升作用下巡检装置本体7沿着导向钢丝绳8平稳向上移动。下部驱动装置9的结构和作用原理与上部驱动装置相同，下部驱动装置9包括驱动电机、联轴器、收卷辊筒、绳索；驱动电机通过联轴器带动收卷辊筒转动，使绳索产生沿导向钢丝绳8向下的拉力，绳索的一端绕过滑轮2连接在下部驱动装置9的收卷辊筒上，另一端固定在巡检装置本体7的底部安装板上，在驱动电机转动产生的拉力作用下巡检装置本体7平稳沿着导向钢丝绳8向下移动。
定位系统11主要包括布置在井筒内壁面的4个UWB节点和一个布置在巡检装置本体7上的UWB节点，其工作原理为基于TOF测距，分别获得巡检装置本体7距离4个UWB节点的距离，通过解算方程组获取装置的位置信息。
如图2、3和4所示，所述巡检装置本体主要包括钢丝绳与本体固定装置12、防爆外壳 13、本体导向装置14、充电口15、激光雷达16、无线通信模块定位节点17、顶部安装板18、支架19、电机控制器20、供能电池包21、数据采集模块22、底部安装板23、中部安装板24、摄像头25、转台26、固定环27、导向轴底座 28、安装板29、联轴器31、支柱30、内部电动机32。
激光雷达16通过螺栓固定在顶部安装板由供能电池包19供电，电压9-12v。图像采集平台包括摄像头25、转台26、固定环27、导向轴底座28、安装板29、联轴器31、支柱30、内部电动机32、图像采集平台通过螺栓固定安装在中部安装板24上，并通过支架19调节摄像头25与顶部安装板18的间距，支架19的长短可以选择不同型号，通过选择不同的型号改变与摄像头25的间距，避免对摄像头25的拍摄产生干涉。
本体导向装置14周向固定分布在防爆外壳13的中部；三根导向钢丝绳8沿径向呈120°分布，穿过三个导向装置14。如图4所示，上部驱动装置1和下部驱动装置9驱动电机转动产生牵引力使巡检装置整体沿轴向平稳上下移动，在这个过程中内部电动机32动作通过联轴器31使转台26缓慢旋转，摄像头25安装在转台26上，跟随转台26旋转从而实现对竖井井筒四周的巡检。
巡检装置本体7的供能电池包21为本安型电源；为无线通信模块6与定位节点17、以及内部电动机32供电；同时在防爆外壳 13上具有充电口15，地面充电桩通过导线连接充电口15进行充电，从而实现巡检装置井下巡检过程的电能供给。
如图5所示，所述的本体导向装置14包括导向机构外壳33、支撑杆34、拉簧35、调节丝杆36、滚珠保持板37、滚珠38。
本体导向装置14固定安装在防爆外壳13上，且周向均匀布置，可以沿着导向钢丝绳8上下移动；本体导向装置14内部的三组滚珠保持板37呈周向竖直均匀布置；滚珠38嵌入滚珠保持板40内，并沿滚珠保持板37的长边方向呈均匀排列；支撑杆34的一端固定于滚珠保持板37的两端，另一端可在导向机构外壳33的通孔中前后移动；拉簧35围绕在支撑杆34外侧，一端与滚珠保持板37固定，另一端与导向机构外壳33固定，每组支撑杆34相对于调节丝杆36上下对称；调节丝杆36的一端与滚珠保持板37接触，另一端可在螺纹孔前后移动，从而调节三个滚珠保持板37之间的间距；在调节丝杆36的作用下三个滚珠保持板37上的滚珠38与导向钢丝绳8接触，其与导向钢丝绳8之间为滚动摩擦。
如图6所示，所述的张紧装置10包括滑块39、销孔40、固定轮盘41、转盘42、挡板43、钢丝绳固定孔44、螺钉孔45、张紧装置支座46、摇臂47、支座螺孔48。
张紧装置10分别安装于每根导向钢丝绳8的两端，首先将导向钢丝绳8穿入钢丝绳固定孔44，并将一固定螺钉拧入螺钉孔45，使其锁紧导向钢丝绳8，保证导向钢丝绳8的一端固定于导向钢丝绳8固定孔44内；摇动摇臂47张紧导向钢丝绳8后，推动滑块39，使固定轮盘41与转盘42啮合；然后在销孔40处插入一固定销，使固定轮盘41与转盘42固定；支座螺孔48用于固定张紧装置10。
由于所述导向钢丝绳8为3条；本体导向装置14具有3个；张紧装置10有6个；所以本实施例中导向钢丝绳8呈圆周径向120°布置；所述的导向通孔也呈120°布置。外部防爆壳13为正六边形、巡检装置本体7的3层安装板各自均为正六边形。
巡检装置本体7所负载的无线通信模块6与定位节点17包括一套无线通信设备，具有无线通信的功能以及基于UWB的定位节点。通过布置在井筒内壁面的节点组网测距完成定位功能后将数据通过无线通信模块6发送给地面数据处理系统3。巡检装置本体7上下平稳移动过程中摄像头25在内部电动机32的驱动下整周转动，实现井筒内部图像采集同时巡检的目的，数据采集模块22采集摄像头25得数据，同时激光雷达16完成对井筒内壁面的扫描，无线通信模块6进而转发图像数据、节点定位数据和位置数据到位于地面的接收节点，地面接收节点转发至地面数据处理系统3，地面数据处理系统3对接收的图像数据、点云数据以及位置数据进行处理、实时显示井筒内壁的图像和三维点云模型，通过定位信息可以判断缺陷发生的位置从而达到巡检目的。
本发明还提供一种使用煤矿竖井井筒巡检装置扫描缺陷的方法，包括如下步骤：
步骤1，上部驱动装置和下部驱动装置间歇动作，驱动巡检装置本体在井筒内上下往复运动；
步骤2，通过布置在井筒内壁面和巡检装置本体上的UWB节点，测量巡检装置本体相对于井筒内壁的节点的距离实现定位，然后将位置数据通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤3，激光雷达检测，通过激光雷达获取井筒点云并通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤4，通过图像采集平台采集并处理井筒内壁面的图像并通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤5，地面数据处理系统对接收的图像数据、点云数据以及位置数据进行处理、实时显示井筒内壁的图像和三维点云模型，通过定位信息可以判断缺陷发生的位置从而达到巡检目的。
如图7所示，所述的检测流程主要包括两个方面，激光雷达检测和图像检测；激光雷达检测主要包括检测井筒整体变形量和内壁面的剥落面积，图像检测主要检测内壁面的裂纹。通过激光雷达获取的点云数据，包含环境噪声以及本身传感器的噪声，需要进行滤波处理，激光雷达采集时视场角有限，为了获得完整的井筒点云，需要将不同视点的点云数据进行拼接，利用采样一致性算法（RANSAC）可以对整体点云进行拟合，获得圆柱的方程参数。利用中轴线设置断面，满足一定高度的点云数据向断面投影，得到平面的点云后再平面内拟合圆，获取圆的半径，将半径与设计值比较获得差值即可反映形变量。同时通过欧式聚类算法获取代表璧面剥落的面积点云簇，对点云进行三角化后提取面积信息。
通过图像采集平台的CCD相机采集井筒内壁面的图像，首先对采集的图像进行预处理，以增强缺陷区域（如有裂纹缺陷）与背景的对比度，主要包括灰度化、高斯滤波、同态滤波，其次使用性能较好的Canny边缘检测方法，以获取缺陷区域的边缘轮廓线，然后使用形态学方法，对检测到的轮廓进行闭合并填充，最后提取连通区域的面积、长度、宽度等特征，用于井壁裂纹缺陷的分级。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种煤矿竖井井筒巡检装置，其特征在于：包括，
巡检装置本体，设置于井筒内并在井筒内上下移动；
外部驱动装置，通过绳索与巡检装置本体连接，用于驱动巡检装置本体上下移动；
张紧装置，均匀分布在井筒顶壁和底壁且上下一一对应设置，两个相对应张紧装置之间竖直架设导向钢丝绳；
本体导向装置，周向均布固定在巡检装置本体侧壁，导向钢丝绳滑动穿设在本体导向装置内；
定位系统，包括布置在井筒内壁的若干UWB节点和一个布置在巡检装置本体上的UWB节点；
供能电池包、无线通讯模块、激光雷达和图像采集平台，安装于巡检装置本体上；所述供能电池包用于为无线通讯模块、激光雷达和图像采集平台供电；无线通信模块具有无线通信功能以及基于UWB节点的定位功能。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿竖井井筒巡检装置，其特征在于：所述外部驱动装置包括上部驱动装置和下部驱动装置，所述上部驱动装置位于巡检装置本体上方，通过绳索连接巡检装置本体，用于驱动巡检装置本体上行；下部驱动装置位于巡检装置本体下方，通过绳索连接巡检装置本体，用于驱动巡检装置本体下行。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿竖井井筒巡检装置，其特征在于：还包括有地面充电桩，其与供能电池包连接。
4.一种使用如权利要求1所述的煤矿竖井井筒巡检装置扫描缺陷的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，上部驱动装置和下部驱动装置间歇动作，驱动巡检装置本体在井筒内上下往复运动；
步骤2，通过布置在井筒内壁面和巡检装置本体上的UWB节点，测量巡检装置本体相对于井筒内壁的节点的距离实现定位，然后将位置数据通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤3，激光雷达检测，通过激光雷达获取井筒点云并通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤4，通过图像采集平台采集并处理井筒内壁面的图像并通过无线通信模块发送给地面数据处理系统；
步骤5，地面数据处理系统对接收的图像数据、点云数据以及位置数据进行处理、实时显示井筒内壁的图像和三维点云模型，通过定位信息可以判断缺陷发生的位置从而达到巡检目的。
5.根据权利要求4所述的一种使用所述煤矿竖井井筒巡检装置扫描缺陷的方法，其特征在于：步骤5中，通过激光雷达获取的点云数据，包含环境噪声以及本身传感器的噪声，需要进行滤波处理，激光雷达采集时视场角有限，为了获得完整的井筒点云，需要将不同视点的点云数据进行拼接，利用采样一致性算法对整体点云进行拟合，获得圆柱的方程参数；利用中轴线设置断面，满足一定高度的点云数据向断面投影，得到平面的点云后再平面内拟合圆，获取圆的半径，将半径与设计值比较获得差值即可反映形变量；同时通过欧式聚类算法获取代表璧面剥落的面积点云簇，对点云进行三角化后提取面积信息。
6.根据权利要求4所述的一种使用所述煤矿竖井井筒巡检装置扫描缺陷的方法，其特征在于：步骤5中，通过图像采集平台采集井筒内壁面的图像，首先对采集的图像进行预处理，以增强缺陷区域与背景的对比度，主要包括灰度化、高斯滤波、同态滤波，其次使用性能较好的Canny边缘检测方法，以获取缺陷区域的边缘轮廓线，然后使用形态学方法，对检测到的轮廓进行闭合并填充，最后提取连通区域的面积、长度、宽度等特征，用于井壁裂纹缺陷的分级。
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