CN112945121A - 一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法及装置，涉及勘测技术领域，方法包括：所述巷道车带动所述旋转测量台上的所述激光线扫描测头和所述平台双目相机扫描巷道表面，获取巷道点云数据，结合巷道内每隔100米固定安装的立式双目相机组追踪巷道车位置，使巷道点云数据归一化，重构出精确地巷道三维模型。该装置包括：激光线扫描测头、煤矿巷道车、平台双目相机、第一组立式双目相机、第二组立式双目相机、步进电机、减速箱、联轴器、传动轴、旋转测量台，本发明提出的测量方法可行及装置结构简单、精度高，解决了坐标不连续困难、测量范围有限和因遮挡影响模型完整性及在线测量延时等问题。

Description

一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法及装置

技术领域

本发明涉及勘测技术领域，具体是一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法及装置。

背景技术

煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。目前，我国煤炭的主要生产方式仍然是地下开采，当发生矿难事故，容易造成大量人员亡，煤矿巷道在煤矿安全生产中起着举足轻重的作用。

巷道形变理论的研究目前已经比较成熟，为巷道安全性能评估和潜在影响安全的因素提供了有力的理论依据，但这些前提是需要有充足的巷道形变数据，为理论研究提供支持。目前，国内外对巷道围岩形变的监测也已经有了很多方法及仪器。如果将其按照工作原理进行分类，一般情况下可分为机械式测量仪器、电测式测量仪器、声波测距法、激光测距法、光学测绘仪器以及近景摄影测量法等。巷道形变监测最早使用的观测仪器是机械式测量仪器，它在工程实践中应用非常普遍。机械测量仪器是根据机械传动学原理，将金属构件受力以后所出现的弹性形变，使用传动系统将其放大，再通过示数仪器把数值显示出来，不仅操作非常容易，而且设备费用不高。随着电子信息以及检测技术的快速发展，电测类仪器应运而生，它是根据传感器转换的巷道形变电信号来测量的。超声波测距主要被用在断面收敛测量等方面，首先将超声波发射出去，在碰到障碍物体时返回，然后测量返回时间，算出返回与发射的时间差，最后结合超声波在空气中的传播速度，通过计算求出从发射点到障碍物的真实距离。激光测距法在测量围岩形变时，可以避免直接接触，而且测量精度比较高，它主要是根据激光对目标的距离来完成精确测量。但是，这些对巷道围岩形变进行监测的方法，基本上都存在着明显的问题与不足，一方面忽视了围岩变形大面积、持续性两大特征，另一方面，没有充分考虑巷道内恶劣的工作环境等影响测量精度的因素。

当前，随着计算机视觉技术的日趋成熟，计算机视觉测量技术在工农业生产、地质学、天文学、气象学、医学及军事等领域已有很多成功的应用，并且逐渐成为相关行业的重要技术手段。立体视觉的本质通过摄像机从不同角度、位置获取外部环境图像信息，并根据获取到的图像信息，采用特征匹配来获取图像中同一特征的特征信息，根据同一特征的特征信息之间的差异计算图像中隐藏的空间信息，最终综合空间信息实现整个拍摄场景的三维重建。

煤矿巷道通常分布在整个煤矿开采区内，范围非常的广，在对煤矿巷道进行视觉测量过程中，现有单目或双目视觉系统的测量范围有限，只能测量巷道的一部分区域，无法获得整体信息，并且针对结构复杂的煤矿巷道，存在视线遮挡等原因，使某些区域不易检测到；另外，由于巷道内的测量环境复杂，采用的视觉观测方法很容易出现基准不稳定，坐标不连续以及空间坐标标定困难等现象，进而导致了后期空间点重构困难，难以构建出精确地巷道表面几何模型。因此，对巷道变形进行密切监测，采取有效、精确、具有准确实时性的监控技术来掌握巷道状态以及形变趋势，方可对煤矿生产安全起到保障作用，对避免矿难事故和维护煤炭安全生产有重大实际作用。

因此，需要开发一种能够适应恶劣巷道工作环境，具有持续性、实时性并且能大面积实施的巷道围岩变形精确监测技术装置，对此，我们提出一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法及装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有煤矿巷道形变实时在线、高精度、大范围测量技术的不足，提供一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法及装置。

本发明所要解决的问题采用以下技术方案来实现：一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置，包括第一组立式双目相机和巷道车，所述巷道车上设有旋转测量台，所述旋转测量台与巷道车之间设有摆动组件，通过设在所述巷道车内的步进电机驱动所述摆动组件水平往返摆动180°，所述旋转测量台上设有平台双目相机和激光线扫描测头，所述平台双目相机和激光线扫描测头均与旋转测量台固定连接，沿巷道纵深方向阵列设置多组第一组立式双目相机，所述巷道车设有配合第一组立式双目相机观测的标志靶标用于跟踪所述巷道车的位置坐标。

作为本发明进一步的方案，所述摆动组件包括步进电机、减速箱和转轴，所述转轴与巷道车车体转动连接，所述旋转测量台与转轴一端固定连接，所述转轴另一端通过联轴器与减速箱的输出轴固定连接，所述减速箱输入轴与所述步进电机输出轴固定连接。

作为本发明进一步的方案，所述摆动组件包括摆杆、滑块、支撑杆和固定板，所述摆杆一端与固定座铰接，所述固定座与巷道车车体固定连接，所述摆杆另一端与支撑杆上的第二圆杆铰接，所述旋转测量台与支撑杆远离第二圆杆端固定连接，所述第二圆杆远离旋转测量台端设有第一圆杆，所述固定板开设有容纳支撑杆的矩形槽，所述固定板侧面开设有第一滑槽与矩形槽贯通，所述第一滑槽由V型槽和直槽组合而成，V型槽位于直槽中间，所述第一圆杆收纳在第一滑槽内沿第一滑槽滑动。

作为本发明进一步的方案，所述摆杆上开设有第二滑槽，所述第二滑槽内设有滑块，所述滑块与第二滑槽滑动连接，所述滑块远离固定座侧设有连杆，所述连杆一端与滑块铰接，所述连杆另一端与一端转轴铰接，所述转轴与巷道车车体转动连接，所述转轴另一端与驱动巷道车运动的电机输出轴固定连接。

一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量方法包括以下步骤：

步骤一：将所述激光线扫描测头和所述平台双目相机固定安装在所述旋转测量台上；所述扫描测头和所述平台双目相机之间相对位置固定不变；所述线结构光对巷道表面进行180°循环扫描的同时；所述平台双目相机对照射在巷道表面的线结构光进行拍照采集，实现对巷道某一位置截面进行全面扫描采集，解决被测对象因遮挡而影响图像采集等问题，获得巷道某一位置截面全部真实信息。

步骤二：所述巷道车根据自主规划路径向前移动；所述激光线扫描测头对整个巷道表面进行扫描的同时；所述平台双目相机对整个巷道表面进行采集，使得整个巷道表面被全部扫描采集。

步骤三：所述巷道车车身贴标志靶标；所述第一组立式双目相机通过标志靶标对所述巷道车进行位置跟踪测量，从而反推得到所述激光线扫描测头和所述平台双目相机的位置，最终得到一段巷道表面的三维信息。

步骤四：所述巷道车行驶100米后所述第二组立式双目相机对巷道车的位置进行接龙式追踪；依此类推，结合巷道内每隔100米固定安装的多组立式双目相机追踪巷道车位置，最终得到整个巷道表面的三维信息，这样可以有效解决了测量范围有限并实现坐标传递，使得空间坐标点归一化，实现后期的空间坐标点重构，最终构建出整个巷道表面的几何模型。

本发明的有益效果是：本发明针对巷道漆黑昏暗、环境复杂、空间范围广等特点，使用激光线扫描测头配合平台双目相机提高漆黑昏暗条件下获取图像信息的准确度；巷道车根据自主规划路径，整个巷道表面被扫描采集；并结合多目视觉测量系统对巷道车的位置进行接龙式追踪，使得激光扫描测头和平台双目相机扫描采集的数据归一化，最终获得整个巷道表面几何模型数据；这样就可以构建出更加精确地三维几何模型。

有效解决了复杂环境中被测对象因遮挡而影响图像完整采集和测量范围有限等问题；

本发明提出的测量方法可行，提出的测量装置结构简单、成本低、精度高、安装方便，可实现大范围煤矿巷道三维几何模型的在线、高精度重构，有效解决了被测对象因遮挡而影响模型完整性、测量范围有限以及在线测量延时等技术问题。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为图1A处放大示意图；

图3为本发明摆动组件的示意图；

图4为发明摆动组件背侧示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

参阅图1至4所示，一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置，包括第一组立式双目相机1和巷道车2，所述巷道车2上设有旋转测量台3，所述旋转测量台3与巷道车2之间设有摆动组件，通过设在所述巷道车2内的步进电机8驱动所述摆动组件水平往返摆动180°，所述旋转测量台3上设有平台双目相机4和激光线扫描测头5，所述平台双目相机4和激光线扫描测头5均与旋转测量台3固定连接，沿巷道7纵深方向阵列设置多组第一组立式双目相机1，所述巷道车2设有配合第一组立式双目相机1观测的标志靶标用于跟踪所述巷道车2的位置坐标。

如图1所示，平台双目相机(4)和激光线扫描测头(5)固定安装在旋转测量台(3)上，平台双目相机(4)和激光线扫描测头(5)之间相对位置固定不变；旋转测量台(3)安装在巷道车(2)，实现旋转测量台180°循环旋转和平移组合运动；在巷道车(2)车身贴上标志靶标，第一组立式双目相机(1) 通过巷道车(2)上的标志靶标进行位置追踪；煤矿巷道小车行驶100米后通过第二组立式双目相机对巷道车2位置进行接龙式追踪，使得整个巷道7全部表面被扫描采集。

优选地，如图2所示，所述摆动组件包括步进电机8、减速箱9和转轴 12，所述转轴12与巷道车2车体转动连接，所述旋转测量台3与转轴12一端固定连接，所述转轴12另一端通过联轴器10与减速箱9的输出轴固定连接，所述减速箱9输入轴与所述步进电机8输出轴固定连接，通过步进电机8 往复摆动驱动转轴12转动，进而驱动旋转测量台3水平左右摆动，即旋转测量台3上的平台双目相机4和激光线扫描测头5对巷道7内两侧进行监测，转轴12与巷道车2车体转动连接处安装有13，减少转轴12与巷道车2之间的摩擦。

优选地，如图3和4所示，所述摆动组件包括摆杆15、滑块16、支撑杆 19和固定板20，所述摆杆15一端与固定座14铰接，所述固定座14与巷道车2车体固定连接，所述摆杆15另一端与支撑杆19上的第二圆杆192铰接，所述旋转测量台3与支撑杆19远离第二圆杆192端固定连接，所述第二圆杆 192远离旋转测量台3端设有第一圆杆191，所述固定板20开设有容纳支撑杆19的矩形槽22，所述固定板20侧面开设有第一滑槽21与矩形槽22贯通，所述第一滑槽21由V型槽和直槽组合而成，V型槽位于直槽中间，所述第一圆杆191收纳在第一滑槽21内沿第一滑槽21滑动，通过在固定座14端接入驱动电机，驱动连杆17小幅摆动，即可驱动支撑杆19摆动，从而驱动旋转测量台3水平往复摆动，摆动幅度较小，减少了电机等转动驱动设备的损耗。

优选地，如图3-4所示，所述摆杆15上开设有第二滑槽151，所述第二滑槽151内设有滑块16，所述滑块16与第二滑槽151滑动连接，所述滑块 16远离固定座14侧设有连杆17，所述连杆17一端与滑块16铰接，所述连杆17另一端与一端转轴12铰接，所述转轴12与巷道车2车体转动连接，所述转轴12另一端与驱动巷道车2运动的电机输出轴固定连接，通过电机驱动转轴12转动，进一步驱动连杆17转动，连杆17驱动滑块16沿第二滑槽151 滑动，从而驱动滑块16水平摆动，进一步驱动支撑杆19往复摆动。

在进行测量前，根据图1所示安装好测量装置，具体实施步骤如下。

步骤一：平台双目相机4和激光线扫描测头5，固定安装在旋转测量台3 上，通过旋转测量台180°循环旋转，对巷道某一位置截面进行全面扫描采集，有效解决结构复杂的煤矿巷道中，由于遮挡等原因，某些区域不易检测的问题。

步骤二：旋转测量台3安装在巷道车2上，通过巷道车2的移动，带动旋转测量台移动，使旋转测量台做旋转和平移的组合运动，使得整个巷道表面被全部扫描采集，有效解决单目或双目测量系统测量范围有限，只能测量巷道的一部分区域，无法获得整体信息的问题。

步骤三：巷道车2上贴有标志靶标，第一组立式双目相机1通过标志靶标对巷道车2进行位置跟踪，反推得到平台双目相机4和激光线扫描测头5 的位置，从而使得平台双目相机4和激光线扫描测头5扫描采集的数据统一到第一组立式双目相机1坐标系下，使得系统的测量精度与安装测头机构的位置精度无关，解决安装误差。

步骤四：第二组立式双目相机6，对巷道车2进行接龙式位置追踪，同上反推得到平台双目相机4和激光线扫描测头5的位置，从而使得平台双目相机4和激光线扫描测头5扫描采集的数据统一到第二组立式双目相机坐标系下，通过坐标系之间转换将第二组立式双目相机6坐标系下的数据转换到第一组立式双目相机1坐标系下，从而实现平台双目相机4和激光线扫描测头5 扫描采集的数据归一化，解决坐标不连续以及空间坐标标定困难等现象，进而解决后期空间点重构困难，最终构建出精确地巷道表面几何模型。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系为为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置，包括第一组立式双目相机(1)和巷道车(2)，其特征在于，所述巷道车(2)上设有旋转测量台(3)，所述旋转测量台(3)与巷道车(2)之间设有摆动组件，通过设在所述巷道车(2)内的步进电机(8)驱动所述摆动组件水平往返摆动180°，所述旋转测量台(3)上设有平台双目相机(4)和激光线扫描测头(5)，所述平台双目相机(4)和激光线扫描测头(5)均与旋转测量台(3)固定连接，沿巷道(7)纵深方向阵列设置多组第一组立式双目相机(1)，所述巷道车(2)设有配合第一组立式双目相机(1)观测的标志靶标用于跟踪所述巷道车(2)的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置，其特征在于，所述摆动组件包括步进电机(8)、减速箱(9)和转轴(12)，所述转轴(12)与巷道车(2)车体转动连接，所述旋转测量台(3)与转轴(12)一端固定连接，所述转轴(12)另一端通过联轴器(10)与减速箱(9)的输出轴固定连接，所述减速箱(9)输入轴与所述步进电机(8)输出轴固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置，其特征在于，所述摆动组件包括摆杆(15)、滑块(16)、支撑杆(19)和固定板(20)，所述摆杆(15)一端与固定座(14)铰接，所述固定座(14)与巷道车(2)车体固定连接，所述摆杆(15)另一端与支撑杆(19)上的第二圆杆(192)铰接，所述旋转测量台(3)与支撑杆(19)远离第二圆杆(192)端固定连接，所述第二圆杆(192)远离旋转测量台(3)端设有第一圆杆(191)，所述固定板(20)开设有容纳支撑杆(19)的矩形槽(22)，所述固定板(20)侧面开设有第一滑槽(21)与矩形槽(22)贯通，所述第一滑槽(21)由V型槽和直槽组合而成，V型槽位于直槽中间，所述第一圆杆(191)收纳在第一滑槽(21)内沿第一滑槽(21)滑动。

4.根据权利要求3所述的一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置，其特征在于，所述摆杆(15)上开设有第二滑槽(151)，所述第二滑槽(151)内设有滑块(16)，所述滑块(16)与第二滑槽(151)滑动连接，所述滑块(16)远离固定座(14)侧设有连杆(17)，所述连杆(17)一端与滑块(16)铰接，所述连杆(17)另一端与一端转轴(12)铰接，所述转轴(12)与巷道车(2)车体转动连接，所述转轴(12)另一端与驱动巷道车(2)运动的电机输出轴固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于线结构光扫描的巷道多目视觉测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所述激光线扫描测头(5)和所述平台双目相机(4)固定安装在所述旋转测量台(2)上；线结构光对巷道表面进行180°循环扫描的同时；平台双目相机(4)对照射在巷道表面的线结构光进行拍照采集，实现对巷道某一位置截面进行全面扫描采集，解决被测对象因遮挡而影响图像采集等问题，获得巷道某一位置截面全部真实信息。

步骤二：所述巷道车(2)根据自主规划路径向前移动；所述激光线扫描测头(5)对整个巷道表面进行扫描的同时；所述平台双目相机(4)对整个巷道表面进行采集，使得整个巷道表面被全部扫描采集。

步骤三：所述巷道车(2)车身贴标志靶标；所述第一组立式双目相机(1)通过标志靶标对所述巷道车进行位置跟踪测量，从而反推得到所述激光线扫描测头和所述平台双目相机的位置，最终得到一段巷道表面的三维信息。

步骤四：所述巷道车(2)行驶100米后，所述第二组立式双目相机对巷道车(2)的位置进行接龙式追踪；依此类推，结合巷道内每隔100米固定安装的多组立式双目相机追踪巷道车(2)位置，最终得到整个巷道表面的三维信息，这样可以有效解决了测量范围有限并实现坐标传递，使得空间坐标点归一化，实现后期的空间坐标点重构，最终构建出整个巷道表面的几何模型。

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