CN113531018B - 一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法 - Google Patents

一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法 Download PDF

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CN113531018B CN202110696909.5A CN202110696909A CN113531018B CN 113531018 B CN113531018 B CN 113531018B CN 202110696909 A CN202110696909 A CN 202110696909A CN 113531018 B CN113531018 B CN 113531018B
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Abstract

本发明公开了一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法，系统包括双目摄像机、激光网格发射器、中央控制器、轴编码器、无线信号发射装置和无线信号接收装置。制动盘包括两个盘面，且盘面呈环形状；两个盘面分别安装双目摄像机和激光网格发射器数量，其中双目摄像机包括摄像机一和摄像机二，在每个盘面由环形中心向盘面边缘顺次通过固定架安装摄像机一、激光网格发射器和摄像机二；通过双目摄像机拾取对应位置的图像，激光网格发射器能向制动盘盘面垂直投射激光网格。通过双目摄像机拾取图像，从而构建激光网格的三维模型，然后，对激光网格的空间三维模型进行分析，可以判断制动盘是否发生变形或偏摆故障。

Description

一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法
技术领域
本发明涉及故障诊断技术领域，特别是一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法。
背景技术
提升机担负着矿井生产的升降人员、物料、提煤的重要任务，提升机的安全运行，直接影响井下人员的安全和煤炭的生产。提升机制动盘安装在提升机的滚筒上，是矿井提升机的重要组成部分。提升机的制动过程，便是依靠提升机制动盘与制动器闸瓦摩擦所产生的摩擦力来实现的。在实际的使用过程中，由于放置、安装、调试、使用不当等因素会造成制动盘发生偏摆，而由偏摆超差直接造成的制动力矩不足、闸瓦磨损过快等不良后果。同时，一些单位为了赶工期，使制动盘长期处在高温状态下进行贴磨，制动盘冷却后发生变形。
在提升机实际的工作过程中，如未能及时发现制动盘的偏摆及变形故障，将会发生严重的损失，甚至会发生人员伤亡等严重事故。本发明针对提升机制动盘的故障，提供了一种故障检测系统及方法，保证了矿井提升机的安全运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法，该矿井提升机制动盘故障监测系统为了监测矿井提升机制动盘的偏摆及变形故障，针对矿井提升机的具体使用情况，设置了轴编码器，根据提升机制动盘不同的旋转速度，双目摄像机采用不同的采样频率，以达到更好监测制动盘的目的，设置了两组双目摄像机与激光网格发射器，通过两组三维模型的比对，识别出制动盘的偏摆故障。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统，包括双目摄像机、激光网格发射器、中央控制器、轴编码器、无线信号发射装置和无线信号接收装置。
制动盘包括两个盘面，且盘面呈环形状；两个盘面分别安装双目摄像机和激光网格发射器数量，其中双目摄像机包括摄像机一和摄像机二，在每个盘面由环形中心向盘面边缘顺次通过固定架安装摄像机一、激光网格发射器和摄像机二；通过双目摄像机拾取对应位置的图像，激光网格发射器能向制动盘盘面垂直投射激光网格。
双目摄像机和激光网格发射器均通过屏蔽导线连接于中央控制器。
轴编码器和无线信号发射装置固定安装在其中一个制动盘的柱体端部，随制动盘一同旋转，轴编码器和无线信号发射装置之间通过屏蔽导线连接。
无线信号接收装置通过屏蔽导线与中央控制器连接。
进一步地，所述无线信号接收装置、中央控制器、双目摄像机和激光网格发射器均安装在固定架上。
进一步地，所述中央控制器内置有数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、控制模块以及报警模块。
进一步地，所述报警模块包括声报警装置与数显装置。
进一步地，所述激光网格发射器内置有控制系统，用于控制部分激光网格的颜色，且投射的激光网格颜色可以改变两种以上。
进一步地：还包括供电模块，用于整个系统的供电，其中轴编码器为内置供电装置。
一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统的监测方法，包括如下步骤：
步骤1.将该系统的各个部件安装到指定位置，建立摄像机坐标系、图像坐标系与世界坐标系，并标记所述双目摄像机其中摄像机一为1号摄像机，摄像机二为2号摄像机；
设所述1号摄像机坐标系为O-x1y1z1,图像坐标系为O-X1Y1；
所述2号摄像机坐标系为O-x2y2z2，图像坐标系为O-X2Y2；
其中1号摄像机坐标系O-x1y1z1作为世界坐标系O-X0Y0Z0。
所述中央控制器储存有制动盘旋转速度与双目摄像机采样频率关系的函数曲线；步骤2.对1号摄像机与2号摄像机进行图像标定，获得图像的标定参数:
首先，当制动盘处于工作状态时，制动盘上的轴编码器捕捉到制动盘的旋转速度，接着将旋转速度通过所述无线信号发射装置传输至所述无线信号接收装置，所述无线信号接收装置将旋转速度传输至所述中央控制器。
当所述中央控制器接收到所述轴编码器的旋转速度时，中央控制器控制制动盘外侧的激光网格发射器和制动盘内侧的激光网格发射器向制动盘投射激光网格，对制动盘盘面进行三维扫描。
同时，所述中央控制器根据步骤1中设置的函数曲线控制两组双目摄像机以适当的采样频率分别对两组激光网格进行采样，将采样结果传输至中央控制器。
步骤3.中央控制器对步骤2中两组双目摄像机的采样图像进行校正与预处理，获得二值化处理后的图像，随后对二值化处理后的图像进行分析，获得激光网格的每个坐标点在所述1号摄像机与2号摄像机上的坐标位置信息，然后对激光网格的每个坐标点进行三维重建得到空间三维模型。
步骤4.对激光网格的空间三维模型进行分析，判断制动盘是否发生变形或偏摆故障，具体判断步骤如下：
步骤41.中央控制器内部的数据处理模块根据制动盘外侧投射的激光网格所构建的空间三维模型进行分析，若所构建的三维模型呈现高低起伏状，则说明制动盘出现了一定程度的变形，当制动盘的变形程度过大，超过了预设的变形程度阈值，即判断为变形故障。
步骤42.中央控制器内部的数据处理模块根据制动盘外侧空间三维模型与制动盘内侧空间三维模型进行比对分析，若制动盘外侧激光网格的空间三维模型与制动盘内侧激光网格的空间三维模型发生了往同一方向上的倾斜，则说明制动盘出现了一定程度的偏摆，当制动盘的偏摆程度过大，超过了预设偏摆程度阈值，即判断为偏摆故障。
步骤5.当检测出故障时，所述中央控制器中的数显装置显示故障原因，声报警装置发出报警信号，等待当前工作完成后，所述中央控制器控制提升机以适当的速度缓慢转动，寻找制动盘的故障部位，当中央控制器检测出制动盘的故障部位时，所述激光网格发射器改变所投射的激光网格颜色对故障部位进行标记。
当所述轴编码器检测到制动盘的转动速度为零时，所述中央控制器控制系统中的各部件停止工作，仅保持激光网格发射器正常工作。
进一步地，所述步骤3中对激光网格的每个坐标点进行三维重建得到空间三维模型，具体包括以下步骤：
步骤31.设定摄像机投射变换模型：
Figure BDA0003128850090000031
Figure BDA0003128850090000032
公式(1)为1号摄像机坐标与图像坐标之间的关系，(x1,y1,z1)为1号摄像机的相机坐标点，(X1,Y1)为1号摄像机的图像坐标点；
公式(2)为2号摄像机坐标与图像坐标之间的关系，(x2,y2,z2)为2号摄像机的相机坐标点，(X2,Y2)为2号摄像机的图像坐标点；
f1、f2分别为1号摄像机、2号摄像机的有效焦距。
步骤32.1号摄像机坐标系O-x1y1z1与2号摄像机坐标系O-x2y2z2之间的相互位置关系可用空间转换矩阵M表示为：
Figure BDA0003128850090000041
公式(3)中，
Figure BDA0003128850090000042
为1号摄像机坐标系O-x1y1z1与2号摄像机坐标系O-x2y2z2之间的旋转矩阵,
Figure BDA0003128850090000043
为原点之间的平移变换矢量，由相机标定或多视影像运动恢复结构算法获得；
其中，
Figure BDA0003128850090000044
和
Figure BDA0003128850090000045
均为摄像机外部参数；
步骤33.根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)，对于世界坐标系O-X0Y0Z0坐标系中的空间点，1号摄像机、2号摄像机像面点之间的对应关系为：
Figure BDA0003128850090000046
可得空间点三维坐标：
X0＝z1X1/f1
Y0＝z1Y1/f1
Figure BDA0003128850090000047
然后根据空间点的三维坐标，中央控制器中的数据处理模块自动构建激光网格的空间三维模型。
进一步地，所述两组激光网格发射器与所述双目摄像机均按照步骤1-步骤3进行工作，且所述激光网格发射器与所述双目摄像机分别可以是成对设置的多组。本发明具有如下有益效果：
本发明通过对提升机制动盘投射激光网格，通过双目摄像机拾取图像，从而构建激光网格的三维模型，然后，对激光网格的空间点三维模型进行分析，可以判断制动盘是否发生变形或偏摆故障；此监测系统在发现制动盘故障的同时，还可以使用激光网格发射器投射不同颜色的激光网格对故障部位进行标记，达到锁定故障位置的作用。
附图说明
图1是本发明基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统及方法的结构示意图。
图2是本发明监测方法的流程示意图。
其中有：
1、摄像机一；
2、激光网格发射器；
3、摄像机二；
4、屏蔽导线；
5、中央控制器；
6、无线信号接收装置；
7、轴编码器；
8、无线信号发射装置；
9、制动盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统，包括双目摄像机、激光网格发射器2、中央控制器5、轴编码器7、无线信号发射装置8和无线信号接收装置6。
制动盘包括两个盘面，且盘面呈环形状；两个盘面分别安装双目摄像机和激光网格发射器数量，其中双目摄像机包括摄像机一1和摄像机二3，在每个盘面由环形中心向盘面边缘顺次通过固定架安装摄像机一1、激光网格发射器2和摄像机二3；通过双目摄像机拾取对应位置的图像，激光网格发射器2能向制动盘盘面垂直投射激光网格。双目摄像机采用不同的采样频率，以达到更好监测制动盘的目的，设置了两组双目摄像机与激光网格发射器，通过两组三维模型的比对，识别出制动盘的偏摆故障。
双目摄像机和激光网格发射器2均通过屏蔽导线4连接于中央控制器。
轴编码器7和无线信号发射装置8固定安装在其中一个制动盘的柱体端部，随制动盘一同旋转，轴编码器和无线信号发射装置之间通过屏蔽导线4连接。
无线信号接收装置6通过屏蔽导线4与中央控制器连接。
无线信号接收装置8、中央控制器3、双目摄像机和激光网格发射器2均安装在固定架上。
中央控制器3内置有数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、控制模块以及报警模块。
报警模块包括声报警装置与数显装置。
激光网格发射器2内置有控制系统，用于控制部分激光网格的颜色，且投射的激光网格颜色可以改变两种以上。
还包括供电模块，用于整个系统的供电，其中轴编码器7为内置供电装置。
如图2所示，一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.将该系统的各个部件安装到指定位置，建立摄像机坐标系、图像坐标系与世界坐标系，并标记所述双目摄像机其中摄像机一为1号摄像机，摄像机二为2号摄像机；
设所述1号摄像机坐标系为O-x1y1z1,图像坐标系为O-X1Y1；
所述2号摄像机坐标系为O-x2y2z2，图像坐标系为O-X2Y2；
其中1号摄像机坐标系O-x1y1z1作为世界坐标系O-X0Y0Z0；
所述中央控制器储存有制动盘旋转速度与双目摄像机采样频率关系的函数曲线；步骤2.对1号摄像机与2号摄像机进行图像标定，获得图像的标定参数并矫正透镜畸变，通过对透镜畸变的矫正提高成像质量。
首先，当制动盘处于工作状态时，制动盘上的轴编码器捕捉到制动盘的旋转速度，接着将旋转速度通过所述无线信号发射装置传输至所述无线信号接收装置，所述无线信号接收装置将旋转速度传输至所述中央控制器。
当所述中央控制器接收到所述轴编码器的旋转速度时，中央控制器控制制动盘外侧的激光网格发射器和制动盘内侧的激光网格发射器向制动盘投射激光网格，对制动盘盘面进行三维扫描。
同时，所述中央控制器根据步骤1中设置的函数曲线控制两组双目摄像机以适当的采样频率分别对两组激光网格进行采样，将采样结果传输至中央控制器。
步骤3.中央控制器对步骤2中两组双目摄像机的采样图像进行校正与预处理，获得二值化处理后的图像，随后对二值化处理后的图像进行分析，获得激光网格的每个坐标点在所述1号摄像机与2号摄像机上的坐标位置信息，然后对激光网格的每个坐标点进行三维重建得到空间三维模型。
步骤4.对激光网格的空间三维模型进行分析，判断制动盘是否发生变形或偏摆故障，具体判断步骤如下：
步骤41.中央控制器内部的数据处理模块根据制动盘外侧投射的激光网格所构建的空间三维模型进行分析，若所构建的三维模型呈现高低起伏状，则说明制动盘出现了一定程度的变形，当制动盘的变形程度过大，超过了预设的变形程度阈值，即判断为变形故障。
步骤42.中央控制器内部的数据处理模块根据制动盘外侧空间三维模型与制动盘内侧空间三维模型进行比对分析，若制动盘外侧激光网格的空间三维模型与制动盘内侧激光网格的空间三维模型发生了往同一方向上的倾斜，则说明制动盘出现了一定程度的偏摆，当制动盘的偏摆程度过大，超过了预设偏摆程度阈值，即判断为偏摆故障。
步骤5.当检测出故障时，所述中央控制器中的数显装置显示故障原因，声报警装置发出报警信号，等待当前工作完成后，所述中央控制器控制提升机以适当的速度缓慢转动，寻找制动盘的故障部位，当中央控制器检测出制动盘的故障部位时，所述激光网格发射器改变所投射的激光网格颜色对故障部位进行标记。
当所述轴编码器检测到制动盘的转动速度为零时，所述中央控制器控制系统中的各部件停止工作，仅保持激光网格发射器正常工作。
步骤3中对激光网格的每个坐标点进行三维重建得到空间三维模型，具体包括以下步骤：
步骤31.设定摄像机投射变换模型：
Figure BDA0003128850090000071
Figure BDA0003128850090000072
公式(1)为1号摄像机坐标与图像坐标之间的关系，(x1,y1,z1)为1号摄像机的相机坐标点，(X1,Y1)为1号摄像机的图像坐标点。
公式(2)为2号摄像机坐标与图像坐标之间的关系，(x2,y2,z2)为2号摄像机的相机坐标点，(X2,Y2)为2号摄像机的图像坐标点。
f1、f2分别为1号摄像机、2号摄像机的有效焦距。
步骤32.1号摄像机坐标系O-x1y1z1与2号摄像机坐标系O-x2y2z2之间的相互位置关系可用空间转换矩阵M表示为：
Figure BDA0003128850090000081
公式(3)中，
Figure BDA0003128850090000082
为1号摄像机坐标系O-x1y1z1与2号摄像机坐标系O-x2y2z2之间的旋转矩阵,
Figure BDA0003128850090000083
为原点之间的平移变换矢量，由相机标定或多视影像运动恢复结构算法获得。
其中，
Figure BDA0003128850090000084
和
Figure BDA0003128850090000085
均为摄像机外部参数。
步骤33.根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)，对于世界坐标系O-X0Y0Z0坐标系中的空间点，1号摄像机、2号摄像机像面点之间的对应关系为：
Figure BDA0003128850090000086
可得空间点三维坐标：
X0＝z1X1/f1
Y0＝z1Y1/f1
Figure BDA0003128850090000087
然后根据空间点的三维坐标，中央控制器中的数据处理模块自动构建激光网格的空间三维模型。
两组激光网格发射器与所述双目摄像机均按照步骤1-步骤3进行工作，且所述激光网格发射器与所述双目摄像机分别可以是成对设置的多组。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.制动盘两个盘面分别安装双目摄像机和激光网格发射器，其中双目摄像机包括摄像机一和摄像机二，在每个盘面由环形中心向盘面边缘顺次通过固定架安装摄像机一、激光网格发射器和摄像机二；通过双目摄像机拾取对应位置的图像，激光网格发射器能向制动盘盘面垂直投射激光网格；双目摄像机和激光网格发射器均通过屏蔽导线连接于中央控制器；
建立摄像机坐标系、图像坐标系与世界坐标系，并标记双目摄像机其中摄像机一为1号摄像机，摄像机二为2号摄像机；
设所述1号摄像机坐标系为O-x1y1z1,图像坐标系为O-X1Y1；
所述2号摄像机坐标系为O-x2y2z2，图像坐标系为O-X2Y2；
其中1号摄像机坐标系O-x1y1z1作为世界坐标系O-X0Y0Z0；
轴编码器和无线信号发射装置固定安装在其中一个制动盘的柱体端部，随制动盘一同旋转，轴编码器和无线信号发射装置之间通过屏蔽导线连接；无线信号接收装置通过屏蔽导线与中央控制器连接；
中央控制器储存有制动盘旋转速度与双目摄像机采样频率关系的函数曲线；
步骤2.对1号摄像机与2号摄像机进行图像标定，获得图像的标定参数；
首先，当制动盘处于工作状态时，制动盘上的轴编码器捕捉到制动盘的旋转速度，接着将旋转速度通过所述无线信号发射装置传输至所述无线信号接收装置，所述无线信号接收装置将旋转速度传输至所述中央控制器；
当所述中央控制器接收到所述轴编码器的旋转速度时，中央控制器控制制动盘外侧的激光网格发射器和制动盘内侧的激光网格发射器向制动盘投射激光网格，对制动盘盘面进行三维扫描；
同时，所述中央控制器根据步骤1中设置的函数曲线控制两组双目摄像机以适当的采样频率分别对两组激光网格进行采样，将采样结果传输至中央控制器；
步骤3.中央控制器对步骤2中两组双目摄像机的采样图像进行校正与预处理，获得二值化处理后的图像，随后对二值化处理后的图像进行分析，获得激光网格的每个坐标点在所述1号摄像机与2号摄像机上的坐标位置信息，然后对激光网格的每个坐标点进行三维重建得到空间三维模型；
步骤4.对激光网格的空间三维模型进行分析，判断制动盘是否发生变形或偏摆故障，具体判断步骤如下：
步骤41.中央控制器内部的数据处理模块根据制动盘外侧投射的激光网格所构建的空间三维模型进行分析，若所构建的三维模型呈现高低起伏状，则说明制动盘出现了一定程度的变形，当制动盘的变形程度过大，超过了预设的变形程度阈值，即判断为变形故障；
步骤42.中央控制器内部的数据处理模块根据制动盘外侧空间三维模型与制动盘内侧空间三维模型进行比对分析，若制动盘外侧激光网格的空间三维模型与制动盘内侧激光网格的空间三维模型发生了往同一方向上的倾斜，则说明制动盘出现了一定程度的偏摆，当制动盘的偏摆程度过大，超过了预设偏摆程度阈值，即判断为偏摆故障；
步骤5.当检测出故障时，所述中央控制器中的数显装置显示故障原因，声报警装置发出报警信号，等待当前工作完成后，所述中央控制器控制提升机以适当的速度缓慢转动，寻找制动盘的故障部位，当中央控制器检测出制动盘的故障部位时，所述激光网格发射器改变所投射的激光网格颜色对故障部位进行标记；
当所述轴编码器检测到制动盘的转动速度为零时，所述中央控制器控制系统中的各部件停止工作，仅保持激光网格发射器正常工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤3中对激光网格的每个坐标点进行三维重建得到空间三维模型，具体包括以下步骤：
步骤31.设定摄像机投射变换模型：
Figure FDA0003762320920000021
Figure FDA0003762320920000022
公式(1)为1号摄像机坐标与图像坐标之间的关系，(x1,y1,z1)为1号摄像机的相机坐标点，(X1,Y1)为1号摄像机的图像坐标点；
公式(2)为2号摄像机坐标与图像坐标之间的关系，(x2,y2,z2)为2号摄像机的相机坐标点，(X2,Y2)为2号摄像机的图像坐标点；
f1、f2分别为1号摄像机、2号摄像机的有效焦距；
步骤32.1号摄像机坐标系O-x1y1z1与2号摄像机坐标系O-x2y2z2之间的相互位置关系可用空间转换矩阵M表示为：
Figure FDA0003762320920000031
公式(3)中，
Figure FDA0003762320920000032
为1号摄像机坐标系O-x1y1z1与2号摄像机坐标系O-x2y2z2之间的旋转矩阵,
Figure FDA0003762320920000033
为原点之间的平移变换矢量，由相机标定或多视影像运动恢复结构算法获得；
其中，
Figure FDA0003762320920000034
和
Figure FDA0003762320920000035
均为摄像机外部参数；
步骤33.根据公式(1)、公式(2)以及公式(3)，对于世界坐标系O-X0Y0Z0坐标系中的空间点，1号摄像机、2号摄像机像面点之间的对应关系为：
Figure FDA0003762320920000036
可得空间点三维坐标：
X0＝z1X1/f1
Y0＝z1Y1/f1
Figure FDA0003762320920000037
然后根据空间点的三维坐标，中央控制器中的数据处理模块自动构建激光网格的空间三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光网格的矿井提升机制动盘故障监测系统的监测方法，其特征在于：所述两组激光网格发射器与所述双目摄像机均按照步骤1-步骤3进行工作，且所述激光网格发射器与所述双目摄像机分别可以是成对设置的多组。
4.一种用于实现如权利要求1-3任一所述的监测方法的监测系统，其特征在于：包括双目摄像机、激光网格发射器、中央控制器、轴编码器、无线信号发射装置和无线信号接收装置；
制动盘包括两个盘面，且盘面呈环形状。
5.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于：所述无线信号接收装置、中央控制器、双目摄像机和激光网格发射器均安装在固定架上。
6.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于：所述中央控制器内置有数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、控制模块以及报警模块。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于：所述报警模块包括声报警装置与数显装置。
8.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于：所述激光网格发射器内置有控制系统，用于控制部分激光网格的颜色，且投射的激光网格颜色可以改变两种以上。
9.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于：还包括供电模块，用于整个系统的供电，其中轴编码器为内置供电装置。
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