CN113669053A - 井壁扫描成像系统 - Google Patents

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邵满满
蒋玉强
徐静雯
王浩
滕虎
陆冰润
阳先波
孙林
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Abstract

本发明公开了井壁扫描成像系统,属于扫描成像领域,包括主控箱、支撑装置、测量模块、通信模块、电源模块和上位机,本发明应用于矿井井筒内部,通过在矿井井筒垂直方向移动来扫描井筒内壁的表面信息并以此建模,通过模型直接观测矿井井筒的变形、垂直度变化等形态特征信息并定量分析其变形情况;系统测量时在矿井井筒的中心线上下移动,并利用激光雷达扫描仪对四周井壁进行扫描,获取其距离及角度数据;提升时的扫描中心会产生偏移,使用基于图像处理的铅锤基准模块来标定扫描获得的数据;同时结合深度测量模块,将获得的井壁的距离及角度数据与高度信息结合,完成矿井井筒的三维点位信息的获取及重建分析。

Description

井壁扫描成像系统
技术领域
本发明属于扫描成像领域,涉及井壁扫描成像系统。
背景技术
随着煤矿开采的深度增加、矿井内装备的增加,矿山的立井井筒承受的压力不断增加,因此井筒极易产生变形且会影响其垂直度。而井筒是整个煤矿生产中的“咽喉”,其稳定程度和安全关系着整个煤矿生产的成败。因此对井筒进行变形监测是预防井筒变形产生灾害、保证煤矿生产安全的重要方法。而针对目前井筒变形监测的效率低、精度差的问题,需要研发一款高效高精度的井壁扫描成像系统。
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,而提供井壁扫描成像系统,该井壁扫描成像系统为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:井壁扫描成像系统,包括主控箱、支撑装置、测量模块、通信模块、电源模块和上位机,所述测量模块包括激光雷达扫描模块、深度测量模块和铅锤基准模块,所述通信模块包括第一通信模块和第二通信模块,
所述主控箱安装在罐笼上,所述主控箱侧面安装有人机交互界面,所述主控箱顶部安装有光屏,所述主控箱内部安装有主控板,
所述支撑装置包括伸缩杆和两个磁吸,所述磁吸安装在罐道梁上,所述伸缩杆的两端分别与两个磁吸连接,
所述激光雷达扫描模块包括扫描支架和激光雷达扫描仪,所述扫描支架设置在主控箱一侧,所述激光雷达扫描仪安装在扫描支架顶端,所述深度测量系统包括电感式接近开关和脉冲计数器,所述电感式接近开关安装在矿井提升机的滚筒一侧,所述脉冲计数器分别与电感式接近开关和上位机连接,所述铅锤基准模块包括激光垂准仪、相机支架和相机,所述激光垂准仪安装在伸缩杆上,所述相机支架设置在主控箱另一侧,所述相机安装在相机支架顶部,
所述第一通信模块包括网桥、主控箱局域网和上位机局域网,所述网桥用于将主控箱局域网和上位机局域网连接;所述第二通信模块包括依次连接的数传模块发送端、转lora数传电台、数传模块接收端和转USB模块,所述数传模块发送端与脉冲计数器连接,所述转USB模块与上位机连接,
所述电源模块包括电池、充电端口和开关,所述电池安装在主控箱内,所述充电口和开关设置在主控箱的侧面。
优选的,所述主控箱内底部设置有树脂板。
优选的,所述主控箱内设置有接线端子。
优选的,所述主控箱底部设置有底座,所述底座底部为磁吸材质,所述底座通过调节螺栓与主控箱底部连接。
优选的,所述主控箱侧面还安装有电量显示灯。
优选的,所述激光雷达扫描仪和相机的外壳材质均为铝。
有益效果:本发明应用于矿井井筒内部,通过在矿井井筒垂直方向移动来扫描井筒内壁的表面信息并以此建模,通过模型直接观测矿井井筒的变形、垂直度变化等形态特征信息并定量分析其变形情况;系统测量时在矿井井筒的中心线上下移动,并利用激光雷达扫描仪对四周井壁进行扫描,获取其距离及角度数据;提升时的扫描中心会产生偏移,使用基于图像处理的铅锤基准模块来标定扫描获得的数据;同时结合深度测量模块,将获得的井壁的距离及角度数据与高度信息结合,完成矿井井筒的三维点位信息的获取及重建分析。
附图说明
图1为井壁扫描成像系统矿井内布置主视结构示意图;
图2为井壁扫描成像系统矿井内布置俯视结构示意图;
图3为主控箱结构示意图;
图4为主控箱内部结构示意图;
图5为矿井提升机与罐笼连接结构示意图;
图6为第一通信模块传输信号框图;
图7为第二通信模块传输信号框图;
图中符号说明:1:主控箱;2:支撑装置;3:测量模块;4:通信模块;5:电源模块;6:激光雷达扫描模块;7:深度测量模块;8:铅锤基准模块;9:第一通信模块;10:第二通信模块;11:上位机;
100:矿井;200:罐笼;300:罐道梁;400:罐道;500:矿井提升机;600:滚筒;
101:人机交互界面;102:光屏;103:主控板;104:树脂板;105:接线端子;106:底座;107:调节螺栓;201:伸缩杆;202:磁吸;601:扫描支架;602:激光雷达扫描仪;701:电感式接近开关;702:脉冲计数器;801:激光垂准仪;802:相机支架;803:相机;901:网桥;902:主控箱局域网;903:上位机局域网;181:数传模块发送端;182:485转lora数传电台;183:数传模块接收端;184:485转USB模块;501:电池;502:充电端口;503:开关;504:电量显示灯。
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。
实施例1:
参考图1-7,本发明提供一种技术方案,井壁扫描成像系统,包括主控箱1、支撑装置2、测量模块3、通信模块4、电源模块5和上位机11,测量模块3包括激光雷达扫描模块6、深度测量模块7和铅锤基准模块8,通信模块4包括第一通信模块9和第二通信模块10,主控箱1安装在罐笼上,主控箱1侧面安装有人机交互界面101,主控箱1顶部安装有光屏102,主控箱1内部安装有主控板103,支撑装置2包括伸缩杆201和两个磁吸202,磁吸202安装在罐道梁上,伸缩杆201的两端分别与两个磁吸202连接,
激光雷达扫描模块6包括扫描支架601和激光雷达扫描仪602,扫描支架601设置在主控箱1一侧,激光雷达扫描仪602安装在扫描支架601顶端,深度测量系统7包括电感式接近开关701和脉冲计数器702,电感式接近开关701安装在矿井提升机的滚筒一侧,脉冲计数器702分别与电感式接近开关701和上位机11连接,铅锤基准模块8包括激光垂准仪801、相机支架802和相机803,激光垂准仪801安装在伸缩杆201上,相机支架802设置在主控箱1另一侧,相机803安装在相机支架802顶部,
第一通信模块9包括网桥901、主控箱局域网902和上位机局域网903,网桥901用于将主控箱局域网902和上位机局域网903连接;第二通信模块10包括依次连接的数传模块发送端181、485转lora数传电台182、数传模块接收端183和485转USB模块184,数传模块发送端181与脉冲计数器702连接,485转USB模块184与上位机11连接,
电源模块5包括电池501、充电端口502和开关503,电池501安装在主控箱1内,充电口502和开关503设置在主控箱1的侧面。
确定需要扫描成像的矿井100,将主控箱1安装在罐笼200上,将支撑装置2的磁吸202安装在罐道梁300上,伸缩杆201连接两端的磁吸202,激光垂准仪801安装在伸缩杆201上,可以随着伸缩杆201的左右伸缩而左右移动,矿井提升机500设置在地面上,矿井提升机500的缆绳连接罐笼200用于提升或者降低罐笼200的高度,在矿井提升机500的滚筒600外侧设置有电感式接近开关701,用于测量滚筒600的旋转圈数,滚筒600侧面有突起的螺栓,当滚筒600转动时,螺栓间隙的平面及螺栓交替出现,电感式接近开关701可以检测到螺栓的到来,在螺栓到来时触发闭合,从而产生脉冲,利用脉冲计数器702得到脉冲数,从而计算出滚筒的转动圈数,脉冲计数器702通过第二通信模块10与上位机11实现信息传输,主控箱1内的主控板103通过第一通信模块9与上位机11实现信息交互。
进一步地,主控箱1内底部设置有树脂板104,树脂板阻燃性能、隔音、抗冲击、抗化学腐蚀且硬度高较为轻盈,起到保护、减震、隔爆的作用。
进一步地,主控箱1内设置有接线端子105,使连接方便,方便增加传感器接线。
进一步地,主控箱1底部设置有底座106,底座106底部为磁吸材质,底座106通过调节螺栓107与主控箱1底部连接,磁吸材质底座106方便固定位置,调节螺栓107可以调节整个主控箱1的水平。
进一步地,主控箱1侧面还安装有电量显示灯504。
进一步地,激光雷达扫描仪602和相机803的外壳材质均为铝。
实施例2:
参考图1-7,在实施例1的基础上,安装完成后,使用该系统时,先通过电感式接近开关701采集滚筒600的旋转圈数并发送脉冲,利用脉冲计数器702记录脉冲数,通过第二通信模块10传入上位机11中得到高度数据,由于滚筒600距离放置于矿井100井口的上位机11为三百米左右,因此选择较短距离的无线模块来传输脉冲计数器702的数据即可满足要求,脉冲计数器702的输出接口为485总线,因此根据以上需求选择485转lora数传电台182,连接图如7所示,由数传模块发送端181将数据通过485转lora数传电台182传输给数传模块接收端183,其支持点对点传输,满足传输距离可达千米的需求,数传模块接收端183输出为485总线,通过485转USB模块184将信号接入上位机11,使得上位机11可以获取脉冲计数器702的数据从而计算运行里程,得知罐笼200提升或下降的高度;
然后通过激光垂准仪801从矿井100顶部投下铅锤激光光源,投射到光屏102上,通过固定相机支架802上的相机803采集光屏102上图像,通过主控板103将采集的信息通过第一通信模块9传输至上位机11,通过主控箱局域网902、网桥901和上位机局域网903实现远距离信息的传输,利用机器视觉技术对图像进行预处理及光斑定位,计算出光斑的中心坐标,每次扫描时计算坐标并与初始坐标对比,确定偏移量;然后利用光屏102上光斑作为基准,通过扫描支架601上的激光雷达扫描仪602进行水平360°扫描,三角测距法获得井壁坐标,将扫描得到的三维点云数据原始的点云数据经过平滑、去噪、重采样及分割,建立井壁模型;然后通过可视化界面,将井壁建模结果在上位机11显示;
其中预处理包括图像增强、滤波、锐化和光斑分割,图像增强采用直方图均衡化,滤波采用中值滤波法,光斑分割采用阈值分割法,计算出光斑的中心坐标采用灰度重心法;去噪采用双边滤波法,重采样处理采用移动最小二乘法,下采样处理采用最小三维体素栅格,点云数据的特征分割采用区域生长分割算法,三维模型重建采用泊松曲面重建。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。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 (6)

1.井壁扫描成像系统,其特征在于:包括主控箱(1)、支撑装置(2)、测量模块(3)、通信模块(4)、电源模块(5)和上位机(11),所述测量模块(3)包括激光雷达扫描模块(6)、深度测量模块(7)和铅锤基准模块(8),所述通信模块(4)包括第一通信模块(9)和第二通信模块(10),
所述主控箱(1)安装在罐笼上,所述主控箱(1)侧面安装有人机交互界面(101),所述主控箱(1)顶部安装有光屏(102),所述主控箱(1)内部安装有主控板(103),
所述支撑装置(2)包括伸缩杆(201)和两个磁吸(202),所述磁吸(202)安装在罐道梁(300)上,所述伸缩杆(201)的两端分别与两个磁吸(202)连接,
所述激光雷达扫描模块(6)包括扫描支架(601)和激光雷达扫描仪(602),所述扫描支架(601)设置在主控箱(1)一侧,所述激光雷达扫描仪(602)安装在扫描支架(601)顶端,所述深度测量模块(7)包括电感式接近开关(701)和脉冲计数器(702),所述电感式接近开关(701)安装在矿井提升机的滚筒一侧,所述脉冲计数器(702)分别与电感式接近开关(701)和上位机(11)连接,所述铅锤基准模块(8)包括激光垂准仪(801)、相机支架(802)和相机(803),所述激光垂准仪(801)安装在伸缩杆(201)上,所述相机支架(802)设置在主控箱(1)另一侧,所述相机(803)安装在相机支架(802)顶部,
所述第一通信模块(9)包括网桥(901)、主控箱局域网(902)和上位机局域网(903),所述网桥(901)用于将主控箱局域网(902)和上位机局域网(903)连接;所述第二通信模块(10)包括依次连接的数传模块发送端(181)、485转lora数传电台(182)、数传模块接收端(183)和485转USB模块(184),所述数传模块发送端(181)与脉冲计数器(702)连接,所述485转USB模块(184)与上位机(11)连接,
所述电源模块(5)包括电池(501)、充电端口(502)和开关(503),所述电池(501)安装在主控箱(1)内,所述充电口(502)和开关(503)设置在主控箱(1)的侧面。
2.根据权利要求1所述的井壁扫描成像系统,其特征在于:所述主控箱(1)内底部设置有树脂板(104)。
3.根据权利要求1所述的井壁扫描成像系统,其特征在于:所述主控箱(1)内设置有接线端子(105)。
4.根据权利要求1所述的井壁扫描成像系统,其特征在于:所述主控箱(1)底部设置有底座(106),所述底座(106)底部为磁吸材质,所述底座(106)通过调节螺栓(107)与主控箱(1)底部连接。
5.根据权利要求1所述的井壁扫描成像系统,其特征在于:所述主控箱(1)侧面还安装有电量显示灯(504)。
6.根据权利要求1所述的井壁扫描成像系统,其特征在于:所述激光雷达扫描仪(602)和相机(803)的外壳材质均为铝。
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