CN114320305A - 一种光学视觉竖井挖掘导向系统及导向方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学视觉竖井挖掘导向系统及导向方法，解决了现有技术中竖井导向测量复杂的问题。本发明光学视觉竖井挖掘导向系统，包括设置在竖井井口处的摄像设备和设置在掘进机上部的光源遮挡件，光源遮挡件内设有能自由转动的球形光源基座，所述球形光源基座上部设有均布的点光源，球形光源基座下部设有配重锤；摄像设备与球形光源基座相对应且均与后台控制器相连接。本发明通过环形布置的光源点和照相机，可自动独立地测量掘进机滚角偏差、倾角偏差和位移偏差测量，可提供给掘进机司机掘进倾斜角度，及时调整掘进角度，保证竖井的偏斜度，提高竖井施工工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及竖井施工技术领域，特别是指一种光学视觉竖井挖掘导向系统及导向方法。
背景技术
目前竖井施工，对竖井的偏斜要求比较高，在掘进过程中，由于受到地质条件、设备操作等因素影响，在掘进过程时必然会产生一定的偏斜，为了保证竖井偏斜控制在合理的范围之内，在掘进过程中必须对掘进方向进行检测，在掘进方向发生偏斜时进行纠偏。对掘进方向进行合理有效的纠偏，是保证竖井斜度重要的一步，同时也是竖井掘进技术领域一个重要的研究方向。
现有技术中如公告号为203081453U的一种基于图像识别的竖井盾构导向系统，需借助倾斜仪测量的数据对激光点位置进行修正，无法独立完成竖井盾构机偏斜角度测量。激光源放置在井口处，在成像时，激光源容易受外界光源干扰，随着井深度增加，激光发射器与激光靶距离增大，激光点亮度、大小都会随着掘进深度的加深而发生改变，成像效果不理想。而公布号为CN 109448048 A的基于labview的竖井激光导向偏差计算方法及导向装置能测量一个轴线方向的偏转角度，另外两个轴线方向的偏转角度需借助倾角仪来测量，不能仅通过激光点的位置计算出三个轴线方向的偏转角度。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种光学视觉竖井挖掘导向系统及导向方法，解决了现有技术中竖井导向测量复杂的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种光学视觉竖井挖掘导向系统，包括设置在竖井井口处的摄像设备和设置在掘进机上部的光源遮挡件，光源遮挡件内设有能自由转动的球形光源基座，所述球形光源基座上部设有均布的点光源，球形光源基座下部设有配重锤；摄像设备与球形光源基座相对应且均与后台控制器相连接。
所述摄像设备为工业相机，工业相机位于竖井井口的中心处且与球形光源基座相对应。所述点光源成环状嵌设在球形光源基座上，点光源分为四个象限，位于同一象限内的点光源光色一致，相邻两个象限内的点光源光色不同。
一种所述的光学视觉竖井挖掘导向系统的导向方法，步骤如下：
S1：掘进机施工前，调整设置在竖井井口处的摄像设备和设置在掘进机上的球形光源基座，确保球形光源基座上的所有点光源落入摄像设备的拍摄范围内，摄像设备中心轴线与球形光源基座中心轴线重合状态为初始状态；
S2：在初始状态下，摄像设备对球形光源基座进行拍照，作为初始状态图像信息，并将初始状态图像信息传输给后台控制器；
S3：掘进机开始施工，摄像设备对球形光源基座进行拍照，作为当前掘进状态图像信息，并将当前掘进状态图像信息传输给后台控制器；
S4：将当前掘进状态图像信息与初始状态图像信息进行对比分析，计算掘进机的滚角、倾角及水平位移偏差；
S5：根据步骤S4中得到的滚角，将掘进机主机反向旋转与所述滚角相同的角度，实现掘进机滚动纠偏；
S6：根据步骤S4中得到的倾角，反方向调节掘进机主机，实现掘进机倾角纠偏；
S7：根据步骤S4中得到的水平位移偏差，反方向调节掘进机主机，实现掘进机偏移纠偏。
在步骤S3掘进机开始施工过程中，球形光源基座下部设有配重锤，当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，配重锤在重力作用下，使球形光源基座始终保持竖直，而球形光源基座上的点光源的部分光源点会被光源遮挡件遮挡，摄像设备对球形光源基座进行拍照，被遮挡点光源的位置、数量及光色作为步骤S4的计算基础参数。
步骤S4中计算掘进机的滚角的具体步骤如下：
S4.1：建立坐标系：球形光源基座上球面最高点上有一光源点，以该点作为原点坐标，设定原点所在水平面为X-Y平面；通过原点坐标且垂直X-Y平面的轴线设定为Z轴方向，且向上为Z轴正方向；球形光源基座上有两条互相垂直的环线且相交于原点，分别设为X轴和Y轴；
S4.2：初始状态图像信息中，初始状态X轴的位置为OX；根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源的位置与数量，确定当前状态下X轴的位置为OX1；
S4.3：后台控制器将步骤S4.2中OX与OX1的位置进行转换，得到OX与OX1之间的夹角，OX与OX1之间的夹角即为掘进机的滚角。
步骤S4中计算掘进机的倾角的具体步骤如下：A1：球形光源基座上的点光源被X轴和Y轴分为四个象限，每个象限内的点光源对应一种颜色，不同象限点光源的颜色不同；
A2：当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源的光色，判断掘进机倾斜方向；
A3：根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源相对初始状态图像信息中点光源的位置和数量，计算掘进机倾斜角度。
步骤S4中计算掘进机的水平位移偏差的具体如下：初始状态时，设原点坐标处的点光源坐标为(0，0)，当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，设原点坐标处的点光源坐标变为(x，y)，通过后台控制器对初始状态图像信息和当前掘进状态图像信息进行图像对比处理，得到X轴向偏移距离为x，Y轴向偏移距离为y；x，y即为掘进机的水平位移偏差。
根据步骤A3所得的倾角，对掘进机进行与倾角相同角度的反向偏转，实现掘进机倾角纠偏；根据所得的水平位移偏差，对掘进机进行与X轴向偏移距离相同距离的反向偏移，对掘进机进行与Y轴向偏移距离相同距离的反向偏移，实现掘进机偏移纠偏。
掘进深度测量：依据摄像设备成像原理，当成像清晰时，通过镜片的焦距和像距镜片中心的距离，可计算出点光源与镜片中心的距离，从而可计算出掘进深度。
本发明通过环形布置的光源点和照相机，可自动独立地测量掘进机滚角偏差、倾角偏差和位移偏差测量，可提供给掘进机司机掘进倾斜角度，及时调整掘进角度，保证竖井的偏斜度，提高竖井施工工作效率。本发明与现有的竖井掘进机导向系统相比，本导向系统结构紧凑，占用空间少，为整机节省空间；此外本发明成本更低，无需传感器，无需借助倾角仪，结构简约，故障率更低；本发明采用二维平面计算，使其数据获取简单高效，计算效率高，确保竖井掘进机的高精度高效掘进。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明导向系统结构布置示意图。
图2为本发明光源遮挡件与球形光源基座配合状态示意图。
图3为滚角计算建模示意图。
图4为倾角计算建模示意图。
图5为水平位移偏差计算建模示意图。
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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，实施例1，一种光学视觉竖井挖掘导向系统，包括设置在竖井井口处的摄像设备6和设置在掘进机1上部的光源遮挡件4，掘进机1为现有的竖井掘进机，光源遮挡件4内设有能自由转动的球形光源基座3。摄像设备6与球形光源基座3相对应且均与后台控制器相连接。摄像设备6能对球形光源基座3进行拍照，并能将图像信息传递给后台控制器。所述球形光源基座3上部设有均布的点光源，球形光源基座在初始状态下的最高点处必须设置一点光源，球形光源基座3下部设有配重锤5。光源遮挡件内设有球形槽，球形槽内设有球形光源基座，球形光源基座能在球形槽内自由转动；在配重锤的作用下球形光源基座始终保持竖直，而由于掘进机的倾斜带动光源遮挡件偏斜，光源遮挡件对球形光源基座上相应位置上的点光源被遮挡，摄像设备对其拍照，后台控制器根据图像信息对比，进而判断掘进机偏斜程度，并通过相应的反向操作，对掘进机主机进行调整，起到精确、实时导向作用，提高竖井施工工作效率。
作为优选方案，如图2所示，所述摄像设备6为工业相机，工业相机位于竖井井口的中心处且确保球形光源基座3上的所有点光源落入摄像设备6的拍摄范围内。所述点光源成环状嵌设在球形光源基座3上，其中一个点光源位于同心环的圆心处，即球形光源基座上部最高点设有一个点光源。同一水平截面上的点光源分为四个象限，位于同一象限内的点光源光色一致，相邻两个象限内的点光源光色不同，便于倾角的计算。
实施例2：一种实施例1所述的光学视觉竖井挖掘导向系统的导向方法，步骤如下：S1：掘进机施工前，调整设置在竖井井口处的摄像设备6和设置在掘进机上的球形光源基座3，确保球形光源基座3上的所有点光源落入摄像设备6的拍摄范围内，摄像设备6中心轴线与球形光源基座3中心轴线重合状态为初始状态。
S2：在初始状态下，摄像设备6对球形光源基座3进行拍照，作为初始状态图像信息，并将初始状态图像信息传输给后台控制器；球形光源基座上点光源的位置信息已知且均记录在后台控制器内。
S3：掘进机开始施工，摄像设备6对球形光源基座3进行拍照，作为当前掘进状态图像信息，并将当前掘进状态图像信息传输给后台控制器；后台控制器对图像信息进行分析处理，将图片信息转化为数字信息。
具体原理为：掘进机开始施工过程中，球形光源基座3下部设有配重锤5，当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，配重锤5在重力作用下，使球形光源基座3始终保持竖直，而球形光源基座3上的点光源的部分光源点会被光源遮挡件4遮挡，摄像设备6对球形光源基座3进行拍照，被遮挡点光源的位置、数量及光色作为步骤S4的计算基础参数。
S4：将当前掘进状态图像信息与初始状态图像信息进行对比分析，计算掘进机的滚角、倾角及水平位移偏差。
计算掘进机的滚角的具体步骤如下，如图3所示：
S4.1：建立坐标系：球形光源基座3上球面最高点上有一光源点，以该点作为原点坐标，设定原点所在水平面为X-Y平面；通过原点坐标且垂直X-Y平面的轴线设定为Z轴方向，且向上为Z轴正方向；球形光源基座上有两条互相垂直的环线且相交于原点，分别设为X轴和Y轴；
S4.2：初始状态图像信息中，初始状态X轴的位置为OX；根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源的位置与数量，确定当前状态下X轴的位置为OX1；
S4.3：后台控制器将步骤S4.2中OX与OX1的位置进行转换，得到OX与OX1之间的夹角，OX与OX1之间的夹角即为掘进机的滚角；即运动后X轴与初始状态X轴的夹角即为掘进机的滚角。
计算掘进机的倾角的具体步骤如下，如图4所示：
A1：球形光源基座3上的点光源被X轴和Y轴分为四个象限，每个象限内的点光源对应一种颜色，不同象限点光源的颜色不同；初始状态下所有光源点无遮挡，照相机对光源进行拍照。
A2：当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源的光色，判断掘进机倾斜方向，即X方向上的倾斜、Y方向上的倾斜。
A3：根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源相对初始状态图像信息中点光源的位置和数量，计算掘进机倾斜角度，即X方向上的倾斜角度、Y方向上的倾斜角度。即运动后状态：球形光源上部分光源被遮挡，照相机进行拍照，通过计算机图像处理与初始状态对比，可以观察到被遮挡光源的颜色，位置和数量。如：当一颗光源点被遮挡时，掘进机倾斜0.1度，当三颗光源点被遮挡时，掘进机倾斜了0.2度。通过被遮挡光源的颜色和位置判断出掘进机倾斜的方向，如当被遮挡了三颗光源点，中间的一颗位于X轴正方向上，此时掘进机就是绕Y轴倾斜了0.2度，方向为绕Y轴逆时针方向。
计算掘进机的水平位移偏差的具体如下，如图5所示：
运动后原点与初始状态原点坐标分别与Y轴、X轴的距离，即为X向偏差和Y向偏差。
初始状态时，设原点坐标处的点光源坐标为(0，0)，当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，设原点坐标处的点光源坐标变为(x，y)，通过后台控制器对初始状态图像信息和当前掘进状态图像信息进行图像对比处理，得到X轴向偏移距离为x，Y轴向偏移距离为y；x，y即为掘进机的水平位移偏差。
S5：根据步骤S4中得到的滚角，将掘进机主机反向旋转与所述滚角相同的角度，实现掘进机滚动纠偏；
S6：根据步骤S4中得到的倾角，反方向调节掘进机主机，实现掘进机倾角纠偏。具体为根据所得的倾角，对掘进机X轴反向偏转与X方向上的倾斜角度相同的角度，对掘进机Y轴反向偏转与Y方向上的倾斜角度相同的角度，实现掘进机倾角纠偏。
S7：根据步骤S4中得到的水平位移偏差，反方向调节掘进机主机，实现掘进机偏移纠偏。具体为根据所得的水平位移偏差，对掘进机X方向上反向偏移与掘进机X向偏差相同的距离，对掘进机Y方向上反向偏移与掘进机Y向偏差相同的距离，实现掘进机偏移纠偏。
此外，还可计算掘进深度测量。具体为：依据摄像设备6成像原理，当成像清晰时，通过镜片的焦距和像距镜片中心的距离，可计算出点光源与镜片中心的距离，从而可计算出掘进深度。或结合激光方式进行深度测量也可利用垂线测距方式进行深度测量。
通过以上步骤实现对竖井掘进机掘进方向的检测与调整。与现有的竖井掘进机导向系统相比，本导向系统结构紧凑，占用空间少，为整机节省空间。成本更低，无需传感器，结构简约，故障率更低，本申请采用二维平面计算，使其数据获取简单高效，计算效率高，无需借助倾角仪。
以上所述仅为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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学视觉竖井挖掘导向系统，其特征在于：包括设置在竖井井口处的摄像设备(6)和设置在掘进机(1)上部的光源遮挡件(4)，光源遮挡件(4)内设有能自由转动的球形光源基座(3)，所述球形光源基座(3)上部设有均布的点光源，球形光源基座(3)下部设有配重锤(5)；摄像设备(6)与球形光源基座(3)相对应且均与后台控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的光学视觉竖井挖掘导向系统，其特征在于：所述摄像设备(6)为工业相机，工业相机位于竖井井口的中心处且与球形光源基座(3)对应。
3.根据权利要求1或2所述的光学视觉竖井挖掘导向系统，其特征在于：所述点光源成环状嵌设在球形光源基座(3)上，点光源分为四个象限，位于同一象限内的点光源光色一致，相邻两个象限内的点光源光色不同。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的光学视觉竖井挖掘导向系统的导向方法，其特征在于：步骤如下：
S1：掘进机施工前，调整设置在竖井井口处的摄像设备(6)和设置在掘进机上的球形光源基座(3)，确保球形光源基座(3)上的所有点光源落入摄像设备(6)的拍摄范围内，摄像设备(6)中心轴线与球形光源基座(3)中心轴线重合状态为初始状态；
S2：在初始状态下，摄像设备(6)对球形光源基座(3)进行拍照，作为初始状态图像信息，并将初始状态图像信息传输给后台控制器；
S3：掘进机开始施工，摄像设备(6)对球形光源基座(3)进行拍照，作为当前掘进状态图像信息，并将当前掘进状态图像信息传输给后台控制器；
S4：将当前掘进状态图像信息与初始状态图像信息进行对比分析，计算掘进机的滚角、倾角及水平位移偏差；
S5：根据步骤S4中得到的滚角，将掘进机主机反向旋转与所述滚角相同的角度，实现掘进机滚动纠偏；
S6：根据步骤S4中得到的倾角，反方向调节掘进机主机，实现掘进机倾角纠偏；
S7：根据步骤S4中得到的水平位移偏差，反方向调节掘进机主机，实现掘进机偏移纠偏。
5.根据权利要求4所述的导向方法，其特征在于：在步骤S3掘进机开始施工过程中，球形光源基座(3)下部设有配重锤(5)，当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，配重锤(5)在重力作用下，使球形光源基座(3)始终保持竖直，而球形光源基座(3)上的点光源的部分光源点会被光源遮挡件(4)遮挡，摄像设备(6)对球形光源基座(3)进行拍照，被遮挡点光源的位置、数量及光色作为步骤S4的计算基础参数。
6.根据权利要求5所述的导向方法，其特征在于：步骤S4中计算掘进机的滚角的具体步骤如下：
S4.1：建立坐标系：球形光源基座(3)上球面最高点上有一光源点，以该点作为原点坐标，设定原点所在水平面为X-Y平面；通过原点坐标且垂直X-Y平面的轴线设定为Z轴方向，且向上为Z轴正方向；球形光源基座上有两条互相垂直的环线且相交于原点，分别设为X轴和Y轴；
S4.2：初始状态图像信息中，初始状态X轴的位置为OX；根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源的位置与数量，确定当前状态下X轴的位置为OX1；
S4.3：后台控制器将步骤S4.2中OX与OX1的位置进行转换，得到OX与OX1之间的夹角，OX与OX1之间的夹角即为掘进机的滚角。
7.根据权利要求5或6所述的导向方法，其特征在于：步骤S4中计算掘进机的倾角的具体步骤如下：A1：球形光源基座(3)上的点光源被X轴和Y轴分为四个象限，每个象限内的点光源对应一种颜色，不同象限点光源的颜色不同；
A2：当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源的光色，判断掘进机倾斜方向；
A3：根据当前掘进状态图像信息中被遮挡点光源相对初始状态图像信息中点光源的位置和数量，计算掘进机倾斜角度。
8.根据权利要求7所述的导向方法，其特征在于：步骤S4中计算掘进机的水平位移偏差的具体如下：初始状态时，设原点坐标处的点光源坐标为(0，0)，当掘进机在掘进过程中发生偏斜时，设原点坐标处的点光源坐标变为(x，y)，通过后台控制器对初始状态图像信息和当前掘进状态图像信息进行图像对比处理，得到X轴向偏移距离为x，Y轴向偏移距离为y；x，y即为掘进机的水平位移偏差。
9.根据权利要求8所述的导向方法，其特征在于：根据步骤A3所得的倾角，对掘进机进行与倾角相同角度的反向偏转，实现掘进机倾角纠偏；根据所得的水平位移偏差，对掘进机进行与X轴向偏移距离相同距离的反向偏移，对掘进机进行与Y轴向偏移距离相同距离的反向偏移，实现掘进机偏移纠偏。
10.根据权利要求4、5、6、8、9任一项所述的导向方法，其特征在于：掘进深度测量：依据摄像设备(6)成像原理，当成像清晰时，通过镜片的焦距和像距镜片中心的距离，可计算出点光源与镜片中心的距离，从而可计算出掘进深度。
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