CN114705682A - 一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，涉及岩石工程技术领域。该装置包括智能视觉探测仪、五轴机械臂、运动控制器和上位机；智能视觉探测仪安装在五轴机械臂上，对各种环境下任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测，并将探测结果传输到上位机；运动控制器用于控制五轴机械臂的运动，进而带动智能视觉探测仪对任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测；上位机内置识别成像系统，根据智能视觉探测仪的探测结果进行岩体结构识别成像。该装置能够对各种环境下任意维度空间岩石工程的岩体结构进行智能视觉探测，采集岩体结构信息，实现岩体结构的智能、快速、多维度、高精度、实时的探测识别成像。

Description

一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，尤其涉及一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置。

背景技术

在人类的工程活动中，矿产资源开发、水利资源的开发、铁路公路建设等，诸如：采矿工程、铁路工程、水电工程等，均与地质环境中的岩石相关，属于岩石工程范畴。岩石工程所涉及的由结构面和岩块组成的岩体称为工程岩体，是岩石工程稳定性分析的物质基础，其中岩体结构是岩石工程设计、稳定性分析与灾害防控的关键因素。多年来，对于岩体结构探测主要是通过工程地质或岩石力学工程师采用测线法人工量测，人工量测岩体结构低效、费力、耗时、安全性差，难以满足现代岩体工程快速施工的要求，且属于二维层面描述结构，不能全面反映岩体结构空间分布；为提高岩体结构探测的全面性和空间性，发展了统计窗法描述岩体结构特征，统计窗法包括矩形统计窗法和圆形统计窗法，但无论采用测线法和统计窗法获取的岩体结构信息不够完备和精细，岩体结构的拓延规模依然不明确，与实际岩石工程不符。为提高岩体结构识别质量，摄影测量技术得到快速发展，摄影测量技术是一种非接触测量手段，主要应用计算机三维成像技术、影像匹配、模式识别等理论与方法，获取岩石工程表面的三维岩体结构，但摄影测量技术受照明、空间条件限制、且不能在巷（隧）道等岩石工程全三维空间尺度岩体结构量测；为实现全空间尺度岩体结构量测，三维激光扫描技术被应用于岩体结构量测，三维激光扫描技术不但能够测量识别岩体结构，而且能够构建工程岩体全空间尺度实体模型，但三维激光扫描量测精度受被测岩石工程激光反射率影响，测量合作目标差的岩石工程，误差达米级别，误差大；三维激光扫描获取的岩体结构点云数据噪声复杂、点云分布不均匀，无法保证点云数据矢量、曲率等微积分几何特征等问题，且设备多为国外进口产品、价格昂贵，应用率低。

究其原因，现有的岩体结构探测仪器以摄影测量技术或三维激光扫描成像技术为主，在现场应用摄影测量或三维激光扫描技术在静止或者运动中探测岩体结构信息时，从不同角度对同一岩体结构表面进行多次测量，在现场放置参照标识物作为参考坐标，标记现场典型岩体结构的几何空间特征参数（倾向、倾角、走向、迹长等）；探测仪器自带的岩体结构分析软件系统对探测获取的图像或点云数据处理，通过现场标识物坐标和标记好的典型岩体结构几何空间特征参数（倾向、倾角、走向、迹长等），生成岩体结构3D数字化图像；专业技术人员进一步依据探测获取的典型岩体结构几何空间特征参数，在电脑屏幕手动标注、拾取全部岩体结构几何空间特征参数，无法智能生成探测区域全部岩体结构特征参数。因此，为实现岩体结构精准、快速、智能化探测识别成像，满足岩体结构高空间分辨率、高精度和全空间尺度的量测要求，分析岩体结构工程属性，满足岩体结构三维建模和稳定性评价需求，减轻劳动强度，亟需开发一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置。

线激光雷达立体视觉相机具有以下特点：

1. 高精度、高性能，精细化数据管理

①点云数据最高定位精度可达3um；

②点云数据及彩色数据融合精度小于0.2mm；

③每秒最高可输出400万点云数据；

④1ms内输出彩色及深度图像信息数据；

2. 大景深、大视野，满足各种视野范围应用

①近端视场：450mm（L）×700mm（W）@0.5m

②远端视场：2700mm（L）×4200mm（W）@3m

③可多组线激光雷达立体视觉相机融合，拓展更大检测视野；

3. 灵活配置，快速系统对接

①可灵活设置检测区域，过滤掉无用区域；

②可更换不同焦距及不同种类镜头，并可调节相机的瞳距变化来满足不同场景精度需求；

③提供SDK、Modbus Tcp、Tcp/Ip等多种系统对接方式，快速系统集成；

4. 智能终端，模块化设计，让应用落地更加方便快捷

①内嵌高性能图像处理板，无需额外工控上位机；

②出厂相机内参标定，快速实施部署，方便快捷；

③图像采集、处理、分析、输出实时性更快、更准；

5. 适应性强，支持多种复杂场景

①可对反光及吸光物体进行高精度检测；

②可通过自动曝光来满足不同光照条件下的精准检测；

③IP65工业等级，航空插头接口，封闭式铝合金外壳设计；

④更好应对粉尘、震动、潮湿、电磁干扰、高低温等恶劣环境；

线激光雷达立体视觉相机采用完全终端智能化设计，利用双目视差原理进行立体数据重建，可直接在相机端标准输出立体点云数据模型、深度图等，并可在相机端嵌入多种应用智能化算法，包括但不限于立体定位、物体计数、流量监控、物体测量、物体表面检测等算法，无需额外集成工控上位机。在大视野扫描、低处理时延、高精度定位处于行业领先水平，可广泛适用于仓储物流、烟草行业物流、海盐运输、石料运输、钢铁出入库管理、工业抓取、轮胎检测等行业的智能化改造需求，具有以下特点：

· 嵌入式算法：可直接输出结果数据对接第三方系统或PLC；

· 低处理时延：线扫点云数据输出小于1ms，应用结果计算输出小于10ms；

· 大景深大视野：单相机在毫米级下满足3米视野宽度，2米景深范围；

· 高精度：最高检测精度可达3um；

· 支持物体高速运动：可适应6m/s运动传送带的实时处理需求；

· 支持变速运动场景：支持外部脉冲编码器的信号接入及速度接口软触发对接

· 支持多相机融合：可融合两个以及多个相机来满足超大视野建模；

· 环境适应性强：在室内外、昏暗环境下也能正常使用；

· 支持多种工作触发模式：软触发、电平触发、脉冲触发等来适应不同客户相机的使用需求；

· 适应多种复杂场景：对反光以及吸光的物体都可进行高精度的三维重建；

· 工业级设计：采用航空插头接口，IP65外壳设计，满足工业场景使用需求；

· 灵活定制：可跟进客户使用场景定制硬件来满足客户需求。

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，提供一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，实现对各种环境下任意维度空间岩石工程的岩体结构智能视觉探测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，包括智能视觉探测仪、五轴机械臂、运动控制器和上位机；所述智能视觉探测仪安装在五轴机械臂上，对各种环境下任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测，并将探测结果传输到上位机；所述运动控制器用于控制五轴机械臂的运动，进而带动智能视觉探测仪对任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测；所述上位机内置识别成像系统，根据智能视觉探测仪的探测结果进行岩体结构识别成像。

优选地，所述智能视觉探测仪包括线激光雷达立体视觉相机、线激光雷达辅助器、三轴陀螺仪和通讯模块；所述线激光雷达立体视觉相机和线激光雷达辅助器沿岩体结构逐帧扫描，获得岩体结构的点云数据图像；所述三轴陀螺仪分别与激光雷达立体视觉相机和线激光雷达辅助器定位连接，感知空间位置，为激光雷达立体视觉相机和线激光雷达辅助器提供空间位置坐标；线激光雷达立体视觉相机获得的岩体结构的点云数据图像和线激光雷达辅助器获得的点云数据图像均通过通讯模块传输到上位机，上位机通过线激光雷达辅助器采集的点云数据图像对线激光雷达立体视觉相机采集的点云数据图像进行补充校正，获得优质的岩体结构点云数据。

优选地，所述线激光雷达立体视觉相机依据与所测岩体结构间距离，动态调整视觉相机焦距，确保探测数据质量，视觉相机焦距调整范围为55mm-600mm，测量景深为150mm-5000mm。

优选地，所述五轴机械臂能够搭载多种平台，包括依次连接的底座、基座、第一支撑臂、连接臂、第二支撑臂、第三支撑臂、伸缩臂和前端连接盘；所述第一支撑臂设置有水平转动电机，用于带动第一支撑臂水平转动；所述连接臂设置有第一转动电机，用于实现连接臂相对于第一支撑臂转动；所述第二支撑臂设置有第二转动电机，用于实现第二支撑臂相对于连接臂转动，所述伸缩臂设置有旋转电机，用于带动伸缩臂旋转，旋转电机安装在第二支撑臂远离连接臂的一端；所述第三支撑臂与旋转电机连接，第三支撑臂带动伸缩臂相对于第二支撑臂转动；第一支撑臂、连接臂、第二支撑臂和第三支撑臂依次采用转轴实现转动连接；底座与基座以及伸缩臂与前端连接盘均采用插销式连接；所述前端连接盘与智能视觉探测仪连接；所述基座内部设置有电源模块和WIFI通讯模块；所述电源模块为五轴机械臂内所有用电设备供电；五轴机械臂的每个轴部均设置有姿态感知传感器，用于采集各轴部的姿态数据，并通过WIFI通讯模块传输到运动控制器。

优选地，所述五轴机械臂的机械臂端头上下移动范围为0.5m-3.5m，能够绕水平转动电机转动360°，实现任意空间探测，防护等级为IP67。

优选地，所述水平转动电机、第一转动电机和第二转动电机均采用步进电机，步进电机编码器精度为0.01°，能够360°旋转。

优选地，所述姿态感知传感器的角度分辨率为0.01°，俯仰倾斜范围为±85°，输出速率为10Hz-500Hz。

优选地，所述旋转电机采用伺服电机，驱动伸缩臂360°转动，所述伸缩臂的自由伸缩范围为0m-1m。

优选地，所述前端连接盘与智能视觉探测仪定位强磁连接。

优选地，所述运动控制器包括控制板和通讯系统，控制板通过通讯系统与五轴机械臂各轴部设置的各姿态感知传感器实时通讯，协调控制五轴机械臂的多自由度运动；所述通讯系统的输出速率为10Hz-500Hz，频率响应时间为0.001s。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，可对各种环境下任意维度空间岩石工程的岩体结构进行智能视觉探测，采集岩体结构信息，实时识别成像岩体结构，并可与各种平台搭载，实现岩体结构的智能、快速、多维度、高精度、实时的探测识别成像。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的智能视觉探测仪的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的五轴机械臂结构示意图。

图中：1、线激光雷达立体视觉相机；2：线激光雷达辅助器；3、三轴陀螺仪；4、通讯模块；5、底座；6、基座；7、水平转动电机；8、第一支撑臂；9、第一转动电机；10、连接臂；11、第二转动电机；12、第二支撑臂；13、第三支撑臂；14、旋转电机；15、伸缩臂；16、前端连接盘；17、智能视觉探测仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中，一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，如图1所示，包括智能视觉探测仪、五轴机械臂、运动控制器和上位机；所述智能视觉探测仪安装在五轴机械臂上，对各种环境下任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测，并将探测结果传输到上位机；所述运动控制器用于控制五轴机械臂的运动，进而带动智能视觉探测仪对任意维度空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测；所述上位机内置识别成像系统，根据智能视觉探测仪的探测结果进行岩体结构识别成像。

所述智能视觉探测仪如图2所示，包括线激光雷达立体视觉相机1、线激光雷达辅助器2、三轴陀螺仪3和通讯模块4；所述线激光雷达立体视觉相机1和线激光雷达辅助器2沿岩体结构逐帧扫描，获得岩体结构的点云数据图像；所述三轴陀螺仪3分别与激光雷达立体视觉相机1和线激光雷达辅助器2定位连接，感知空间位置，为激光雷达立体视觉相机1和线激光雷达辅助器2提供空间位置坐标；线激光雷达立体视觉相机1获得的岩体结构的点云数据图像和线激光雷达辅助器2获得的点云数据图像均通过通讯模块4传输到上位机。上位机通过线激光雷达辅助器2采集的点云数据图像对线激光雷达立体视觉相机1采集的点云数据图像进行补充校正，获得优质的岩体结构点云数据；再通过内置的识别成像系统，利用优质的的岩体结构点云数据实现岩体结构的识别成像。线激光雷达立体视觉相机1能够依据与所测岩体结构间距离，动态调整视觉相机焦距，确保探测数据质量，视觉相机焦距调整范围为55mm-600mm，测量景深为150mm-5000mm。本实施例中，线激光雷达立体视觉相机1型号为VZ-RGBD-2000G、线激光雷达辅助器2型号为VZ-ZHL-3000G。

五轴机械臂能够与人车、运矿卡车等多种平台搭载，如图3所示，包括依次连接的底座5、基座6、第一支撑臂8、连接臂10、第二支撑臂12、第三支撑臂13、伸缩臂15和前端连接盘16，所述第一支撑臂8设置有水平转动电机7，用于带动第一支撑臂8水平转动；所述连接臂10设置有第一转动电机9，用于实现连接臂10相对于第一支撑臂8转动；所述第二支撑臂12设置有第二转动电机11，用于实现第二支撑臂12相对于连接臂10转动，所述伸缩臂15设置有旋转电机14，用于带动伸缩臂15旋转，旋转电机14安装在第二支撑臂12远离连接臂10的一端；所述第三支撑臂13与旋转电机14连接，第三支撑臂13带动伸缩臂15相对于第二支撑臂12转动；第一支撑臂8、连接臂10、第二支撑臂12和第三支撑臂13依次采用转轴实现转动连接；底座5与基座6以及伸缩臂15与前端连接盘16均采用插销式连接；前端连接盘16与智能视觉探测仪17定位强磁连接；所述基座6内部设置有电源模块和WIFI通讯模块；所述电源模块为五轴机械臂内所有用电设备供电；五轴机械臂的每个轴部均设置有姿态感知传感器，用于采集各轴部的姿态数据，并通过WIFI通讯模块传输到运动控制器。本实施例中，根据实际需要，将底座5与适宜的搭载平台通过螺栓连接；

本实施例中，五轴机械臂的机械臂端头上下移动范围为0.5m-3.5m，能够绕水平转动电机7转动360°，实现任意空间探测，防护等级IP67。水平转动电机7、第一转动电机9和第二转动电机11均采用步进电机，步进电机编码器精度为0.01°，能够360°旋转。各轴部上设置的姿态感知传感器的角度分辨率为0.01°，俯仰倾斜范围为±85°，输出速率为10Hz-500Hz。旋转电机14采用伺服电机，调控伸缩臂360°转动，伸缩臂15的自由伸缩范围为0m-1m。

本实施例中，运动控制器包括控制板和通讯系统，控制板通过通讯系统与五轴机械臂各轴部上设置的姿态感知传感器实时通讯，协调控制五轴机械臂的多自由度运动；所述通讯系统的输出速率为10Hz-500Hz，频率响应时间为0.001s。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：包括智能视觉探测仪、五轴机械臂、运动控制器和上位机；所述智能视觉探测仪安装在五轴机械臂上，对各种环境下任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测，并将探测结果传输到上位机；所述运动控制器用于控制五轴机械臂的运动，进而带动智能视觉探测仪对任意空间岩石工程的岩体结构进行360°全方位视觉探测；所述上位机内置识别成像系统，根据智能视觉探测仪的探测结果进行岩体结构识别成像。

2.根据权利要求1所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述智能视觉探测仪包括线激光雷达立体视觉相机、线激光雷达辅助器、三轴陀螺仪和通讯模块；所述线激光雷达立体视觉相机和线激光雷达辅助器沿岩体结构逐帧扫描，获得岩体结构的点云数据图像；所述三轴陀螺仪分别与激光雷达立体视觉相机和线激光雷达辅助器定位连接，感知空间位置，为激光雷达立体视觉相机和线激光雷达辅助器提供空间位置坐标；线激光雷达立体视觉相机获得的岩体结构的点云数据图像和线激光雷达辅助器获得的点云数据图像均通过通讯模块传输到上位机，上位机通过线激光雷达辅助器采集的点云数据图像对线激光雷达立体视觉相机采集的点云数据图像进行补充校正，获得优质的岩体结构点云数据。

3.根据权利要求2所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述线激光雷达立体视觉相机依据与所测岩体结构间距离，动态调整视觉相机焦距，确保探测数据质量，视觉相机焦距调整范围为55mm-600mm，测量景深为150mm-5000mm。

4.根据权利要求1所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述五轴机械臂能够搭载多种平台，包括依次连接的底座、基座、第一支撑臂、连接臂、第二支撑臂、第三支撑臂、伸缩臂和前端连接盘；所述第一支撑臂设置有水平转动电机，用于带动第一支撑臂水平转动；所述连接臂设置有第一转动电机，用于实现连接臂相对于第一支撑臂转动；所述第二支撑臂设置有第二转动电机，用于实现第二支撑臂相对于连接臂转动，所述伸缩臂设置有旋转电机，用于带动伸缩臂旋转，旋转电机安装在第二支撑臂远离连接臂的一端；所述第三支撑臂与旋转电机连接，第三支撑臂带动伸缩臂相对于第二支撑臂转动；第一支撑臂、连接臂、第二支撑臂和第三支撑臂依次采用转轴实现转动连接；底座与基座以及伸缩臂与前端连接盘均采用插销式连接；前端连接盘与智能视觉探测仪连接；所述基座内部设置有电源模块和WIFI通讯模块；所述电源模块为五轴机械臂内所有用电设备供电；五轴机械臂的每个轴部均设置有姿态感知传感器，用于采集各轴部的姿态数据，并通过WIFI通讯模块传输到运动控制器。

5.根据权利要求4所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述五轴机械臂的机械臂端头上下移动范围为0.5m-3.5m，能够绕水平转动电机转动360°，实现任意空间探测，防护等级为IP67。

6.根据权利要求4所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述水平转动电机、第一转动电机和第二转动电机均采用步进电机，步进电机编码器精度为0.01°，能够360°旋转。

7.根据权利要求4所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述姿态感知传感器的角度分辨率为0.01°，俯仰倾斜范围为±85°，输出速率为10Hz-500Hz。

8.根据权利要求4所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述旋转电机采用伺服电机，驱动伸缩臂360°转动，所述伸缩臂的自由伸缩范围为0m-1m。

9.根据权利要求4所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述前端连接盘与智能视觉探测仪定位强磁连接。

10.根据权利要求4所述的一种岩体结构智能视觉探测识别成像装置，其特征在于：所述运动控制器包括控制板和通讯系统，控制板通过通讯系统与五轴机械臂各轴部设置的各姿态感知传感器实时通讯，协调控制五轴机械臂的多自由度运动；所述通讯系统的输出速率为10Hz-500Hz，频率响应时间为0.001s。

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