一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法技术

本发明专利技术涉及一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，适用于井下锚杆受力的非接触式测量法，具体是采用CCD相机拍摄托盘变形前后的多幅图像，采用数字散斑相关技术对被测托盘表面变形前后的多幅图像进行空间识别，计算得到三维坐标，拟合建立托盘表面变形前后的三维模型，获得托盘表面变形前后数据；通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷；本发明专利技术较传统的应变片和位移传感器、锚杆拉拔器和液压枕，托盘载荷可视化数字成像技术使用简单方便，快速实现三维变形和应变测量。

【技术实现步骤摘要】
一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法
本专利技术涉及一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，适用于井下及隧道锚杆受力的非接触式测量法。
技术介绍
锚杆是采矿工程中应用最广泛的支护加固方式，锚杆载荷观测的目的是分析巷道在服务期间锚杆的载荷变化情况，监测锚杆工作状态，可为调整和修改支护参数提供实测依据。而锚杆安装于钻孔中，处于密闭状态，无法直接观察其进行应力应变，传统的接触式测量方法，如应变片、光纤传感器、位移传感器等，存在功能单一、测量点少、数据有限，且理论计算误差较大的缺点；而非接触式视觉测量方法，以其快捷和方便性而发展迅速，正从传统的标志点坐标视觉测量逐步发展到三维全场视觉测量。只有测量锚杆三维全场的动态变形和应变数据才能准确揭示其动态性能，因此迫切需要在复杂工况下对其变形进行三维全场准确测量，为锚杆的相关研究提供科学数据，而现有的基于接触式的传统的检测方法因其自身存在的问题，不能很好的解决这一问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，不仅能快速实现三维变形和应变测量，可得到全场位移、适用测试的对象范围广、对测量环境无特别要求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，包括以下步骤：第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行系统坐标标定；第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，目标子区的中心位置即为待测点在该目标图像中的对应位置；对于目标子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将此函数作为目标子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到应变值；第九步：选择另一目标子区，重新按上述过程计算得到托盘变形后的应变值，如此重复从而得到托盘全场应变值；第十步：通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷；具体计算方法如下：ω—挠度；k—地基系数；D—锚杆托盘弯曲刚度；E—弹性模量；μ—泊松比；h—锚杆托盘厚度；r—托板中心至所求点的距离；Q—集中载荷；a—锚杆托盘半径作为本专利技术的进一步优选，在托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，其中，第一摄像机、第二摄像机分别与中心轴呈45度角设置；作为本专利技术的进一步优选，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源，其中，第一光源、第二光源分别与中心轴呈60度角设置，第一光源约在托盘与第一摄像机中间位置偏外15cm处，第二光源约在托盘与第二摄像机中间位置偏外15cm处；作为本专利技术的进一步优选，所述的第一摄像机和第二摄像机均采用CCD相机；作为本专利技术的进一步优选，参考图片通过亚像素处理，其去噪采用小波变换方法进行处理。通过以上技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术较传统的应变片和位移传感器、锚杆拉拔器和液压枕，托盘载荷可视化数字成像技术使用简单方便，首次应用该技术在锚杆和托盘上，能快速实现三维变形和应变测量；同时本专利技术不需要光学干涉条纹处理，具有光路相对简单、非接触、高精度、可得到全场位移、适用测试的对象范围广、对测量环境无特别要求等优点。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的优选实施例的整体结构示意图；图中：1为第一摄像机，2为第二摄像机，3为第一光源，4为第二光源，5为锚杆，6为托盘，7为控制计算机。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。如图1所示，本专利技术包括以下技术特征：第一摄像机1，第二摄像机2，第一光源3，第二光源4，锚杆5，托盘6，控制计算机7。本专利技术的一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，包括以下步骤：第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行系统坐标标定；第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；其中，用第一摄像机、第二摄像机系统记录物体变形前的图像I1和变形后的图像I2，通过数字图像相关算法，衡量I1与I2的匹配程度，确定物体变形前和变形后对应的几何点，进行对比、匹配和计算。常用的相关系数公式为：式中：I1(xi,yj)表示变形前子区A中某点(xi,yj)处的灰度值；I2(xi*,yj*)表示变形后子区B中某点(xi*,yj*)的灰度值；和分别是子区A和子区B的平均灰度值；xi*＝xi+xdef，yj*＝yj+ydef，其中(xdef,+ydef)为P点沿x和y方向的位移量；当相关系数为1的时候，表示两个子区完全相关；当相关系数为0的时候，表示两个子区完全不相关。改变xdef和+ydef的值，即在变形后的图像上移动子区域，可以得到不同的C值，使得C取最大值的xdef和+ydef即是子区域中心的位移分量；第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，目标子区的中心位置即为待测点在该目标图像中的对应位置；对于目标子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将此函数作为目标子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到应变值；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行系统坐标标定；第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，目标子区的中心位置即为待测点在该目标图像中的对应位置；对于目标子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将此函数作为目标子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到应变值；第九步：选择另一目标子区，重新按上述过程计算得到托盘变形后的应变值，如此重复从而得到托盘全场应变值；第十步：通过对托盘变形前后三维空间数据的快速三维变形分析对比得到应变场，结合托盘弯曲刚度得到应力场，对应力场反算积分即可得到锚杆的实时载荷。...

【技术特征摘要】
1.一种锚杆托盘载荷可视化数字成像方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：在巷道墙面上安装托盘，再将锚杆固定在托盘中心位置处，未施加预紧力时定义为变形前的托盘，施加预紧力后定义为变形后的托盘；第二步：在锚杆托盘的中心轴上两侧分别布设第一摄像机和第二摄像机，在托盘和第一摄像机之间布设第一光源，托盘和第二摄像机之间布设第二光源；第三步：采用双目立体视觉原理和张正友平面标定法进行系统坐标标定；第四步：第一光源、第二光源射向变形前的托盘，在托盘表面形成散斑图像，使用第一摄像机、第二摄像机对形成散斑图像的托盘进行观测，将散斑图像中某一光点的像的平面坐标进行计算，得到变形前光点的三维坐标；第五步：对托盘施加预紧力，使得托盘发生变形，第一光源、第二光源射向变形后的锚杆托盘，在托盘表面形成散斑图像，将变形前的散斑图像与变形后的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系，从而找到第四步中托盘变形后光点的位置；第六步：匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；第七步：变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为托盘的全场三维位移；第八步：在托盘变形后得出的参考图像上，以待测点为中心设置参考子区，通过子区匹配的方式，寻找到其在参考图像上相应的目标子区，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许兴亮，王东杰，田素川，王志明，孙大增，刘青鑫，刘忠堂，宋志坚，李俊生，马晓健，俞庆彬，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32