一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法，包括防爆终端机连接双目相机，实时测量超前液压支护作业的过程；支护作业前，测量超前液压支架的初始姿态角；支护过程中，通过欧式变换及姿态角解算法获取不同时刻超前液压支架变化的姿态角；测量过程中，对目标的特征检测和立体匹配算法进行创新优化。通过欧几里得变换及创新的姿态角解算法实现对超前液压支架姿态角的高效测量，其求解算法快、测量时效短；连续优化目标特征检测和目标立体匹配算法，提升解算结果的准确率和鲁棒性。本发明专利技术能有效减小超前液压支架姿态角的测量误差，完成矿井巷道内实时非接触在线精准测量。线精准测量。线精准测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种超前液压支架姿态角的测量方法，具体是一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法。

技术介绍

[0002]随着智能化综采工作面的发展和计算机控制系统的深入研究，视觉测量技术逐渐应用到现代煤矿开采当中。矿井超前支护是保证工作面稳定开采而超前开挖的一种辅助措施，具体涉及超前液压支架设备群领域，作为工作面的重要支护设备，对矿工的安全与采煤设备群的正常运作起关键性作用。基于双目视觉实时测量超前液压支架姿态角并反馈工作偏差，对降低支护设备的事故停机率，提升工作面两巷辅助设备的自动化、智能化水平具有重要意义。
[0003]目前，超前液压支架群组大多依靠矿工的主观意识进行支护，一旦出现液压系统故障、跟机工序紊乱等，会导致超前液压支架无法到达指定支护位置或引发支架顶梁与顺槽巷道围岩的碰撞与干涉，导致支护效果大幅降低甚至是支护失效。因此，亟需专利技术一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法， 通过欧几里得变换及创新的姿态角解算法实现对超前液压支架姿态角的高效测量，其求解算法快、测量时效短；连续优化目标特征检测和目标立体匹配算法，提升解算结果的准确率和鲁棒性。本专利技术能有效减小超前液压支架姿态角的测量误差，完成矿井巷道内实时非接触在线精准测量。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术解决方案为：一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法，包括以下步骤：S01：防爆终端机连接双目相机，实时测量超前液压支架支护作业的过程；S02：支护作业前，测量超前液压支架的初始姿态角；S03：支护过程中，通过欧式变换及姿态角解算法获取不同时刻超前液压支架变化的姿态角；S04：测量过程中，对目标的特征检测和立体匹配算法进行创新优化。
[0006]优选的技术方案中，所述S01中防爆终端机连接双目相机包括以下步骤：S11：防爆终端机安装Windows系统下的Pycharm软件，结合Python语言和Opencv数据库，编写超前液压支架姿态角解算程序；S12：矿井顺槽巷道段环境昏暗，安装红外双目相机更清晰的测量姿态角；将红外双目相机水平安装在超前液压支架顶梁处，实时测量不同时刻的姿态角。
[0007]优选的技术方案中，所述S02中测量初始姿态角包括以下步骤：S21：在超前液压支架视觉测量模型上分别建立顶梁坐标系(x
M
O
M
y
M
z
M
)，相机坐标
系(x
c
O
c
y
c
z
c
)，巷道顶板坐标系(x
N
O
N
y
N
z
N
)；S22：超前液压支架向前完成推进，在支护作业前，先测量顶梁相对于巷道顶板的初始姿态角；在巷道顶板平面上取三组坐标M1(x1,y1,z1)，M2(x2,y2,z2)，M3(x3,y3,z3)，构建巷道顶板上表面的空间平面方程，并计算出平面法向量；S23：由于顶梁坐标系与相机坐标系平行，所以平面法向量相对于相机坐标系(x
c
O
c
y
c
z
c
)三轴方向的夹角即为顶梁相对于巷道顶板的初始姿态角ψ0，θ0，φ0。
[0008]优选的技术方案中，所述S03中测量变化的姿态角包括以下步骤：S31：通过获取不同时刻顶梁相对于巷道顶板的位置关系来计算姿态角，由于双目相机水平布置在顶梁上，所以相机坐标系与顶梁坐标系三轴平行，仅坐标原点不同，通过平移矩阵计算顶梁坐标系平移到相机坐标系的位置变化；S32：矿井下巷道顶板是固定的，超前液压支架开始工作后，顶梁相对于巷道顶板的姿态变化可以简易看成顶梁坐标系绕巷道顶板坐标系三轴分别旋转ψ，θ，φ角度，旋转矩阵为：
ꢀꢀ
（1）；顶梁相对于巷道顶板的总旋转矩阵为：（2）
[0009]优选的技术方案中，所述S32中顶梁相对于巷道顶板的旋转矩阵包括：顶梁坐标系通过平移矩阵变换到相机坐标系的位置后，顶梁坐标系相对于巷道顶板坐标系的旋转矩阵等同于相机坐标系相对于巷道顶板坐标系的旋转矩阵：（3）；得到旋转后，将其转化为变化的姿态角，，：（4）；将测量的初始姿态角和变化的姿态角相加，得到超前液压支架姿态角的解算公式：（5）；姿态角的解算不考虑非交换性误差，矿井下超前液压支架姿态角在[
‑
30,30]度变
化范围内，不会产生角度奇异值的情况出现。
[0010]优选的技术方案中，所述S04中目标检测的创新优化包括：对目标进行ORB特征检测，受障碍物、环境等因素干扰，特征点检测出现误差。设置检测距离阈值和角点强度阈值来剔除图中错误的检测点，检测精度提高，检测速度下降；在程序中植入“cv2.cuda”的GPU加速模块，并使用“multiprocessing”模块优化ORB算法的特征提取速度，实现对目标的快速精准检测。
[0011]优选的技术方案中，所述S04中目标匹配的创新优化包括：加入高斯金字塔法减少目标立体匹配的不连续性，首先应用高斯滤波器对原始超前液压支架图像平滑处理；然后对平滑后的图像进行降采样；最后重复上述步骤，直到达到所需的理想效果；采用中值滤波法去除图像噪声点，边缘强化法增强图像边缘，空洞填充法修复图像缺失的区域，对深度图像进行进一步优化。
[0012]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：现阶段，超前液压支架姿态角的测量普遍采用人工或倾角传感器测量，存在传感器数量多、成本高、精度差、可视性不足等缺陷，不能满足智能化矿井中超前支护设备的自动、准确、实时测量的要求。本专利技术是基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量方法，通过双目相机实时测量初始姿态角和精准解算工作过程中变化的姿态角，具有数据更新率快、短时精确测量的优点。同时，连续优化目标特征检测和目标立体匹配算法，保证超前液压支架姿态测量的精度，进一步减小姿态角的测量误差，提升解算结果的准确率和鲁棒性，完成矿井巷道内超前液压支架实时非接触在线精准测量。
附图说明
[0013]图1是本专利技术中整机测量系统的流程图。
[0014]图2是本专利技术中基于双目视觉测量初始姿态角示意图。
[0015]图3是本专利技术中基于双目视觉解算变化姿态角示意图。
[0016]图4是本专利技术中目标特征检测算法的创新优化流程图。
[0017]图5是本专利技术中目标立体匹配算法的创新优化流程图。
实施方式
[0018]下面将对本专利技术作进一步说明。
[0019]如图1所示，一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法，包括以下步骤：S01：防爆终端机连接双目相机，实时测量超前液压支架支护作业的过程；S02：支护作业前，测量超前液压支架的初始姿态角；S03：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：防爆终端机连接双目相机，实时测量超前液压支架支护作业的过程；S02：支护作业前，测量超前液压支架的初始姿态角；S03：支护过程中，通过欧式变换及姿态角解算法获取不同时刻超前液压支架变化的姿态角；S04：测量过程中，对目标的特征检测和立体匹配算法进行创新优化。2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法，其特征在于，所述S01中防爆终端机连接双目相机包括：S11：防爆终端机安装Windows系统下的Pycharm软件，结合Python语言和Opencv数据库，编写超前液压支架姿态角解算程序；S12：矿井顺槽巷道段环境昏暗，安装红外双目相机更清晰的测量姿态角；将红外双目相机水平安装在超前液压支架顶梁处，实时测量不同时刻的姿态角。3.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的超前液压支架姿态角的测量系统及方法，其特征在于，所述S02中测量初始姿态角包括：S21：在超前液压支架视觉测量模型上分别建立顶梁坐标系(x
M
O
M
y
M
z
M
)，相机坐标系(x
c
O
c
y
c
z
c
)，巷道顶板坐标系(x
N
O
N
y
N
z
N
);S22：超前液压支架向前完成设备推进，在支护作业前，先测量顶梁相对于巷道顶板的初始姿态角；在巷道顶板平面上取三组坐标M1(x1,y1,z1)，M2(x2,y2,z2)，M3(x3,y3,z3)，构建巷道顶板上表面的空间平面方程，并计算出平面法向量；S23：由于顶梁坐标系与相机坐标系平行，所以平面法向量相对于相机坐标系(x
c
O
c
y
c
z
c
)三轴方向的夹角即为顶梁相对于巷道顶板的初始姿态角ψ0，θ0，φ0。4.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洪月，陈奇，杨辛未，安云磊，郝方健，王梦迪，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：