[發明專利]一種液壓支架頂梁支撐高度和姿態的測量系統及其方法

有效

• 申請號: 201710040395.1
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106908000B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 魏東;王忠賓;譚超;許靜;蔣干;樊凱
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01C9/00
• 代理公司: 徐州市淮海專利事務所 32205
• 代理人: 張旭

1.一種液壓支架頂梁支撐高度和姿態測量系統的使用方法，采用的液壓支架頂梁支撐高度和姿態測量系統，包括機器視覺模塊和與之配合使用的姿態補償模塊，所述機器視覺模塊包括礦用防爆外殼、礦用攝像儀和微型計算機Ⅰ，礦用防爆外殼安裝在液壓支架頂梁下部，微型計算機Ⅰ設置在礦用防爆外殼內，礦用攝像儀安裝在防爆外殼下端；所述姿態補償模塊包括標記靶、微型計算機Ⅱ和MEMS傾角傳感器，所述標記靶設置在液壓支架底板上，標記靶的上表面與液壓支架底板的表面平行，所述標記靶的上表面設有LED燈組，微型計算機Ⅱ和MEMS傾角傳感器設置在標記靶下表面，微型計算機Ⅰ分別與微型計算機Ⅱ和礦用攝像儀連接，微型計算機Ⅱ與MEMS傾角傳感器連接；其特征在于，該方法的具體步驟是：

第一步，攝像機標定：將標定平面靶標放置于礦用攝像儀前方不同位置處，用礦用攝像儀對其進行拍攝，得到不同位置、不同角度下的標定平面靶標圖像，采用非線性標定方法得出攝像儀內部參數信息，包括焦距及鏡頭畸變參數；

第二步，視覺采集與處理：通過礦用攝像儀采集標記靶上LED燈組的光斑信息，即四組標記靶同心圓環；將采集的圖像傳遞給微型計算機Ⅰ，然后微型計算機Ⅰ對采集的圖像進行去噪與壓縮，具體為：

A、對采集圖像進行二維小波包分解，采用Db4小波包對圖像進行三層分解，并利用Shannon熵作為信息代價函數，獲取圖像的最優小波基；

B、完成采集圖像的小波包分解后，利用小波包工具箱對圖像數據進行壓縮和去噪；獲取壓縮和去噪之后圖像的近似部分；所述小波包工具箱是安裝在微型計算機Ⅰ上的Matlab軟件中自帶的圖像分析與處理工具包；

C、對壓縮和去噪之后的圖像進行重構；

第三步，圖像邊緣提取：微型計算機Ⅰ采用canny算子提取上述處理后的圖像邊緣，并進行固定閾值，得到二值圖像；

第四步，標記信息提取：微型計算機Ⅰ采用改進的基于最小二乘法的橢圓擬合算法對圖像數據進行橢圓擬合，具體步驟如下：

a、在采集的圖像數據的所有樣本點中隨機選取6個點；所述樣本點為二值圖像中所有灰度為1的像素點；

b、利用基于代數距離最小二乘法擬合出橢圓曲線；

c、設定樣本點到求得的橢圓邊界的最小距離的閾值；

d、遍歷所有樣本點,求取各個樣本點到求得的橢圓邊界的最小距離，對各個距離值依次與設定的閾值比較，若測得的距離值小于或等于閾值，則該樣本點確定為匹配點并編號，若大于閾值，則該樣本點確定為雜質點；統計本次遍歷的匹配點總個數；

e、重復執行步驟a～步驟d過程100～200次，比對出匹配點總個數最多的擬合橢圓，確定該橢圓為最優橢圓；得出標記靶橢圓參數即四組標記靶成像后橢圓的圓心位置，完成后將數據傳輸到微型計算機Ⅱ中；

第五步，根據所得圖像信息，將攝像機簡化為針孔成像模型，可計算出液壓支架相對于標記靶的液壓支架頂梁的高度及傾角數據；

采集到的四組標記靶橢圓圓心位置的連線在成像面所成像呈矩形，設該矩形的長邊為a，其短邊為b；設與該成像矩形長邊a對應的實際標記靶上圓心的連線邊為A，與該成像矩形短邊b對應的實際標記靶上圓心的連線邊為B，由于實際標記靶上LED燈組圓心連線為正方形，故A＝B；

攝像機焦點與標記靶矩形兩長邊中點構成的平面中，設H1、H2分別為焦點到實際標記靶兩連線邊A中點的距離，即焦點到兩連線邊A的垂直距離，同理，h1、h2分別為焦點到成像后標記靶兩長邊a中點的距離；

設k1和k2分別為成像區域的中心點到標記靶兩長邊中點在成像面上所成像的距離，f為攝像機焦距，a為標記靶長邊在成像面上所成像的長度；

在攝像機焦點與標記靶長邊構成的平面中，H1、H2可由以下公式求得：

其中，k、f、A、a為已知數；

由f、k1、k2可得出角θ的值，具體公式如下：

根據三角定理，求出液壓支架頂梁相對于液壓支架底板的傾角γ的角度值，公式如下：

以攝像機焦點到底板高度代替液壓支架頂梁支撐高度，記為H_總，可得

將上述得出的高度信息和角度信息存儲在微型計算機Ⅱ中；

第六步，高度及姿態的補償：通過MEMS傾角傳感器可得到液壓支架底板相對于水平位置的傾斜角度，且標記靶安裝位置距液壓支架底板距離已知，結合步驟五得出的傾角γ及液壓支架頂梁支撐高度H_總，進行液壓支架頂梁支撐高度和姿態補償，從而得到液壓支架頂梁實際高度與實際姿態信息。