CN112161571B - 一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法 - Google Patents

一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法，包括LED标志单元、视觉定位检测单元和上位机；LED标志单元包括定位标志点和配准标志点，视觉定位检测单元包括多个双目相机模块，双目相机模块内部集成有两台摄像机和处理器。在采煤机行走过程中，通过相机识别采煤机上安装的定位标志点，实现对采煤机的定位以及位姿的检测；处理器分析采煤机在图像中的位置，选择启动下一个相机拍照或者停止自身拍照；相邻相机之间，通过配准标志点实现坐标系的转换。本发明有效减少了双目相机模块与上位机之间传输的数据量，改造成本低，采集速度快，检测精度高，为实现矿井无人化开采提供重要保障，具有较好的应用前景。

Description

一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法
技术领域
本发明涉及一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法，属于采煤机定位检测技术领域。
背景技术
综采工作面开采是井下采煤的重要环节，滚筒式采煤机是在综采工作面采煤的主要设备，为了加快煤矿智能化的发展，实现工作面减人，就需要有设备来代替人工，对采煤机的位置和姿态进行实时检测，以便生产的顺利进行。
目前，在煤矿实际生产过程中，采煤机的定位和位姿角度检测主要使用人工观测的方法进行，使用了大量工人，违背了煤矿生产少人化的工作趋势。
当前智能化煤矿大多采用激光SLAM技术，其产生的数据量非常庞大，而且无用信息较多，综采工作面复杂的通信条件给传输这些数据造成很大困难。因此，提供一种低数据量的，可以实现采煤机定位和实时位姿检测的***及方法是很有必要的。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法，有效减少双目相机模块与上位机之间传输的数据量，改造成本低，检测精度高，为实现矿井无人化开采提供重要保障。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***，包括LED标志单元、视觉定位检测单元和上位机；
其中，LED标志单元包括定位标志点和配准标志点，定位标志点布置于采煤机上，配准标志点布置于刮板输送机上；视觉定位检测单元包括多个沿刮板输送机输送方向排布的双目相机模块，双目相机模块的镜头朝向待采煤壁，相邻双目相机模块的视野有重合范围，且配准标志点位于重合范围内；
双目相机模块内部集成有两台摄像机和处理器，相邻双目相机模块之间进行数据传输连接；处理器用于对拍摄到的数字图像进行图像处理，通过相机标定技术得到相邻双目相机模块的坐标变换矩阵，并控制本台双目相机模块和相邻两台双目相机模块的启停；上位机根据输出的图像处理结果计算得到定位标志点的三维坐标，进而实现采煤机定位与位姿检测。
进一步地，双目相机模块底部设有定位支撑杆，并通过定位支撑杆固定在液压支架的底座上，定位支撑杆高度与采煤机机身高度相同，固定效果可以使得双目相机模块的镜头在移架过程中始终保持朝向待采煤壁。
进一步地，双目相机模块上两个摄像机的光轴平行，均垂直于煤壁，且两个摄像机的相对位姿固定。
进一步地，定位标志点采用颜色不同的LED圆形光源，其在采煤机上的安装位置包括摇臂与滚筒连接处的中心点、摇臂与机身铰接点、机身轮廓线角点和关键点。
进一步地，配准标志点采用与定位标志点颜色不同的LED圆形光源，且安装在刮板输送机的中部槽侧边。
一种基于上述低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***的检测方法，包括以下步骤：
S1当综采工作面的采煤机在刮板输送机上行走作业时，双目相机模块启动，对采煤机进行连续拍照，拍照速度为每0.1秒拍摄一次；
S2处理器对拍摄到的数字图像进行处理，提取其中定位标志点和配准标志点的像素坐标；
S3通过已获得的配准标志点的像素坐标，结合相机内参数矩阵，经过矩阵变换，计算得到相邻双目相机模块的坐标变换矩阵，并上传到上位机；
S4通过已获得的定位标志点的像素坐标，结合相机内参数矩阵，求得定位标志点在双目相机模块相对坐标系中的三维齐次坐标，并上传到上位机；
S5根据定位标志点在双目相机模块视野中分布的位置，判断采煤机在视野中的体积，从而实现步骤S1中双目相机模块的启停控制：当采煤机在视野中的体积超过二分之一时，根据采煤机行走方向，双目相机模块的处理器发出信号，启动下一台相邻的双目相机模块；当采煤机在视野中体积为零时，双目相机模块的处理器发出信号，关闭本台双目相机模块；其余情况时，处理器不发出启停指令；
S6根据步骤S3得到的坐标变换矩阵，计算得到双目相机模块相对坐标系与世界坐标系的变换矩阵，并结合步骤S4得到的三维齐次坐标，得到定位标志点在世界坐标系中的三维齐次坐标，从而进一步得到世界坐标系下的采煤机摇臂角度、机身姿态角参数和位置坐标。
进一步地，步骤S2中处理器所采用的图像处理方法包括：首先将拍摄到的图像由RGB空间转换到HSV空间，对特定颜色进行识别，通过颜色确定图像中定位标志点在采煤机上的位置，使用高斯滤波去除图像噪声，并将图像二值化处理，然后使用膨胀和腐蚀算法，对二值化的图像进行形态学处理，然后查找并描绘出图形轮廓，去掉轮廓长度过小的轮廓、有父轮廓的轮廓，对最后余下的轮廓进行最小外接圆拟合，把外接圆的圆心作为定位标志点和配准标志点的像素坐标。
进一步地，步骤S5中采煤机行走方向的判断方法包括：使用同一双目相机模块连续拍摄的两张图像，提取同一定位标志点在双目相机模块相对坐标系中的三维坐标，通过比较两次坐标的变化判断出采煤机行走方向。
有益效果：本发明提供的一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***及方法，相对于现有技术，具有以下优点：
1、同一时间内使用较少数量的双目相机模块进行连续拍照，同时只向上位机输出特定坐标值，有效减少了输出的数据量，对综采工作面的通信条件要求不高；
2、使用发光的LED标志点，解决了综采工作面光照条件差、能见度低的问题，便于获得采煤机姿态信息，提高检测精度；
3、需要新增的设备少，综采工作面的改造成本低，而且加装新设备后，不对工作面的施工造成影响。
附图说明
图1为本发明优选实施方式中视觉定位检测单元的安装结构示意图；
图2为本发明优选实施方式中LED标志单元的安装结构示意图；
图3为本发明优选实施方式的一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测方法的流程示意图；
图4为本发明优选实施方式中所定义的三维坐标系示意图。
图中包括：1、双目相机模块；2、定位支撑杆。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
实施例
一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***，包括LED标志单元、视觉定位检测单元和上位机，如图1所示，视觉定位检测单元由多个双目相机模块1及其定位支撑杆2组成，如图2所示，LED标志单元包括定位标志点3.1—3.12和配准标志点4.1—4.6。
双目相机模块内部集成了两台数字摄像机和处理器，处理器可以对拍摄到的数字图像进行一定程度的处理，同时控制本台双目相机模块和相邻两台双目相机模块的启停，相邻双目相机模块之间有数据传输导线连接，参见附图1，双目相机模块1与其定位支撑杆2的一端通过螺栓固定在一起，定位支撑杆2的另一端固定在液压支架的底梁上，固定效果可以使得双目相机模块1的镜头在移架过程中始终保持朝向待采煤壁。
进一步地，双目相机模块1的两个摄像头的光轴平行，均垂直于煤壁，相对位姿固定，进而通过相机标定技术得到摄像头的内参数矩阵和两个摄像头之间的位姿转换矩阵。
参见附图1和附图2，多个双目相机模块1的安装要满足相邻两个双目相机模块1平行安装，安装间隔要求为使得相邻模块的视野有一定重合范围，第一个和最后一个双目相机模块位于综采工作面两端，配准标志点4.1—4.6分别位于相邻双目相机模块1的重合范围内。
参见附图2，定位标志点3.1—3.12为多个颜色不同的LED圆形光源，其中，定位标志点3.2—3.6在同一水平线上，定位标志点3.8—3.12在同一水平线上，定位标志点3,1和3,7安装在摇臂与滚筒连接处的中心点，定位标志点3.2和3.6安装在摇臂与机身铰接点，定位标志点3.4和3.10安装在机身中部对称轴线上，定位标志点3.8和3.12安装在机身下端与液压缸的铰接点处，其他定位标志点3.3、3.5、3.9、3.11作为辅助定位标志点，均匀安装在机身轮廓线上，用来保证每个双目相机模块都能拍摄到3个以上的定位标志点，当采煤机机身长度增加时，要适当增加辅助定位标志点的数量以满足要求；配准标志点4.1—4.6为安装在刮板输送机中部槽侧边，优选的，使用与定位标志点颜色不同的LED圆形光源。
具体地，如图3所示为一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：当综采工作面的采煤机在刮板输送机上行走作业，位于不同位置时，双目相机模块1启动，对采煤机进行连续拍照，拍照速度为每0.1秒拍摄一次；
步骤S2：处理器可使用多种算法，对拍摄到的图像进行处理，建立图像平面上的像素坐标系，以图像左上角为坐标原点，向右为X轴正方形，向下为Y轴正方向，提取图像中的定位标志点和配准标志点的像素坐标；
图像处理的具体方法为：首先将图片由RGB空间转换到HSV空间，对特定颜色进行识别，通过颜色确定图像中定位标志点在采煤机上的位置，使用高斯滤波去除图像噪声，并将图像二值化处理，然后使用膨胀和腐蚀算法，对二值化的图像进行形态学处理，然后查找并描绘出图形轮廓，去掉轮廓长度过小的轮廓、有父轮廓的轮廓，对最后余下的轮廓进行最小外接圆拟合，把外接圆的圆心作为定位标志点和配准标志点的像素坐标。由此可以得到，第n个定位坐标点在模块N左侧相机成像平面中的齐次坐标
Figure BDA0002714867280000051
第n个定位坐标点在模块N右侧相机成像平面中的齐次坐标
Figure BDA0002714867280000052
第m个配准坐标点在模块N左侧相机成像平面中的齐次坐标
Figure BDA0002714867280000053
第m个配准坐标点在模块N右侧相机成像平面中的齐次坐标
Figure BDA0002714867280000054
其中m、n、N＝1,2,3，…；
Figure BDA0002714867280000055
步骤S3：通过已获得的配准标志点的像素坐标，结合相机内参数矩阵，经过矩阵变换，计算得到相邻双目相机模块的坐标变换矩阵；
参见附图4，以综采工作面起点处的双目相机模块1的中心作为绝对坐标系的原点，其余模块的中心作为相对坐标系原点，Z轴指向相机的前方(也就是与成像平面垂直)，X轴与Y轴的正方向与像素坐标系平行，每个双目相机模块可以拍摄到左右两侧各一个配准标志点，与左侧双目相机模块配准使用左侧配准标志点参考，与右侧双目相机模块配准使用右侧配准标志点参考，通过现有技术对双目相机进行标定，根据视差原理，通过坐标
Figure BDA0002714867280000056
和
Figure BDA0002714867280000057
得到左右两侧配准标志点在第N个双目相机模块相对坐标系中的三维齐次坐标为
Figure BDA0002714867280000058
和
Figure BDA0002714867280000059
设相邻两个双目相机模块的坐标变换矩阵为
Figure BDA00027148672800000510
则
Figure BDA00027148672800000511
Figure BDA00027148672800000512
…
Figure BDA0002714867280000061
步骤S4：通过已获得的定位标志点的像素坐标，结合相机内参数矩阵，通过现有技术对双目相机标定，根据视差原理得到第n个定位标志点在第N个双目相机模块相对坐标系中的三维齐次坐标为
Figure BDA0002714867280000062
Figure BDA0002714867280000063
步骤S5：根据定位标志点在视野中分布的位置，判断采煤机在视野中的体积，从而实现步骤S1中双目相机模块的启停控制：当采煤机在视野中体积超过二分之一时，根据采煤机行走方向，双目相机模块中的处理器发出信号，启动下一台相邻的双目相机模块；当采煤机在视野中体积为零时，双目相机模块中的处理器发出信号，关闭本台双目相机模块；其余情况时，处理器不发出启停指令；
采煤机行走方向的判断方法是，使用同一双目相机模块连续拍摄的两张照片，提取同一定位标志点的三维坐标，比较X轴坐标的值，X轴坐标增大时，为向右行走，X轴坐标减小时，为向左行走；
步骤S6：将步骤S3得到的坐标变换矩阵输出给上位机，得出第N个双目相机模块的相对坐标系相对于绝对坐标系的变换矩阵
Figure BDA0002714867280000064
Figure BDA0002714867280000065
通过变换矩阵
Figure BDA0002714867280000066
得到每个定位标志点在绝对坐标系中的三维齐次坐标Yn(n＝1-12)：
Figure BDA0002714867280000067
使用不同点的Yn坐标，计算得到世界坐标系下的采煤机摇臂角度、机身姿态角参数和位置坐标，并最终显示出来。其中，参照附图4中三维坐标平面的布置方式，机身姿态角分为俯仰角(采煤机机身中线在XOY平面投影与机身行进方向的夹角)、横滚角(采煤机机身横轴在YOZ平面投影与的Y轴的夹角)、偏航角(采煤机机身中线在XOZ平面投影与机身行进方向的夹角)。具体计算方法为：
定位标志点的三维坐标：
Figure BDA0002714867280000071
位置坐标：Y4
摇臂角度θ：
Figure BDA0002714867280000072
机身姿态角：
俯仰角α：
Figure BDA0002714867280000073
横滚角β：
Figure BDA0002714867280000074
偏航角γ：
Figure BDA0002714867280000075
本发明在同一时间内使用较少数量的双目相机模块进行连续拍照，同时只向上位机输出特定坐标值，有效减少了输出的数据量，对综采工作面的通信条件要求不高；使用发光的LED标志点，解决了综采工作面光照条件差、能见度低的问题，便于获得采煤机姿态信息，检测精度高，采集速度快，受其他因素影响小，自动化程度高，为实现矿井无人化开采提供重要保障。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (3)

1.一种基于低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***的检测方法，其特征在于，所述低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***包括LED标志单元、视觉定位检测单元和上位机；
其中，所述LED标志单元包括定位标志点和配准标志点，所述定位标志点布置于采煤机上，所述配准标志点布置于刮板输送机上；所述视觉定位检测单元包括多个沿刮板输送机输送方向排布的双目相机模块(1)，所述双目相机模块(1)的镜头朝向待采煤壁，相邻双目相机模块(1)的视野有重合范围，且配准标志点位于所述重合范围内；
所述双目相机模块(1)内部集成有两台摄像机和处理器，相邻双目相机模块(1)之间进行数据传输连接；所述处理器用于对拍摄到的数字图像进行图像处理，并控制本台双目相机模块和相邻两台双目相机模块(1)的启停；所述上位机根据输出的图像处理结果计算得到定位标志点的三维坐标，进而实现采煤机定位与位姿检测；
所述双目相机模块(1)底部设有定位支撑杆(2)，并通过定位支撑杆(2)固定在液压支架的底座上，所述定位支撑杆(2)高度与采煤机机身高度相同；
所述双目相机模块(1)上两个摄像机的光轴平行，均垂直于煤壁，且两个摄像机的相对位姿固定；
所述定位标志点采用颜色不同的LED圆形光源，其在采煤机上的安装位置包括摇臂与滚筒连接处的中心点、摇臂与机身铰接点、机身轮廓线角点和关键点；
所述配准标志点采用与定位标志点颜色不同的LED圆形光源，且安装在刮板输送机的中部槽侧边；
包括以下步骤：
S1当综采工作面的采煤机在刮板输送机上行走作业时，双目相机模块(1)启动，对采煤机进行连续拍照；
S2处理器对拍摄到的数字图像进行处理，提取其中定位标志点和配准标志点的像素坐标；
S3通过已获得的配准标志点的像素坐标，结合相机内参数矩阵，经过矩阵变换，计算得到相邻双目相机模块的坐标变换矩阵，并上传到上位机；
S4通过已获得的定位标志点的像素坐标，结合相机内参数矩阵，求得定位标志点在双目相机模块相对坐标系中的三维齐次坐标，并上传到上位机；
S5根据定位标志点在双目相机模块视野中分布的位置，判断采煤机在视野中的体积，从而实现步骤S1中双目相机模块(1)的启停控制：当采煤机在视野中的体积超过二分之一时，根据采煤机行走方向，双目相机模块(1)的处理器发出信号，启动下一台相邻的双目相机模块(1)；当采煤机在视野中体积为零时，双目相机模块(1)的处理器发出信号，关闭本台双目相机模块(1)；其余情况时，处理器不发出启停指令；
S6根据步骤S3得到的坐标变换矩阵，计算得到双目相机模块相对坐标系与世界坐标系的变换矩阵，并结合步骤S4得到的三维齐次坐标，得到定位标志点在世界坐标系中的三维齐次坐标，从而进一步得到世界坐标系下的采煤机摇臂角度、机身姿态角参数和位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中处理器所采用的图像处理方法包括：首先将拍摄到的图像由RGB空间转换到HSV空间，对颜色进行识别，通过颜色确定图像中定位标志点在采煤机上的位置，使用高斯滤波去除图像噪声，并将图像二值化处理，然后使用膨胀和腐蚀算法，对二值化的图像进行形态学处理，然后查找并描绘出图形轮廓，去掉轮廓长度过小的轮廓、有父轮廓的轮廓，对最后余下的轮廓进行最小外接圆拟合，把外接圆的圆心作为定位标志点和配准标志点的像素坐标。
3.根据权利要求1所述的一种低数据量的双目视觉采煤机定位与位姿检测***的检测方法，其特征在于，所述步骤S5中采煤机行走方向的判断方法包括：使用同一双目相机模块连续拍摄的两张图像，提取同一定位标志点在双目相机模块相对坐标系中的三维坐标，通过比较两次坐标的变化判断出采煤机行走方向。
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