[发明专利]导轨单目立体视觉矿区井架变形监测方法

说明书

发明公开了一种导轨单目立体视觉的矿区井架变形监测方法(本专利以塔型井架单绳天轮为例)，提出了基于平面标定板和二维共线条件方程的CE平面标定法，基于单张以上图像利用约束最小二乘平差直接求解内外方位元素和畸变参数。其次，通过导轨装置可使高速相机在导轨滑块上自由滑动并拍摄矿区井架及天轮标志点(含控制点和监测点)图像，利用多期连续拍摄图像或视频图像对标志点进行矿区井架及天轮标志点的虚拟立体视觉三维重建，并提出了矿区井架及天轮视觉变形监测方法和基于变形信息的井架倾斜率和天轮纵横向偏摆计算方法。本发明方法，具有检测工具结构简单、携带方便、成本低、非接触式面监测效率高，有效地解决了矿区井架及天轮变形监测问题。

技术领域

本发明涉及煤炭开采矿区井架变形监测领域，尤其是涉及一种导轨单目立体视觉的矿区井架变形监测装置及方法。

背景技术

煤炭矿区井架按材料分为钢制井架和钢筋混凝土井架(本专利以塔型井架为例)，由于井架的自重过大，在使用过程中的附加荷载、地下水位的升降、地下水对井架基础的侵蚀等因素都可能导致井架的倾斜与变形。无论塔型井架主体发生倾斜或天轮发生倾斜(水平偏移和垂直偏移分别造成横向偏摆和纵向偏摆)都可能导致提升用钢丝绳脱落，从而导致罐笼坠落井底，造成人员伤亡和设备损伤。因此，如何开展井架及天轮变形监测是煤矿安全生产中一项十分重要的工作。

目前，矿区井架变形监测手段主要有位移传感器、全站仪、测量机器人、三维激光扫描仪和GPS等。其中，位移传感器需提前埋设(中国发明专利文件CN02138850.4，一种矿山井架安全自动监测方法及装置)，且单点监测系统可靠性低；传统全站仪自动化程度低，且不满足非接触式危险区变形监测要求；测量机器人和三维激光扫描技术自动化程度较高但成本昂贵；GPS具有全天候自动化程度高但卫星信号受矿区井架遮挡严重。因此，近景摄影测量和立体视觉技术以非接触性、测量精度高、可连续测量、测量瞬时完成等特点被逐步应用于三维重建等领域。

按照视觉摄像头个数，主要分为单目视觉，双目及多目视觉。单目视觉装置要求简单，但缺乏深度信息难以进行三维重建；双目及多目视觉三维重建精度高，但存在装置结构复杂、成本较高以及立体标定鲁棒性难保证等不足。例如，中国发明专利文件《一种基于多目视觉的桥梁三维变形监测方法》(专利号CN201110038782.4)，必须对多个视觉摄像头进行立体标定，且要求多个视觉摄像头位姿关系保持不变，结构复杂成本高且不便于外业携带。中国发明专利文件《基于视觉的物体倾斜位移沉降变形监测系统》(专利号CN201220358005.8)、《一种基于运动图像的危岩变形信息提取及报警方法》(专利号CN201510214600.2)，采用单目视觉帧间差分原理获取变形信息，无法进行三维重建且变形信息提取受限于光照影响。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺点与不足，提出了一种导轨单目立体视觉的矿区井架变形监测装置，其结构简单、便于携带并能够快速地完成立体视觉三维重建和变形量估计。

本发明实现发明目的的基本思路是：

(1)CE平面标定方法求解内外方位元素和畸变模型参数。

CE平面标定法的标定装置为三个等长基准尺组成的正三角形标定板并固定在三脚架上。建立世界坐标系：三角形标定板中平放基准尺左端为原点，平放基准尺右端指向为X轴正向，标定板平面内与X轴垂直向上方向为Y轴，三角形标定板上共有12个标志点，自原点起始标志点依次编号1,2，……，12，同一基准尺相邻标志点间隔为ΔL，各标志点的世界坐标分别为：(0,0)，(ΔL,0)，(2ΔL,0)，(3ΔL,0)，(4ΔL,0)，