[发明专利]导轨单目立体视觉矿区井架变形监测方法

摘要

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。

主权项

1.一种导轨单目立体视觉矿区井架变形监测方法，其步骤是：步骤一、CE平面标定法标定内外方位元素和畸变模型参数1、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)，2、CE平面标定法标定内外方位元素和畸变模型参数：(a)标志点识别通过对高速相机拍摄的标定板图像进行灰度化、二值化、边缘提取，利用边缘点的一系列像素坐标(x_e,y_e)来拟合椭圆，椭圆可以用圆锥曲线方程的代数形式表示其中：A、B、C、D、E、F_e是方程系数；从而计算出图像中椭圆的中心位置(x,y)，即为上述12个平面标定板标志点的物方坐标(X,Y)一一对应的像点坐标(x,y)；(b)取图像中心坐标为像主点(x₀,y₀)的初值、畸变量(Δx,Δy)初值为零、高速相机镜头出厂标称值为焦距f的初值，建立a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,a₃,b₃,c₃和X_s,Y_s,Z_s为外方位元素的误差方程式中，γ₁＝‑(a₁X_S+b₁Y_S+c₁Z_S)，γ₂＝‑(a₂X_S+b₂Y_S+c₂Z_S)，γ₃＝‑(a₃X_S+b₃Y_S+c₃Z_S)；(c)根据旋转矩阵的单位正交性，建立以下约束方程(d)通过约束最小二乘平差可估计外方位元素a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,a₃,b₃,c₃和X_s,Y_s,Z_s；(e)进一步考虑径向畸变和切向畸变3参数模型，利用获得外方位元素作为初值，进行内外方位元素优化估计，建立误差方程为式中，k₁为径向畸变系数，p₁,p₂为切向畸变系数，A＝a₃X+b₃Y+γ₃；(f)根据旋转矩阵的单位正交性，建立以下约束方程(g)通过约束最小二乘平差可以求解出畸变系数k₁,p₁,p₂，内方位元素(x₀,y₀)和f，外方位元素a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂,a₃,b₃,c₃和X_s,Y_s,Z_s；步骤二、虚拟立体视觉三维重建(a)控制高速相机在滑块上从左到右在带零刻度的滑轨上匀速滑动，高速相机初始位置滑块底部指针指向零刻度，间隔时间t进行一次拍摄，直到滑块滑到滑道最右端，完成本次虚拟立体视觉监测过程；(b)通过图像识别出每张图像中滑块底部指针指向滑轨刻度的读数T_i，i＝1,2，……,n；(c)对拍摄到的n张图像，特征提取并匹配标志点，其中连续三张图图像中有标志点P_e，(x^i‑1,y^i‑1)，(xⁱ,yⁱ)和(xⁱ⁺¹,yⁱ⁺¹)分别为点P_e在第i‑1张，第i张，第i+1张图像中的像点坐标，可由此列出误差方程式中，(d)在利用i‑1，i，i+1连续三张图像时，顾及Tⁱ使用2次导致的相关性，推导出L^i‑1,Lⁱ的联合权阵为P，利用加权最小二乘估计方法可得标志点P_e的三维坐标步骤三、矿区塔型井架变形监测矿区塔型井架变形监测包括矿区井架倾斜监测和天轮偏摆监测；建立监测坐标系：在站心坐标系下由全站仪获取控制点的三维坐标，其中以提升滚筒指向天轮的钢丝平面投影为Y方向，以天轮天顶方向为H方向，由右手准则确定X方向；矿区井架倾斜监测：在井架的四个支柱上分别布设三个监测点，记为M_i，i＝1,2……，12，在井架前后左右均布设三个控制点，记为C_i，i＝1,2……，12；控制点和监测点均布设标靶，其坐标分别采用下标_control和_monitor进行区分；视觉变形监测井架时，设站两次以上以保证完整地监测到四个支柱；天轮偏摆监测：在井架的正前方设站，通过直线检测分别得到连接天轮和滚筒的钢丝对应的直线l，进而计算横摆角和纵摆角；(a)在设定的监测时期，重复步骤二，对监测点M_i、控制点C_i、直线l的两个端点P^j,Q^j进行虚拟立体视觉三维重建，获得控制点和监测点的三维坐标，记为和j指变形监测的期号，i指变形监测的点号，以及直线端点的坐标和(b)以第1期控制点坐标为基准，将后续不同期获得控制点转至第一期坐标基准，记第1期和第j期控制点的三维坐标集和其中，N为控制点数目；记重心坐标分别为和对应的去重心化后的新三维坐标集记为和计算并构造4×4矩阵K式中，tr(M)指矩阵的迹，I₃指3阶单位矩阵，ΔT＝[M₂₃‑M₃₂ M₃₁‑M₁₃ M₁₂‑M₂₁]；(c)计算矩阵K的特征值以及特征向量，其中最大特征值相对应的特征向量即为单位四元数q＝(q₀ q₁ q₂ q₃)^T，从而得到旋转矩阵(d)根据旋转矩阵和同期监测点重心坐标计算平移向量(e)矿区井架上监测点M_i在第j期的站心坐标为(f)第j期监测时的矿区塔型井架中四个立架的倾斜率为式中，n＝1,2,3,4表示井架的四个支柱，j表示观测时期，n＝1时，a＝1,b＝2,c＝3；n＝2时，a＝4,b＝5,c＝6；n＝3时，a＝7,b＝8,c＝9；n＝4时，a＝10,b＝11,c＝12；(g)天轮架上连接天轮和滚筒的钢丝对应的直线l，两个端点P^j,Q^j的站心坐标为(h)天轮(钢丝)水平偏移计算横摆角(i)天轮(钢丝)垂直偏移计算纵摆角