一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种立井吊桶监测系统及方法，特别涉及一种施工立井吊桶运动状态 监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 吊桶是立井施工中经常使用到的一种运输工具，主要用于在地面、吊盘和井底之 间运送人员和物料。由于天轮存在圆度误差、井筒内的风载等原因会造成吊桶在运行中产 生偏摆。这种偏摆会严重威胁吊桶运行的安全，进而威胁到立井施工过程中的人员和设备 安全。但是目前尚无有效办法实时监测吊桶的偏摆，给立井施工安全生产埋下了隐患。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种施工立井吊桶运动状态监测系统及方法，解决在施工立 井吊桶运行过程中无法对吊桶的运动状态进行监测的问题。实现施工立井吊桶运动状态监 测的实时化、可视化，对吊桶危险状态判断的自动化。
[0004] 为实现上述目的，本发明一种施工立井吊桶运动状态监测系统，该系统包括安装 在滑架上的动态信号采集发射系统，安装在井壁上的无线信号传输系统，安装在控制机房 的计算机集控中心。
[0005] 所述的动态信号采集发射系统包括：安装在滑架上的激光位移传感器、安装在滑 架两侧的两台工业相机、用于补光的光源、放置在滑架上的终端采集发射控制器；终端采集 发射控制器与工业相机、光源和激光位移传感器相联接。
[0006] 所述的激光位移传感器共有两台，水平布置于滑架上，两台激光位移传感器测量 方向相互垂直，分别测量两个相互垂直方向上的滑架相对于施工立井井壁的距离。
[0007] 所述的终端采集发射控制器与无线信号传输系统的无线mesh节点通过无线进行 联接。
[0008] 所述的终端采集发射控制器由电池组、单片机控制器、视频采集卡和mesh网络客 户端组成；电池组负责整个终端采集发射控制器以及安装在滑架上的激光位移传感器、安 装在滑架两侧的工业相机、光源的供电；单片机根据设定程序控制终端采集发射控制器各 部分的协调并负责和直接和激光位移传感器通信；视频采集卡将工业相机采集到的模拟信 号转换为数字格式并传给mesh网络客户端；mesh网络客户端通过mesh网络和上位机通 信。
[0009] 工业相机产生的图像数据和激光位移传感器产生的距离数据通过终端采集发射 控制器上传至控制主机；终端采集发射控制器能够识别工业相机采集的图像是否长时间处 于静止状态，在确定工业相机采集的图像长时间处于静止状态时暂停图像信号的传输以节 省电能。
[0010] 所述的无线信号传输系统包括多个分布于施工井壁的无线mesh节点，无线mesh 节点与终端采集发射控制器通过无线进行联接；无线mesh节点用于将工业相机和激光位 移传感器采集到的信息传输到计算机集控中心以及将控制信号传输到动态信号采集发射 系统。
[0011] 所述的计算机集控中心包括控制主机和无线信号采集器；控制主机和无线信号采 集器相连接；无线信号采集器将通过无线接收到的数据信号上传至控制主机。
[0012] 一种施工立井吊桶运动状态监测方法，该方法的终端采集发射控制器控制主机将 两台工业相机采集到吊桶图像信号进行综合分析，利用事先对两台工业相机标定得到的参 数还原吊桶相对于工业相机坐标的三维坐标参数，根据激光位移传感器得到的位置数据计 算出滑架相对于施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶相对于施工立井的位置坐标；
[0013] 该方法包括以下步骤：
[0014] 1)摄像机标定：使用棋盘状标准标定物分别对两台工业相机进行精确标定；得到 工业相机的内参数矩阵和外参数矩阵以及两台工业相机之间的本征矩阵和基础矩阵；
[0015] 2)数据采集：控制主机发出信号控制两台工业相机采集立井施工吊桶的连续运 动图像，同时激光位移传感器采集滑架相对于施工立井井壁的位置数据；
[0016] 3)数据上传：通过终端控制器、无线mesh节点和无线信号采集器将工业相机采集 到的吊桶图像数据以及激光位移传感器采集滑架相对于施工立井的位置数据上传到的控 制主机中；
[0017] 4)分析吊桶位置：采用Mean-Shift跟踪模型确定吊桶在步骤2中得到的图像中 的位置，根据吊桶自身固有的棱角特征识别吊桶的姿态，根据步骤1得到的工业相机标定 参数计算出吊桶的空间三维坐标，根据激光位移传感器得到的位置数据计算出滑架相对于 施工立井的坐标，最后综合计算出吊桶相对于施工立井的位置坐标；
[0018] 5)动态测量与数据保存：对在步骤2中得到的图像连续按照步骤4进行分析得到 吊桶于不同时刻的空间位置信息，从而得到吊桶的运动情况；通过对吊桶运动位置数据的 分析，得到吊桶运动的速度、加速度、偏摆频率参数，将得到的数据保存在控制主机中；
[0019] 6)监测显示：控制主机将步骤2得到的吊桶图像和步骤5得到的吊桶运动参数显 示在控制主机屏幕上以便于监测吊桶运动情况；
[0020] 7)数据研判与报警：根据步骤6得到的吊桶运动参数判断吊桶是否处于正常运动 状态；一旦发现吊桶摆动幅度超过设定阈值即启动报警程序报警。
[0021] 计算吊桶位置坐标的具体方法，当吊桶相对于工业相机坐标的位置是 P^ (X，y，Z)，滑架相对于施工立井的坐标位置是Q (X，y)，工业相机坐标系到施工立井坐标 系的转换矩阵为T，由于工业相机是固定在滑架上的，因此吊桶相对于施工立井的位置坐 标：
[0023] 有益效果，由于采用了上述方案，安装了施工立井吊桶运动状态监测系统的施工 立井能够在吊桶运行过程中实时监测并记录吊桶的运动状态，并在发生吊桶摆动幅度过大 时及时报警，实现了施工立井吊桶运动状态监测的可视化、自动化、智能化。
[0024] 优点：该施工立井吊桶运动状态监测系统及方法可靠性和自动化程度高，同时使 用了机器视觉技术对施工立井吊桶进行位置判断，通过无线mesh节点将监测图像实时快 速上传至控制主机，保证了系统的实时性。整套系统能够实时监测立井施工吊桶的运动状 态并对异常状态自动报警，确保了施工立井吊桶的安全运行。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明一种施工立井吊桶运动状态监测系统布置图。
[0026] 图2是本发明一种施工立井吊桶运动状态监测方法示意框图。
[0027] 图3是本发明终端采集控制器组成图。
[0028] 图中：1、滑架；2、工业相机；3、光源；4、终端采集发射控制器；5、无线mesh节点； 6、控制主机；7、无线信号采集器；8、吊桶；9、激光位移传感器。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合附图和具体实例对本发明一种施工立井吊桶动态测量系统及方法作详 细具体描述。
[0030] 实施例：图1是施工立井吊桶运动状态监测系统布置图，该系统包括安装在滑架 1上的动态信号采集发射系统，安装在井壁上的无线信号传输系统，安装在控制机房的计算 机集控中心。
[0031] 所述的动态信号采集发射系统包括安装在滑架1上激光位移传感器9、安装在滑 架两侧的两台工业相机2、用于补光的两组光源3和放置在滑架1上的的终端采集发射控制 器4,终端采集发射控制器4与工业相机2、光源3以及激光位移传感器9相联接。
[0032] 所述的激光位移传感器9共有两台，两台激光位移传感器9水平布置于滑架上，两 台激光位移传感器9测量方向相互垂直，分别测量两个相互垂直方向上的滑架1相对于施 工立井井壁的距离。
[0033] 所述的终端采集发射控制器4由电池组、单片机控制器、视频采集卡和mesh网络 客户端组成。电池组负责整个终端采集发射控制器以及安装在滑架上的激光位移传感器、 安装在滑架两侧的工业相机、光源的供电；单片机根据设定程序控制终端采集发射控制器 各部分的协调并负责和直接和激光位移传感器通信；视频采集卡将工业相机采集到的模拟 信号转换为数字格式并传给mesh网络客户端；mesh网络客户端通过mesh网络和上位机通 信。
[0034] 工业相机2产生的图像数据和激光位移传感器9产生的距离数据通过终端采集发 射控制器4上传至控制主机6 ;终端采集发射控制器4能够识别工业相机2采集的图像是 否长时间处于静止状态，在确定工业相机2采集的图像长时间处于静止状态时暂停图像信 号的传输以节省电能；终端采集发射控制器4采用电池供电，在终端控制器4电池电量过低 时终端控制器4发出更换电池请求，待滑架1上升至地面时更换终端控制器4电池。
[0035] 所述的无线信号传输系统包括多个