一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置及定位方法
【专利摘要】一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置及定位方法，装置包括机械手，在机械手上安装有摄像机和激光测距传感器，摄像机通过图像采集卡及视觉模块与计算机连接；激光测距传感器及机械手通过控制模块与计算机连接，利用本装置，通过爆破孔搜索、空间直线取得、目标孔测距、三维坐标取得等步骤得到石壁爆破孔的具体位置数据，达到将爆破孔进行三维定位的目的，利用机械手即可完成炸药植入作业。本发明具有炸药植入的准确性高，漏装率低的特点，降低了操作者的劳动强度。
【专利说明】一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置 及定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测控【技术领域】，具体涉及到一种基于摄像机与激光测距传感器联合定 位爆破孔的装置及利用该装置完成爆破孔定位的方法。
【背景技术】
[0002] 在大型土木工程中通常需要对山体进行爆破，一般首先在石壁上钻孔，然后装入 炸药。然而，由于野外环境中石壁很高、表面积大且表面形貌极不规则，采用人工植入炸药 不仅劳动强度大、效率低，且危险性很高，若采用自动化设备植入炸药，又因大部分孔洞与 设备上的操作者距离太远、孔口形貌不规则易与小石块混淆等原因使设备操作人员经常漏 装或错装许多孔洞，因而需要开发爆破孔自动检测与定位装置，为操作者提供爆破孔的空 间位置信息，提高炸药植入的准确性，降低漏装率和操作者的劳动强度。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置及定位方 法，该装置及方法能够为操作者提供爆破孔的空间位置信息，提高炸药植入的准确性，降低 漏装率和操作者的劳动强度。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔 的装置，包括机械手，在机械手上安装有摄像机和激光测距传感器，摄像机通过图像采集卡 及视觉模块与计算机连接；激光测距传感器及机械手通过控制模块与计算机连接。
[0005] 所述的机械手上还设有位移和速度传感器。
[0006] 所述的位移和速度传感器的信号传递给计算机。
[0007] 利用上述装置定位爆破孔的方法，其定位步骤如下：
[0008] 1)爆破孔搜索：利用摄像机对石壁上的孔进行搜索，搜索过程中若视觉模块判断 拍摄区域内有孔，则得到孔的图像，并在视域中分割、锁定各孔为当前目标孔；
[0009] 2)空间直线取得：通过视觉模块中的图像处理软件对孔的图像进行处理，得到孔 的图像二维坐标，再结合正式工作前现场标定的摄像系统参数矩阵，可以求得由摄像机坐 标原点指向目标孔中心的空间直线；
[0010] 3)目标孔测距：控制模块发出指令调整激光测距传感器对准步骤2)中获得的空 间直线的方向进行测距，所得到的数据即为目标孔与激光测距传感器之间的距离；
[0011] 4)三维坐标取得：将步骤2)中得到的空间直线以及步骤3)中的距离参数合成后 进一步换算到机械手底座参考坐标系中，由此得到了目标孔的空间三维坐标，完成石壁爆 破孔的定位，即可引导机械手植入炸药。
[0012] 步骤1) 一 4)过程中运动的坐标数据均以机械手底座为基准参考坐标系，正式工 作前需在现场对摄像机进行标定；工作过程中通过安装在机械手上的位移、速度传感器实 时获取摄像机、激光测距传感器以及机械手末端执行机构相对于该参考坐标系的空间位 置，进而可获取其他需要的相对坐标数据，同时获得了机械手末端执行器与目标孔间在各 方向上的相对距离。
[0013] 利用摄像机对石壁上的孔进行搜索时，若出现同一幅图像中拍摄到多个孔的情 况，锁定其中一孔为当前目标孔。
[0014] 步骤2) - 4)中空间直线、三维坐标取得的方法是：
[0015] 将得到的孔的图像中的孔进行分割，并锁定一个孔为当前目标孔，对给定图 像，可知目标孔在图像中的二维坐标I (u，v)，首先将其转化为以摄像机为参考的坐标系 C(X，Y，Z)中，结果为：
[0016]
【权利要求】
1. 一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置，其特征在于：包括机械 手（7)，在机械手（7)上安装有摄像机（1)和激光测距传感器（8)，摄像机（1)通过图像采 集卡（2)及视觉模块（4)与计算机（3)连接；激光测距传感器（8)及机械手（7)通过控制 模块（5)与计算机（3)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置， 其特征在于：所述的机械手（7)上还设有位移和速度传感器。
3. 根据权利要求2所述的一种基于摄像机与激光测距传感器联合定位爆破孔的装置， 其特征在于：所述的位移和速度传感器的信号传递给计算机（3)。
4. 利用权利要求1 一 3中任一权利要求所述的装置定位爆破孔的方法，其特征在于： 其定位步骤如下： 1) 爆破孔搜索：利用摄像机对石壁上的孔进行搜索，搜索过程中若视觉模块（4)判断 拍摄区域内有孔，则得到孔的图像，并在视域中分割、锁定各孔为当前目标孔； 2) 空间直线取得：通过视觉模块（4)中的图像处理软件对孔的图像进行处理，得到孔 的图像二维坐标，再结合正式工作前现场标定的摄像系统参数矩阵，可以求得由摄像机坐 标原点指向目标孔中心的空间直线； 3) 目标孔测距：控制模块（5)发出指令调整激光测距传感器对准步骤2)中获得的空 间直线的方向进行测距，所得到的数据即为目标孔与激光测距传感器之间的距离； 4) 三维坐标取得：将步骤2)中得到的空间直线以及步骤3)中的距离参数合成后进一 步换算到机械手底座参考坐标系中，由此得到了目标孔的空间三维坐标，完成石壁爆破孔 的定位，即可引导机械手植入炸药。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1) 一 4)过程中运动的坐标数据均 以机械手底座为基准参考坐标系，正式工作前需在现场对摄像机进行标定；工作过程中通 过安装在机械手上的位移、速度传感器实时获取摄像机、激光测距传感器以及机械手末端 执行机构相对于该参考坐标系的空间位置，进而可获取其他需要的相对坐标数据，同时获 得了机械手末端执行器与目标孔间在各方向上的相对距离。
6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：利用摄像机对石壁上的孔进行搜索时，若 出现同一幅图像中拍摄到多个孔的情况，锁定其中一孔为当前目标孔。
7. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤2) - 4)中空间直线、三维坐标取得 的方法是： 将得到的孔的图像中的孔进行分割，并锁定一个孔为当前目标孔，对给定图像，可知目 标孔在图像中的二维坐标I (u，v)，首先将其转化为以摄像机为参考的坐标系C(X，Y，Z)中， 结果为：
其中hn?h34为已知的摄像机系统参数，将（1)式展开可得：
通过式（2)可以确定由摄像机坐标原点指向目标孔中心的空间直线，但直线长度即相 机与孔之间的距离未知，该距离可由激光传感器测量获得，由此即获得了目标孔在摄像机 坐标系C中的三维坐标； 进一步，假设摄像机坐标系C(X，Y，Z)与机械手底座坐标系0(\，1,4)之间的空间转 换矩阵为P，其中P中的各参数由安装在机械手关节部位的位移传感器实时测得，则可将摄 像机坐标系C转换至机械手坐标系0中：
此后，获取任意目标孔后，系统会自动通过以上计算步骤，将目标孔空间坐标转换到机 械手底座坐标系中，实现目标孔相对于机械手底座坐标系的空间定位。
【文档编号】G01C3/00GK104280740SQ201410536220
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】陈从平, 黄正 申请人:三峡大学