大型料场全天候测量系统及方法与流程

文档序号:11062787阅读:894来源:国知局
大型料场全天候测量系统及方法与制造工艺

本发明涉及大型料场堆料量控制领域,尤其涉及一种大型料场非接触测量系统及方法。



背景技术:

工业领域中对大型原料场地散装材料,如铁砂矿、石灰矿、粉煤矿料堆的测量方式主要靠人工操作为主,特别是当大料场多品种的情况,料场测量工作非常的繁琐,需要测量人员在现场对各料堆进行丈量并测绘料场料堆三维图形供料场管理人员对原料的进出料管理,考虑到现场的操作规范和安全性,人员在测量的过程中需要停止堆取料操作,极大的影响了料场的工作效率,而且测量精度难以保证。这些特点和难点极大的制约了料场的自动化和信息化技术的实现。

目前对散装料堆测量的技术方法存在两种,一种采用激光测距方式来实现自动测量,另一种采用立体视觉测量的方法来实现料堆的测量。激光测距方式在料场测量应用中,由于激光技术在应用上存在装置复杂,涉及复杂的驱动和俯仰机械结构设计,对工作环境要求苛刻,激光测距的支架不能有振动,否则严重影响测量精度,而且价格昂贵,应用存在较大局限性,特别是对于多品种非粉末原料多形式堆积方式的料场的测量,还存在测量技术方法上的难点;而立体视觉测量方式是一种新型非接触测量技术,它根据两个相机拍摄的图像获得图像中公共区域特征点的三维坐标从而达到测量目的,但是该技术也存在一些问题,与现场的环境条件,特别是光照条件关联性强,优质光照条件下,成像清晰,技术可行性高,而在普通光照条件下,则技术可行性非常低。

在对此类型的专利技术文献检索中发现,中国发明专利号为200510026197.7的专利,专利名称为:料场测量的计算机自动测量的视觉系统,该专利利用设置在料堆两端面具有相应高度处的CCD摄像头,作为高位视觉采集点,采集料堆全景图像,设置在与堆取料机的行走底盘上面向料堆且随堆取料机的纵向轨道行走的CCD摄像头,在堆取料机上设置移动视觉采集点,所有的CCD摄像头图像信号通过各自的视频电缆传输至图像采集卡,图像采集卡通过PCI总线与图像处理前端连接,将各个CCD摄像头的图像信号再图像处理前端中进行图像的数字化信息表达,图像处理前端输出的数字化表达通过IEEE1394协议接口连接至上位计算机实现图像信息的交互,实现并输出被测料堆的三维几何尺度。该发明在料场现场条件具备与料堆两端面具有相应高度处的CCD摄像头安装位置,能够采集料堆全景图像,且料堆图像拍照效果较好时,能够有效实现料场的计算机自动测量,但是由于在实际现场往往会受到客观环境条件的限制不具备这样的全景图像采集位置,那么该技术的实施将受到限制。

中国发明专利号为200910054129.X,发明名称为:大型料场料堆视觉测量系统,该专利通过在堆取料机的行走底盘上面向料堆且随堆取料机的纵向轨道行走的CCD摄像头,相机光轴非平行安装,采集料堆图像,并将料堆图像传送至前端图像处理器进行初步的处理,然后再通过光纤传送至上位机服务器进行后续算法处理,获得料堆的三维尺寸。该专利可以肯定的是在一定光照条件下,图像采集效果较优的情况下,能实现料场的自动测量,但是很难满足全天候光照条件下,料场的全自动测量,这些难点需要设计一种全天候全自动测量技术。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型料场全天候测量系统及方法,采用激光光栅投影技术,图像抓取设备采集的为光栅图像,与自然光照关联性小,有效的降低了光照因素对项目实现的影响,能够实现全天候全自动非接触测量,节约了劳动力,并且提高了工作效率,提高的料场自动化和信息化水平。

本发明是这样实现的:一种大型料场全天候测量系统,包括:

一对固定安装在堆取料机上的图像抓取设备;所述图像抓取设备设置有一个信号输入口和两个信号输出口;

一与图像抓取设备的信号输入口相接通的图像抓取触发器;

一固定安装在堆取料机上的激光光栅发射器;

一与激光光栅发射器的控制口相连通的激光发射控制器;

所述图像抓取设备其中一个信号输出口与激光发射控制器的输入口连通,所述图像抓取设备另一个信号输出口与图像数据处理器相连;图像抓取设备捕捉经激光光栅发射器发射的激光光栅投影后的料堆图像,并将该料堆图像送入到图像数据处理器内进行处理。

一对所述的图像抓取设备的光心处于同一水平面并且两个光轴互相平行,所述图像抓取触发器同步触发一对图像抓取设备。

所述的图像抓取设备为工业摄像机。

一种大型料场全天候测量方法,包括以下步骤:

S1:图像抓取触发器通过堆取料机的当前走行位置输出触发信号到一对图像抓取设备;

S2:一对图像抓取设备根据图像抓取触发器的信号发送激光发射信号到激光发射控制器;

S3:激光发射控制器控制激光光栅发射器发射激光光栅的同时,一对图像抓取设备同步捕捉经激光光栅发射器发射的激光光栅投影后的料堆图像;

S4:料堆图像送入图像数据处理器进行数据处理后得到料堆的三维信息,根据料堆的三维信息即可得到料堆的体积。

以激光光栅发射器发射出的激光光栅能够投影到的料堆一侧为料堆的正投侧,无法投影到的料堆一侧为料堆的背投侧;所述步骤S4中,图像数据处理器对料堆图像进行数据处理的具体步骤为,

步骤一、对料堆图像进行降噪、滤波和增强的预处理工作得到图像数据;

步骤二、对图像抓取设备位置、图像抓取设备几何模型及参数进行初始化;

步骤三、对预处理后得到的图像数据进行畸变校正、极线校正,得到一对图像抓取设备所成图像的特征点对应关系;

步骤四、对图像数据进行特征分割、特征匹配,将投影到料堆上的激光光栅图像分割出来后离散为特征点,然后寻找相似程度最高的一对图像抓取设备的图像数据中的匹配点对;

步骤五、当计算料堆正投侧时,利用匹配点对通过三维坐标计算得到该次料堆图像对应料堆的正投侧三维坐标信息;

当计算料堆背投侧时,通过背投侧三维信息估计计算得到该次料堆图像对应料堆的背投侧三维坐标信息。

所述步骤二中,图像抓取设备位置初始化是通过测量手段建立固定安装位置的图像抓取设备坐标系与料场已知确定的世界基坐标系之间的转换关系,来实现图像抓取设备外参数的标定、图像抓取设备几何模型和参数进行初始化;图像抓取设备几何模型及参数初始化是通过建立计算机显示图像坐标系、归一化虚成像平面坐标系与图像抓取设备坐标系之间的转换关系来实现图像抓取设备内参数的标定;根据图像抓取设备内参数和图像抓取设备外参数标定,建立图像坐标系二维坐标点到料场世界基坐标系的三维坐标点的转换关系。

所述步骤三中,图像数据的畸变校正是通过畸变方程的求逆运算将受径向和切向畸变影响后的点坐标校正为无畸变的坐标,消除畸变后的图像点更加真实;极线校正是根据极线几何原理将同一物点对应的一对图像抓取设备的图像平面的极线都变成水平平行线或者垂直平行线,从而使得同一物点在两个图像抓取设备的成像点行对准或者列对准;图像数据先经过畸变校正,再经过极线校正后,待匹配的一对图像抓取设备成像平面上的点,具有相同的纵坐标或者横坐标。

所述步骤四中,图像数据的特征分割为将投影到料堆上的激光光栅图像分割出来;分隔出来的激光光栅图像通过特征匹配为离散的特征点,根据步骤三得到的特征点对应关系通过计算特征点的邻域向量的相似程度在非坐标系图像抓取设备的成像图像上寻找特征点的匹配点,从而可以寻找获得相似程度最高的匹配点对;所述的非坐标系图像抓取设备是指在图像抓取设备标定参数获取的过程中,没有作为图像抓取设备坐标系所使用的图像抓取设备。

所述步骤五中,当进行料堆正投侧计算时,根据匹配点对获得该特征点对的视差,然后再根据图像抓取设备几何模型获得的视差、图像抓取设备内外参数与三维坐标之间的转换关系,最终获得当前激光光栅特征匹配点对所对应的实际料堆点的三维空间坐标。

所述步骤五中,当进行料堆背投侧计算时,先利用匹配点对通过三维坐标计算得到该次料堆图像对应料堆的正投侧三维坐标信息;然后根据正投侧三维坐标信息中最高点的三维坐标,以及贝塞尔曲线理论,模拟拟合出背投侧的料堆三维坐标曲线,并获得相应的背投侧三维坐标信息。

所述步骤S4之后还包括对每次得到的料堆三维坐标信息进行拼接计算获得最终整个料场的三维信息数据的步骤。

本发明大型料场全天候测量系统及方法采用了激光光栅投影的方式,将激光光栅投影到正投侧当前料堆上,然后通过双目形式的图像抓取设备采集投影后的激光光栅图像,有效的降低了光照因素对项目实现的影响,然后对采集后的激光光栅图像进行算法处理,获取堆取料机正投侧当前走形位置处的光栅投影料堆表面的三维坐标信息;当只有一侧设置堆取料机轨道,在背投侧料堆基本不存在堆取料机操作作业的情况下,利用贝塞尔曲线拟合的方式将背投侧的当前走形位置处的表面曲线进行拟合,获取背投侧料堆曲线三维坐标,最后将堆取料机在料场走形轨道上所有采集位置的正投侧和背投侧料堆表面三维坐标信息进行拼接融合,获取最终整个料场的三维测量结果;当两侧都有堆取料机时,料堆两侧全都采用实测方式取得三维坐标。

本发明采用激光光栅投影技术,图像抓取设备采集的为光栅图像,与自然光照关联性小,有效的降低了光照因素对项目实现的影响,能够实现全天候全自动非接触测量,并且不影响堆取料机的正常工作,最大限度的降低了劳动强度,节约了劳动力,并且提高了工作效率,提高的料场自动化和信息化水平。

附图说明

图1为本发明大型料场全天候测量系统的工作状态示意图;

图2为本发明大型料场全天候测量系统实施例1中的布置示意图;

图3为本发明大型料场全天候测量系统实施例2中的布置示意图;

图4为本发明大型料场全天候测量方法的控制流程框图;

图5为本发明大型料场全天候测量方法中利用各个模块对料堆图像进行数据处理的流程框图;

图中:1图像抓取设备、2激光光栅发射器、3堆取料机、4料堆、5轨道、6正投侧、7背投侧。

具体实施方式

下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明表述的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1、2所示,一种大型料场全天候测量系统,包括一对图像抓取设备1和一激光光栅发射器2,一对所述的图像抓取设备1固定安装在堆取料机3上;图像抓取设备1设置有一个信号输入口和两个信号输出口;图像抓取设备1的信号输入口连接有图像抓取触发器,图像抓取触发器输出控制信号对图像抓取设备1进行控制,在本实施例中,所述的图像抓取设备1为工业摄像机;所述激光光栅发射器2固定安装在堆取料机3上,所述激光光栅发射器2的控制口由激光发射控制器输出控制信号进行控制;

所述图像抓取设备1其中一个信号输出口与激光发射控制器的输入口连通,所述图像抓取设备1另一个信号输出口与图像数据处理器相连;图像抓取设备1的镜头前安装与激光光栅发射器2发射的激光波段对应的光学带通滤镜,图像抓取设备1捕捉经激光光栅发射器2发射的激光光栅在料堆4上投影后的料堆图像,并将该料堆图像送入到图像数据处理器内进行处理。

本发明可以进一步描述为,一对所述的图像抓取设备1的光心处于同一水平面并且两个光轴互相平行,所述图像抓取触发器同步触发一对图像抓取设备1;通常情况下,所述激光光栅发射器2设置在一对图像抓取设备1之间;这样安装,一对图像抓取设备1具有较大的公共视场范围。

在本实施例中,料堆4只有一侧设置有轨道5,因此堆取料机1只会在料堆4的一侧取料,因此将安装有大型料场全天候测量系统的一侧料堆作为料堆4的正投侧6,大型料场全天候测量系统照射不到的一侧料堆作为料堆4的背投侧7;正投侧数据由实测数据计算得到,背投侧数据根据正投侧数据进行拟合得到,将正投侧数据和背投侧数据拼接后得到整个料堆的三维数据,从而实现对料堆体积的控制。

如图4所示,一种大型料场全天候测量方法,在本实施例中,采用一套大型料场全天候测量系统,只实际测量料堆一侧作为正投侧的三维信息,料堆的另一侧作为背投侧,背投侧的三维信息通过背投侧三维信息估计计算得,然后结合正投侧和背投侧的三维信息得到料堆的体积,具体包括以下步骤:

S1:图像抓取触发器通过堆取料机的当前走行位置输出触发信号到一对图像抓取设备;

S2:一对图像抓取设备根据图像抓取触发器的信号发送激光发射信号到激光发射控制器;

S3:激光发射控制器控制激光光栅发射器发射激光光栅的同时,一对图像抓取设备同步捕捉经激光光栅发射器发射的激光光栅投影后的料堆图像;该图像必须要被一对图像抓取设备同步采集到,此图像采集过程才算成功;

S4:料堆图像送入图像数据处理器进行数据处理后得到料堆的三维信息,根据料堆的三维信息即可得到料堆的体积。

以激光光栅发射器发射出的激光光栅能够投影到的料堆一侧为料堆的正投侧,无法投影到的料堆一侧为料堆的背投侧;图像数据处理器对料堆图像进行数据处理的具体步骤为,

步骤一、对料堆图像进行降噪、滤波和增强的预处理工作得到图像数据;

工控机图像预处理模块接收图像抓取设备拍摄的料堆图像,并对料堆图像进行初步的处理,主要承担对接收的料堆图像进行降噪、滤波和增强处理;

步骤二、对图像抓取设备位置、图像抓取设备几何模型及参数进行初始化;

图像抓取设备位置初始化是通过测量手段建立固定安装位置的图像抓取设备坐标系与料场已知确定的世界基坐标系之间的转换关系,来实现图像抓取设备外参数的标定、图像抓取设备几何模型和参数进行初始化;初始测量时利用堆取料机当前位置信息,即相对于料场的起始位置的坐标信息,与图像抓取设备在堆取料机中的安装位置及安装角度,获取图像抓取设备相对于料场起始的世界基坐标系的转换关系;

图像抓取设备几何模型及参数初始化是通过建立计算机显示图像坐标系、归一化虚成像平面坐标系与图像抓取设备坐标系之间的转换关系来实现图像抓取设备内参数的标定;根据图像抓取设备内参数和图像抓取设备外参数标定,建立图像坐标系二维坐标点到料场世界基坐标系的三维坐标点的转换关系;

步骤三、对预处理后得到的图像数据进行畸变校正、极线校正,得到一对图像抓取设备所成图像的特征点对应关系;

图像数据的畸变校正是通过畸变方程的求逆运算将受径向和切向畸变影响后的点坐标校正为无畸变的坐标,消除畸变后的图像点更加真实;极线校正是根据极线几何原理将同一物点对应的一对图像抓取设备的图像平面的极线都变成水平平行线或者垂直平行线,从而使得同一物点在两个图像抓取设备的成像点行对准或者列对准;图像数据先经过畸变校正,再经过极线校正后,待匹配的一对图像抓取设备成像平面上的点,具有相同的纵坐标或者横坐标。

步骤四、对图像数据进行特征分割、特征匹配,将投影到料堆上的激光光栅图像分割出来后离散为特征点,然后寻找相似程度最高的一对图像抓取设备的图像数据中的匹配点对;

图像数据的特征分割为将投影到料堆上的激光光栅图像分割出来;分隔出来的激光光栅图像通过特征匹配为离散的特征点,根据步骤三得到的特征点对应关系通过计算特征点的邻域向量的相似程度在非坐标系图像抓取设备的成像图像上寻找特征点的匹配点,从而可以寻找获得相似程度最高的匹配点对;所述的非坐标系图像抓取设备是指在图像抓取设备标定参数获取的过程中,没有作为图像抓取设备坐标系所使用的图像抓取设备。

步骤五、当计算料堆正投侧时,利用匹配点对通过三维坐标计算得到该次料堆图像对应料堆的正投侧三维坐标信息;

当计算料堆背投侧时,通过背投侧三维信息估计计算得到该次料堆图像对应料堆的背投侧三维坐标信息;

当进行料堆正投侧计算时,根据匹配点对获得该特征点对的视差,然后再根据图像抓取设备几何模型获得的视差、图像抓取设备内外参数与三维坐标之间的转换关系,最终获得当前激光光栅特征匹配点对所对应的实际料堆点的三维空间坐标。

当进行料堆背投侧计算时,先利用匹配点对通过三维坐标计算得到该次料堆图像对应料堆的正投侧三维坐标信息;然后根据正投侧三维坐标信息中最高点的三维坐标,利用料堆顶部点和底部点以及料堆堆料的安息角度,以及贝塞尔曲线理论,采用贝塞尔二阶曲线拟合方法,将背投侧的料堆的三维曲线进行拟合,从而估算出背侧料堆的该截面的料堆三维曲线,进而将该三维曲线进行离散获得对应三维坐标点,获得相应的背投侧三维坐标信息;

本实施例中为只有单侧的轨道,因此计算出正投侧和背投侧的三维坐标信息后,对两者进行拼接得到整个料堆的三维坐标信息。

S5:对每次得到的料堆三维坐标信息进行拼接计算获得最终整个料场的三维信息数据的步骤;

料场拼接模块将整个料场所有位置激光光栅投影处的料堆的表面的三维坐标进行拼接融合,拼接融合方法主要采用插值算法,将离散点的截面曲线,插值近似连续点的截面曲线,相邻点之间曲线方程相同,再通过三维显示的方式进行连续展现。

实施例2

如图3所示,一种大型料场全天候测量方法,实施例2和实施例1的区别在于,在料堆4的两侧都设置有堆取料机3进行取料,因此两侧都具有本发明中的大型料场全天候测量系统,料堆4的两侧都为正投侧,因此在所述步骤S4的步骤五中,料堆两侧都为正投侧,利用匹配点对通过三维坐标计算得到该次料堆图像对应料堆的正投侧三维坐标信息。

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