一种基于平面镜成像的二自由度测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于二自由度测量技术领域，具体涉及一种基于平面镜成像原理实现二自 由度测量的装置及方法。 技术背景
[0002] 对于煤矿自动化综采而言，其主要设备包括:液压支架组、采煤机和刮板输送机， 一个综采工作面通常有数以百计的液压支架成组使用，为采煤机、刮板输送机、人员和其他 设备提供工作空间，同时根据煤层地质的走势，各个液压支架间并不是平行、垂直放置，而 是在空间上存在一定的错位。由于煤矿井下坐标少，倾斜的液压支架不容易发现，当倾斜较 大时容易发生倒架，进而造成人员和财产的损失，发生煤矿事故。除此之外，在建筑工程施 工过程中也会涉及在空间上错位或者需要检测二自由度的需求。
[0003] 但是目前液压支架姿态定性判断主要依靠工作人员观察，其判断准确性差，不利 于高效率综采工作面的实现，目前主要用于一些小煤矿的开采。只有经济实力雄厚的大煤 炭企业才采用机器视觉平面夹角测量方法(基于机器视觉的液压支架平面夹角测量方法： 此方法是在两待测固定板上各标记出一个圆及其圆心，使用一台已知其内部参数的数字相 机，在空间任意位置进行一次拍照，获得圆心和部分标记圆图像，然后通过最小二乘法拟合 出各平面上圆图像的方程及其圆心的图像坐标，即可确定出各平面上的消隐线方程，进而 可以得到各平面法线方向上的灭点坐标，再根据相机成像方程，利用这两个灭点坐标和已 知的相机内部参数计算出两平面法线夹角值，对其求补角即可得到两平面间的夹角。）。但 是此方法原理复杂，计算过程繁冗，不便于简单、快速测量，且采购和维护成本高，不利于在 煤矿企业或者建筑施工等领域广泛推广和应用。
[0004] 本发明所介绍的基于平面镜成像的二自由度测量装置，主要利用平面镜成像原 理，通过两个面对面放置的平面镜来进行二自由度的判断和测量。其系统原理可靠、成本 低、使用方便、测量准确、有利于大面积推广。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种受外界干扰小、可以定量测量并且测量结果准确、对 角度调整具有指导作用的基于平面镜成像的二自由度测量装置。
[0006] 同时，还提供了一种能够利用上述基于平面镜成像的二自由度测量装置实现二自 由度测量的方法。
[0007] 本发明所采用的技术方案是:该基于平面镜成像的二自由度测量装置包括安装在 测量基点上的基准固定板和安装在待测目标上且与基准固定板相对的待测固定板，在基准 固定板和待测固定板上分别用紧固连接件固定有基准平面镜和待测平面镜，基准平面镜与 待测平面镜的反射面相对设置，在基准平面镜的反射面前方设置有可安装摄像头的镜架， 在镜架上正对摄像头镜头的位置设置有标记杆，标记杆与基准平面镜平行，摄像头通过数 据线与计算机连接。
[0008] 上述紧固连接件可以是U形固定架或双头吸盘架或紧固连接螺栓。
[0009] 上述紧固连接件是U形固定架，所述基准固定板与基准平面镜、待测固定板与待测 平面镜均通过U形固定架紧固，所述U形固定架是由U形架、顶紧螺杆和接触圆台组成，U形架 的两端分布在基准固定板与基准平面镜的两侧或者是待测固定板与待测平面镜的两侧，接 触圆台设置在U形架的一端部并且与基准平面镜或者待测平面镜接触，顶紧螺杆穿过U形架 另一端头的螺孔延伸至基准固定板或待测固定板上，使顶紧螺杆与接触圆台将基准固定板 与基准平面镜紧固或者待测固定板与待测平面镜紧固。
[0010] 上述紧固连接件是双头吸盘架，所述基准固定板与基准平面镜通过双头吸盘架连 接，所述双头吸盘架是由中间体、吸盘、弹簧、接头、密封圈、连接轴以及固定螺母组成，中间 体呈中空结构，在其中部侧壁沿着径向开设有通气孔，在通气孔上连接有接头，中间体的两 端通过空心连接轴分别与吸盘连接，形成抽真空通道，吸盘通过固定螺母和密封圈与连接 轴密封连接，在连接轴外壁上套装有弹簧。
[0011] 上述中间体的中部沿径向开设有一个通气孔与中间体的空腔形成T形抽真空通道 或者开设有两个相对并贯通的通气孔与中间体的空腔形成十字交叉的抽真空通道。
[0012] 上述镜架是由平行设置的安装柱、连接在两个安装柱之间的横梁、设置在安装柱 端部的伸缩杆以及连接在伸缩杆末端的连接杆组成，安装柱的固定端垂直固定在基准平面 镜上，摄像头安装在横梁上，连接杆与横梁平行，标记杆固定在连接杆的中部。
[0013] 在伸缩杆的末端与校准架连接，校准架上设置有与基准平面镜平行的校准平面 镜，所述标记杆包括横向标记杆和纵向标记杆，横向标记杆设置在纵向标记杆的顶部并与 纵向标记杆垂直。
[0014] 利用上述的基于平面镜成像的二自由度测量装置实现二自由度测量方法由以下 步骤组成：
[0015] (1)以基准平面镜的中心点为坐标原点，以原点与标记杆的水平连线的延伸方向 为X轴方向、在同一水平面上过原点与X轴垂直的方向为y轴方向、过原点垂直于X轴和y轴的 方向为z轴方向，建立坐标系，并确定出待测平面镜与标记杆之间的水平距离L 1;
[0016] (2)标记杆在基准平面镜和待测平面镜上循环反射形成多个虚像，调整摄像头镜 头正对标记杆，采集标记杆的实像以及呈现在待测平面镜中第一个虚像，并上传至计算机， 计算机根据上传的图像信息进一步分析，提取实像和第一个虚像在χζ面上沿着X轴方向的 偏移距离S1和xy面上沿着y轴方向的偏移距离S2;
[0017] (3)利用下式（1)和式(2)计算出待测平面镜相对于基准平面镜的横摆角度α和俯 仰角度β，
[0020]其中，1为摄像头与标记杆之间的水平距离为待测平面镜与标记杆之间的水平 距离。
[0021] 在步骤(3)之后还包括步骤(4)，根据步骤(3)的横摆角度α和俯仰角度β以及步骤 (2)所采集的实像与第一个虚像的位置关系调整待测平面镜的偏转角度，若第一个虚像在 实像的左侧，则沿ζ轴负方向顺时针旋转待测平面镜的角度为α，即可实现待测平面镜与基 准平面镜平行;若第一个虚像在实像的右侧，沿ζ轴负方向逆时针旋转待测平面镜的角度为 α，可实现待测平面镜与基准平面镜平行;若第一个虚像在实像的下侧，沿y轴负方向顺时针 旋转待测平面镜的角度为β，即可实现待测平面镜与基准平面镜平行;若第一个虚像在实像 的上侧，沿y轴负方向逆时针旋转待测平面镜的角度为β，即可实现待测平面镜与基准平面 镜平行，从而完成待测平面镜的角度调整。
[0022] 在步骤（1)和步骤(2)之间还包括步骤(a)，具体是:在镜架上安装好校准平面镜， 标记杆在基准平面镜和校准平面镜上成像，调整摄像头镜头正对标记杆，采集标记杆的实 像以及呈现在校准平面镜中第一个虚像，判断实像和第一个虚像是否重合，若否，则重新检 查镜架和基准平面镜，重新安装;若是，则基准平面镜与校准平面镜平整，镜架与基准平面 镜垂直，拆除校准平面镜，进行下一步骤。
[0023] 本发明是利用摄像头采集标记杆的实像以及标记杆在基准平面镜和待测平面镜 上所成的虚像，利用实像和虚像之间的偏移距离以及标记杆与待测平面镜之间的距离、标 记杆与摄像头之间的距离，从而通过立体几何关系算出基准平面镜和待测平面镜之间的俯 仰角度和横摆角度，同时还可通过两个方向上的测量结果，对两个方向上的旋转角度进行 判断和调整，以期实现预先的目的，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024] 1)本发明应用可靠的平面镜多次成像原理，将光学原理和机械结构相结合的模 式，光路传播不受电磁、温度、湿度、灰尘等恶劣因素的影响，受外界干扰小，可靠性高，生存 能力强，而且结构简单，很好地解决了空间平面之间的横摆角度和俯仰角度的精确测量，对 角度调整具有指导作用。
[0025] 2)本发明利用高清摄像头可将标记杆的实像与待测平面镜中的虚像在同一个面 上呈现出来，用肉眼即可判断安装基准平面镜和待测平面镜的两个空间平面是否平行，即 可进行初步修正，而且通过计算机对图像进行分析，可以准确测算出实像与虚像之间的偏 差距离，从而准确计算出基准平面镜和待测平面镜之间的俯仰角度和横摆角度。
[0026] 3)本发明可适用于不同的应用环境，特别是当应用于液压支架顶梁平衡检测时， 可以安装基准平面镜的液压支架为基准，对调整其他与之并列的液压支架起监控和协助作 用，而且不仅可以适于空间中不同物体之间的二自由度测量，也可用于同一物体上不同平 面的测量，适用范围广，适于推广。
【附图说明】
[0027] 图1为实施例1的螺栓固定时的装置结构示意图。
[0028]图2为图1的局部结构示意图。
[0029]图3为建立的坐标系示意图。
[0030] 图4~7对应为实施例1的测量方法中实像与第一虚像之间偏移的四种情形。
[0031] 图8为实施例2的U形固定架9固定时的装置结构示意图。
[0032] 图9为图8中U形固定架9的结构示意图。
[0033] 图10为实施例3的双头吸盘架10固定时的装置结构示意图。
[0034]图11为图10中双头吸盘架10的结构示意图。
[0035]图12为双头吸盘架10的连接轴10-7结构示