专利名称：基于单目视觉的钻车姿态测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种钻车控制领域中的姿态测量系统，特别涉及一种基于单目视觉的钻车姿态测量系统。
背景技术：
煤矿用液压掘进钻车工作时需要明确钻杆的姿态以便实现定向钻进。在实际操作过程中，通常使用价格昂贵的随钻测量系统测量钻杆姿态。在多数非精确钻进应用中，只需要已知钻车自身姿态，然后通过人工矫正的方式即可实现定向钻进。此方案与随钻测量系统相比，具有成本低、可靠性高等特点。目前尚未查阅到与此方案类似的专利和产品。测量姿态通常使用带有三轴加速度计和三轴磁强计的姿态传感器。但由于这类传感器容易受到电磁干扰的影响，而钻车自身具有强电磁干扰，因此传统的姿态传感器不能 直接安装在钻车上使用。必须使传感器与钻车相隔一定距离，以便降低钻车的电磁干扰信号对传感器的影响。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种基于单目视觉的钻车姿态测量系统，避免传感器受到钻车电磁干扰，降低测量成本。本实用新型的目的是这样实现的一种基于单目视觉的钻车姿态测量系统，该测量系统包括三轴加速度计、三轴磁强计、摄像机、辅助平台、矿用工业计算机、钻车以及由光点I、光点II、光点III与光点IV组成的光点矩阵所述三轴加速度计和三轴磁强计均安装在辅助平台上。所述摄像机固定在辅助平台上方，摄像机的视野能够完整的覆盖光点矩形，所述矿用工业计算机中安装图像采集卡，所述摄像机输出的模拟信号通过图像采集卡输入到矿用工业计算机中，所述光点I、光点II、光点III、光点IV通过安装在钻车上的干电池供电发光。与现有技术相比，本实用新型的有益效果本实用新型能够对钻车姿态进行非接触式测量，避免钻车电磁信号对姿态传感器的干扰，系统使用的摄像机、矿用工业计算机以及姿态传感器安装方便，维护方便，造价较低，所使用到的姿态测量方法算法成熟，可靠性高，测量精度高。
图I为本实用新型的钻车姿态测量系统示意图。图2为本实用新型的辅助平台部分的结构示意图。其中地理坐标系I三轴加速度计2三轴磁强计3[0014]摄像机坐标系4摄像机5辅助平台坐标系6辅助平台7矿用工业计算机8光点矩形坐标系9光点矩形10光点Ill光点II 12 光点 III 13 光点 IV 14钻车坐标系15钻车16。
具体实施方式
本实用新型涉及一种基于单目视觉的钻车姿态测量系统。测量系统结构参见图I一图2所示，包括三轴加速度计2、三轴磁强计3、摄像机5、辅助平台7、矿用工业计算机8、光点矩形10、光点I 11、光点II 12、光点III 13、光点IV 14和钻车16。三轴加速度计2采用ADI公司ADXL系列产品，三轴磁强计3采用HONEYWELL公司HMC系列磁阻式磁强计，摄像机5采用防爆摄像机，辅助平台7采用防爆机壳，矿用工业计算机8采用工业防爆计算机，光点I 11、光点II 12、光点III 13和光点IV 14均使用高亮度发光二极管。三轴加速度计2和三轴磁强计3均安装在辅助平台7上，摄像机5固定在辅助平台7上方，其视野能够完整的覆盖光点矩形10，矿用工业计算机8中安装图像采集卡，摄像机5输出的模拟信号通过图像采集卡输入到矿用工业计算机8中。光点I 11、光点II 12、光点III 13和光点IV 14通过安装在钻车上的干电池供电发光。本实用新型涉及的一种基于单目视觉的钻车姿态测量方法，所述测量方法包括以下步骤步骤一建立地理坐标系1，以辅助平台7附近某点为坐标原点，分别使地理坐标系I的X轴、Y轴和Z轴指向地理东方、地理北方和地心；建立摄像机坐标系4，以摄像机5的光心作为坐标系原点，以摄像机5光轴向外方向为Z轴正向，以成像平面水平向左方法为X轴正向，Y轴正方向通过右手法则确定；建立辅助平台坐标系6，以辅助平台7的表面中心为原点，以水平向右为X轴正方向，以辅助平台7截面向里为Y轴正方向，Z轴正方向通过右手法则确定；建立光点矩形坐标系9，以光点矩形10的中心为原点，以光点矩形10水平向右为X轴正方向，光点矩形10水平向下为Y轴正方向，Z轴正方向通过右手法则确定；建立钻车坐标系15，以钻车16的表面某一点为原点，以钻车16水平向前为X轴正方向，水平向右为Y轴正方向，Z轴正方向通过右手法则确定。步骤二 设置摄像机5的内参数，测量光点矩形10的长度和宽度。步骤三利用三坐标仪标定摄像机坐标系4与辅助平台坐标系6的相对姿态R1，光点矩形坐标系9与钻车坐标系15的相对姿态R2。步骤四利用摄像机5采集光点图像，以光点图像坐标作为特征点，利用正交迭代方法和步骤二中获得的摄像机内参数求解P4P问题，计算得到光点矩形坐标系9相对于摄像机坐标系4的姿态R3 ；步骤五利用姿态传感器测量辅助平台坐标系6相对于地理坐标系I的姿态R4，具体步骤如下5. I、利用三轴加速度计2测量辅助平台7所处位置的重力加速度矢量[gx, gy,gz]T，其中gx，gy和gz分别为三轴加速度计2的输出值；5. 2、利用三轴磁强计3测量辅助平台7所处位置的磁场强度[mx，my, mj，其中mx, my和mz分别为三轴磁强计3的输出值。5. 3、利用下式计算R4
cos & cos lf/cos B if/— sin ^
= sin 炉sin ^coscos ^Psin iff sin g sm &sm i//+cos ^cossin ^pcosd cos <p$m 5cosy/+sin ^psm cos ^siri 0sm sin ^pcos cos 炉cos 5其中，
^=StanfgjlZg1)
& = -atan (g, / -Jgf+gf)
9= atan(gC^g)^-mygz)/(m,(gJy + g:)-myg而g为重力加速度值。步骤六通过坐标变换计算钻车坐标系15相对于地理坐标系I的姿态R R = R2tR3R1R4其中，R2T为姿态R2的转置矩阵。
权利要求1. 一种基于单目视觉的钻车姿态测量系统，其特征在于该测量系统包括三轴加速度计(2)、三轴磁强计(3)、摄像机(5)、辅助平台(7)、矿用工业计算机(8)、钻车(16)以及由光点I (11)、光点II (12)、光点III (13)与光点IV (14)组成的光点矩形(10)，所述三轴加速度计(2)和三轴磁强计(3)均安装在辅助平台(7)上，所述摄像机(5)固定在辅助平台(7)上方，摄像机(5)的视野能够完整的覆盖光点矩形(10)，所述矿用工业计算机(8)中安装图像采集卡，所述摄像机(5 )输出的模拟信号通过图像采集卡输入到矿用工业计算机(8 )中，所述光点I (11)、光点II (12)、光点III (13)、光点IV (14)通过安装在钻车(16)上的干电池供电发光。
专利摘要本实用新型涉及一种基于单目视觉的钻车姿态测量系统，其特征在于该测量系统包括三轴加速度计(2)、三轴磁强计(3)、摄像机(5)、辅助平台(7)、矿用工业计算机(8)、钻车(16)以及由光点I(11)、光点II(12)、光点III(13)与光点IV(14)组成的光点矩形(10)，所述三轴加速度计和三轴磁强计均安装在辅助平台上，摄像机的视野能够完整的覆盖光点矩形，所述矿用工业计算机中安装图像采集卡，所述摄像机输出的模拟信号通过图像采集卡输入到矿用工业计算机中。本实用新型能够对钻车姿态进行非接触式测量，避免钻车电磁信号对姿态传感器的干扰，所使用的测量方法算法成熟，可靠性高，测量精度高。
文档编号G01C11/00GK202562485SQ20122007482
公开日2012年11月28日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者余意, 杨平, 李逊 申请人:江阴中科矿业安全科技有限公司