一种矿斗所载矿物体积测量方法及系统与流程

文档序号：19150670发布日期：2019-11-16 00:02阅读：321来源：国知局

本发明涉及采矿技术领域，特别是涉及一种矿斗所载矿物体积测量方法及系统。

背景技术：

针对矿山出矿的传统计量方式是粗放的人工计量，主要是利用运动矿斗的固定容量去估算矿斗所载矿物的体积。然而人工计量的计量方式存在以下问题：1.每斗装矿量未达标，导致年累积量相差较大，无法掌握真实出矿数据，不利于企业生产计划。2.因大部分矿斗未满负荷导致整个矿山出矿效率不高。3.配置大量计量工人，增加了企业生产成本。4.计量工人在井下放矿点附近工作，安全风险大，工作环境差，劳动强度大。

为了克服以上问题，对计量方式进行改进，使计量方式朝向机械化和自动化方向发展，从而摆脱对人工的依赖，目前常用的两种改进的计量方式为利用动态轨道衡称重的计量方式以及基于流量传感器和tof(timeofflight，飞行时间测距法)的计量方式。利用动态轨道衡称重的计量方式需要在矿车必经的地方建造动态轨道衡。基于流量传感器和tof的计量方式的结构图如图1所示，利用传送带传送物体，基于tof技术测量传送带上散装物体的体积流量，流量传感器凭借多重回波技术根据激光飞行时间和传送带速度生成可靠的体积流量信号。然而该基于流量传感器和tof的计量方式依赖于传送带的输送方式，需要对现有的矿物输送方式进行调整。

综上，现有的计量方式存在需要对现有的采矿方式进行调整或改变的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矿斗所载矿物体积测量方法及系统，直接在现有采矿方式的基础上实现矿物计量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种矿斗所载矿物体积测量方法，应用于一种测量装置；该测量装置包括处理器和位于矿斗轨道正上方的三维成像装置；所述三维成像装置的拍摄方向朝向正下方；所述三维成像装置的输出端与所述处理器的输入端连接；所述三维成像装置用于拍摄矿斗图像，所述处理器用于计算矿物体积；

该测量方法包括：

获取所述三维成像装置拍摄的矿斗图像；所述三维成像装置拍摄的矿斗图像中包含图像深度信息；

识别所述矿斗图像中矿斗所在区域各个位置的深度信息，得到所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离；

根据所述矿斗的形状和大小以及所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离，利用微积分计算所述矿斗内矿物的体积。

可选的，所述根据所述矿斗的形状和大小以及所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离，利用微积分计算所述矿斗内矿物的体积，具体包括：

将所述三维成像装置的距底距离减去所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离得到所述矿斗的上表面各点的距底距离；所述距底距离为距离矿斗底部的距离；

以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为矿斗的上表面各点的高度值，通过对矿斗的上表面所覆盖的区域进行微分处理求取矿斗的上表面所覆盖的区域的体积；所述矿斗的上表面所覆盖的区域为矿斗底部以上且位于所述矿斗的上表面正下方的区域；

通过对所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域进行微分处理求取矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积；

将所述矿斗的上表面所覆盖的区域的体积减去所述矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积得到矿斗内矿物的体积。

可选的，所述以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为矿斗的上表面各点的高度值，通过对矿斗的上表面所覆盖的区域进行微分处理求取矿斗的上表面所覆盖的区域的体积，具体包括：

将所述矿斗的上表面所覆盖的区域沿相互垂直的两个水平方向进行微分处理，得到覆盖区域微元；

以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为各所述覆盖区域微元的高度值求取各个所述覆盖区域微元的体积，得到各个所述覆盖区域微元的微体积；

将所有所述微体积求和得到矿斗的上表面所覆盖的区域的体积。

可选的，所述通过对所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域进行微分处理求取矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积，具体包括：

将所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域沿三棱柱的高的延伸方向进行微元划分，得到多个三角微元；

计算每个所述三角微元的体积；

将所有所述三角微元的体积求和得到矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积。

可选的，在所述识别所述矿斗图像中矿斗所在区域各个位置的深度信息，得到所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离之前，还包括：

将所述矿斗图像的坐标系转换为以所述三维成像装置的成像中心为原点的真实世界坐标系；

从所述矿斗图像中识别出矿斗所在区域。

一种矿斗所载矿物体积测量系统，应用于一种测量装置；该测量装置包括处理器和位于矿斗轨道正上方的三维成像装置；所述三维成像装置的拍摄方向朝向正下方；所述三维成像装置的输出端与所述处理器的输入端连接；所述三维成像装置用于拍摄矿斗图像，所述处理器用于计算矿物体积；

该测量系统包括：

图像获取模块，用于获取所述三维成像装置拍摄的矿斗图像；所述三维成像装置拍摄的矿斗图像中包含图像深度信息；

深度获取模块，用于识别所述矿斗图像中矿斗所在区域各个位置的深度信息，得到所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离；

体积计算模块，用于根据所述矿斗的形状和大小以及所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离，利用微积分计算所述矿斗内矿物的体积。

可选的，所述体积计算模块包括：

距底距离计算单元，用于将所述三维成像装置的距底距离减去所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离得到所述矿斗的上表面各点的距底距离；所述距底距离为距离矿斗底部的距离；

覆盖区域体积计算单元，用于以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为矿斗的上表面各点的高度值，通过对矿斗的上表面所覆盖的区域进行微分处理求取矿斗的上表面所覆盖的区域的体积；所述矿斗的上表面所覆盖的区域为矿斗底部以上且位于所述矿斗的上表面正下方的区域；

矿斗外侧体积计算单元，用于通过对所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域进行微分处理求取矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积；

体积相减单元，用于将所述矿斗的上表面所覆盖的区域的体积减去所述矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积得到矿斗内矿物的体积。

可选的，所述覆盖区域体积计算单元包括：

第一微元划分子单元，用于将所述矿斗的上表面所覆盖的区域沿相互垂直的两个水平方向进行微分处理，得到覆盖区域微元；

第一微元体积计算子单元，用于以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为各所述覆盖区域微元的高度值求取各个所述覆盖区域微元的体积，得到各个所述覆盖区域微元的微体积；

第一微元体积求和子单元，用于将所有所述微体积求和得到矿斗的上表面所覆盖的区域的体积。

可选的，所述矿斗外侧体积计算单元包括：

第二微元划分子单元，用于将所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域沿三棱柱的高的延伸方向进行微元划分，得到多个三角微元；

第二微元体积计算子单元，用于计算每个所述三角微元的体积；

第二微元体积求和子单元，用于将所有所述三角微元的体积求和得到矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积。

可选的，该测量系统还包括：

坐标转换模块，用于将所述矿斗图像的坐标系转换为以所述三维成像装置的成像中心为原点的真实世界坐标系；

识别模块，用于从所述矿斗图像中识别出矿斗所在区域。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的矿斗所载矿物体积测量方法及系统，通过在矿斗轨道正上方安装三维成像装置即可实现矿车成像和体积测量，无需对现有的采矿方式进行调整，可以直接在现有采矿方式的基础上实现矿物体积的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术基于流量传感器和tof的计量方式的结构图；

图2为本发明实施例1中矿斗所载矿物体积测量方法所利用的测量装置的结构图；

图3为本发明实施例1中矿斗所载矿物体积测量方法的方法流程图；

图4为坐标关系示意图；

图5为本发明前后两侧面为竖直面，左右两侧面为斜面矿斗结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

实施例1的矿斗所载矿物体积测量方法，应用于一种测量装置。

图2为本发明实施例1中矿斗所载矿物体积测量方法所利用的测量装置的结构图。

参见图2，该测量装置包括处理器(图中未示出)和位于矿斗轨道正上方的三维成像装置1；所述三维成像装置1的高度高于矿斗2的高度。所述三维成像装置1的拍摄方向朝向正下方；所述三维成像装置1的输出端与所述处理器的输入端连接；所述三维成像装置1用于拍摄矿斗图像，所述处理器用于计算矿物体积。

所述三维成像装置可以为深度相机或激光传感器组。深度相机是一款基于3d视觉技术的相机，在2d相机的基础上，又增加了一维深度信息，可以测量出相机到物体上表面之间的深度(距离)。工业级的深度相机可以获取高分辨率、高精度的深度信息，在工业建模、3d打印、三维测量、卫生医疗成像、汽车自动导航等领域有着重要的应用。消费级的深度相机则主要应用于电子消费领域，如人脸的三维识别、体感投影、虚拟vr等应用。

当有矿车经过时，三维成像装置可以输出目标矿斗的深度信息，再结合微积分原理即可计算出目标矿斗内矿物的体积。

图3为本发明实施例1中矿斗所载矿物体积测量方法的方法流程图。

参见图3，该测量方法包括：

步骤101：获取所述三维成像装置拍摄的矿斗图像；所述三维成像装置拍摄的矿斗图像中包含图像深度信息。

步骤102：将所述矿斗图像的坐标系转换为以所述三维成像装置的成像中心为原点的真实世界坐标系。

矿斗图像的坐标系是以矿斗图像的原点作为坐标系原点的，而真实世界的坐标系是以获取深度信息的三维成像装置的成像中心为坐标原点的(例如，当采用深度相机成像时，真实世界的坐标系是以深度相机的摄像头中心为坐标原点的)。为了方便后续的处理，必须进行坐标变换，将矿斗图像的坐标系转换为以三维成像装置的成像中心为原点的真实世界坐标系。

图4为坐标关系示意图。

参见图4，以深度相机成像为例说明。在视觉上，真实世界是以摄像头为坐标原点的三维坐标体系，深度图像是以原点p为坐标原点的笛卡尔坐标体系，这个转换过程就是将二维坐标转换为三维坐标。假设深度图像的分辨率为a*b，根据相似三角形原理，得到变换后的现实场景中点m的x、y坐标分别为：

其中，x、y分别表示现实场景中的横坐标和纵坐标，u和v分别为深度图像中的横坐标和纵坐标，z为深度信息，f为焦距。

步骤103：从所述矿斗图像中识别出矿斗所在区域。

三维成像装置拍摄图像的帧率为每秒10帧以上。例如深度相机拍摄图像的帧率是25帧每秒。因此，相邻的图像通常会存在重叠的区域，因此需要依次对各个图像进行配准，以确定相邻图像中的相同的点，从而将多幅图像进行拼接，以形成完整的图像，并将冗余部分去除。

之后，需要对图像进行筛选或者补偿。当采用深度相机获取深度图像时，首先由深度相机发出红外光，然后对红外光衍射的散斑进行计算从而获得深度值。而当在某些非粗糙表面、遮挡、物体轮廓边缘、阴影处或强光处未发生衍射时，无法获得深度值，该区域测量为空，返回测量深度值为0或者错误值，即所谓的“黑洞噪声”，因此需要通过对图像进行筛选或补偿以滤除黑洞噪声。

然后对矿斗所在区域进行提取。由于本发明只需要获取矿斗所在区域的深度信息，而实际拍摄的会有矿斗周边环境的深度信息，因此要将矿斗所在区域从周边环境中分割出来，提取对应的深度信息，减少了数据量，也排除了周边环境的干扰。

步骤104：识别所述矿斗图像中矿斗所在区域各个位置的深度信息，得到所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离。

步骤105：根据所述矿斗的形状和大小以及所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离，利用微积分计算所述矿斗内矿物的体积。

该步骤105具体包括：

将所述三维成像装置的距底距离减去所述矿斗的上表面各点到所述三维成像装置的竖直距离得到所述矿斗的上表面各点的距底距离；所述距底距离为距离矿斗底部的距离。三维成像装置获取的深度信息是指三维成像装置至目标上表面的距离，并非矿斗真实的高度信息；因此还需对深度数据进行处理，需要提前测量三维成像装置至矿斗底的距离，再减去深度信息可得矿斗上表面各点的真实高度。

以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为矿斗的上表面各点的高度值，通过对矿斗的上表面所覆盖的区域进行微分处理求取矿斗的上表面所覆盖的区域的体积；所述矿斗的上表面所覆盖的区域为矿斗底部以上且位于所述矿斗的上表面正下方的区域。

通过对所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域进行微分处理求取矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积。

将所述矿斗的上表面所覆盖的区域的体积减去所述矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积得到矿斗内矿物的体积。

将所述矿斗的上表面所覆盖的区域沿相互垂直的两个水平方向进行微分处理，得到覆盖区域微元。具体方式可以为：将矿斗的上表面投影到矿斗底部所在的水平面，然后对该投影进行x方向和y方向的微分处理形成多个投影微元，每个投影微元均有其对应的高度值，每个投影微元上升对应的高度值即构成该投影微元对应的覆盖区域微元。以矿斗的前进方向或后退方向为y方向，以矿斗的左侧方向或右侧方向为x方向。测量时，可分别在x方向和y方向取步距为δx、δy，在x方向上形成m个微元单元，y方向上形成n个微元单元。

以所述矿斗的上表面各点的距底距离作为各所述覆盖区域微元的高度值求取各个所述覆盖区域微元的体积，得到各个所述覆盖区域微元的微体积。设矿斗的上表面在矿斗底部所在的水平面的投影区域为s，被测矿物表面上任意一点坐标为(x,y,z)，被测矿物的体积可表示为v＝∫zds。设三维成像装置到矿斗底部的距离为h，由三维成像装置测得的每一个覆盖区域微元的深度信息为hi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)，则矿斗的上表面每一点的高度值为zi,j＝h-hi,j(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)。则某个覆盖区域微元的体积的体积为δv＝zi,jδxδy。

将所有所述微体积求和得到矿斗的上表面所覆盖的区域的体积。矿斗的上表面所覆盖的区域的体积的计算公式为：

通常情况下，矿斗的形状为前后两侧面为斜面，左右两侧面为竖直面或前后两侧面为竖直面，左右两侧面为斜面。因此，当有斜面产生时，所述矿斗的上表面所覆盖的区域中并非全部填充有矿物，即所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的区域会形成三棱柱，三棱柱区域无矿物填充，在计算矿物体积时需要减去三棱柱部分的体积。

所述通过对所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域进行微分处理求取矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积，具体包括：

将所述矿斗的上表面所覆盖的区域中处于矿斗外侧的三棱柱区域沿三棱柱的高的延伸方向进行微元划分，得到多个三角微元；

计算每个所述三角微元的体积；

将所有所述三角微元的体积求和得到矿斗外侧的所有三棱柱区域的体积。

图5为本发明前后两侧面为竖直面，左右两侧面为斜面矿斗结构示意图。

当采用图5的矿斗时，在矿斗左右两侧的外侧形成横向三棱柱。横向三棱柱的高的延伸方向即为y方向。沿着y方向微分，形成多个三角微元。每一个三角微元可以看成一个三角片，其体积为

左右两个横三棱柱的体积为

综合以上，则所载矿物体积为

其中，zi,j表示矿斗的上表面某点到矿斗底部的竖直高度，δxi为坐标为i的x方向上微元的x方向长度，δyj为坐标为j的y方向上微元的y方向长度；δyδ为三角微元的y方向的长度。i是某点的x坐标，j是某点的y坐标，α为矿斗左右斜面与水平底面所成的夹角。

实施例2：

该实施例2公开一种矿斗所载矿物体积测量系统，应用于一种测量装置；该测量装置包括处理器和位于矿斗轨道正上方的三维成像装置；所述三维成像装置的拍摄方向朝向正下方；所述三维成像装置的输出端与所述处理器的输入端连接；所述三维成像装置用于拍摄矿斗图像，所述处理器用于计算矿物体积；