綜采工作面攝像儀視角計(jì)算及分析軟件的實(shí)現(xiàn)*

任偉， 劉帥， 黃騫

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

0 引言

隨著煤礦自動(dòng)化設(shè)備的普遍應(yīng)用，煤礦自動(dòng)化水平得到不斷提高，綜采工作面參與生產(chǎn)的人員也不斷減少，但綜采工作面一直以來(lái)都是煤礦最危險(xiǎn)的生產(chǎn)區(qū)域?！盁o(wú)人操作、有人巡視”[1]、“視覺(jué)沉浸技術(shù)”[2]、“少人化、無(wú)人化”[3]、“透明工作面”[4-5]等諸多行業(yè)新理念、新技術(shù)的不斷提出與實(shí)踐，將工人逐步從環(huán)境惡劣的工作面解放出來(lái)[6]，坐在順槽監(jiān)控中心即可實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程可視化人工干預(yù)控制[7-8]。在這一革命性變化的生產(chǎn)模式下，視頻監(jiān)視系統(tǒng)[9]成了一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，它相當(dāng)于將人的視覺(jué)延伸至工作面[10]，地面人員可對(duì)井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患，指導(dǎo)地面人員遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟停，避免事故發(fā)生，同時(shí)可為事故原因分析提供第一手影像資料[11-12]。

我國(guó)煤炭開采從薄煤層、中厚煤層，再到大采高、特厚煤層[13-14]，綜采工作面視頻監(jiān)控區(qū)域復(fù)雜多變，視頻配套難度較大，如果配套人員對(duì)攝像儀的選型、布置把握不準(zhǔn)，勢(shì)必造成工作面視頻監(jiān)控區(qū)域不全、視頻圖像不清楚等問(wèn)題，將會(huì)嚴(yán)重影響監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程操作人員的視覺(jué)判斷和操作響應(yīng)，給日常生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患；同時(shí)，研發(fā)人員在攝像儀的選型設(shè)計(jì)時(shí)，如果不能有效獲得現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控視角范圍和有效視距，也會(huì)影響產(chǎn)品的適用性和增加返工的成本，甚至造成研發(fā)失敗。

本文將結(jié)合綜采工作面攝像儀[15](以下簡(jiǎn)稱：攝像儀)的現(xiàn)場(chǎng)布置經(jīng)驗(yàn)，對(duì)攝像儀的視角和有效視距進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)，并以此進(jìn)行了分析軟件的設(shè)計(jì)，以期為研發(fā)人員和現(xiàn)場(chǎng)配套人員提供比較科學(xué)有效的攝像儀視角分析與驗(yàn)證的工具。

1 綜采工作面監(jiān)控區(qū)域

圖1所示為煤礦井下綜采工作面需要從兩個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)控：面向煤壁的a向和平行支架排列的b向。a向查看采煤機(jī)工作狀態(tài)，b向順著支架走向查看支架狀態(tài)與人員狀況。

圖1 綜采工作面示意圖

攝像儀安裝在綜采工作面支架上，對(duì)監(jiān)控區(qū)域的圖像進(jìn)行采集、上傳和顯示，必須保證采煤機(jī)前后滾筒、支架護(hù)板、支架動(dòng)作等監(jiān)控實(shí)時(shí)無(wú)死角，才能保證遠(yuǎn)程可視化采煤操作的安全性。

2 攝像儀種類及特點(diǎn)

目前綜采工作面常用的攝像儀主要分為固定式攝像儀和云臺(tái)式攝像儀。

2.1 固定式攝像儀

圖2所示為固定式攝像儀,監(jiān)控角度恒定，觀察到的區(qū)域也固定不變，視頻采集覆蓋范圍完全取決于攝像儀本身的視角范圍，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：功耗低、抗振動(dòng)、體積小、自清潔易于實(shí)現(xiàn)；

缺點(diǎn)：由于視角有限，在配套數(shù)量有限的條件下，監(jiān)控存在盲區(qū)，但如果要擴(kuò)大監(jiān)控范圍，攝像儀的配套數(shù)量就需要增加，使得系統(tǒng)配套、運(yùn)維成本和復(fù)雜度增加。

(c)

2.2 云臺(tái)式攝像儀[16]

圖3所示是將恒定角度的攝像儀固定在云臺(tái)電機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，通過(guò)單軸或者雙軸云臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)攝像頭的監(jiān)控方向，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)視大范圍內(nèi)的目標(biāo)，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

圖3 云臺(tái)式攝像儀

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控范圍大(最大360°無(wú)死角)、可貼頂梁安裝、配套數(shù)量少、安裝維護(hù)便利。

缺點(diǎn)：攝像頭非固定、有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、抗振動(dòng)性能差；功耗大；透明罩暴露面積大、易磕碰、不易清潔。

3 攝像儀視角計(jì)算分析

固定式攝像儀和云臺(tái)式攝像儀都是一個(gè)攝像頭的兩種應(yīng)用方式，對(duì)綜采工作面監(jiān)控視場(chǎng)角進(jìn)行分析,以下視場(chǎng)角分析只針對(duì)單個(gè)攝像頭。

綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)中作為圖像采集設(shè)備的攝像儀通常安裝在液壓支架的頂梁下方，負(fù)責(zé)對(duì)煤壁區(qū)和支架側(cè)進(jìn)行視頻監(jiān)測(cè)。但目前攝像儀的視角范圍都有限，做不到全方位無(wú)死角覆蓋，如何有效分析和了解工作面視頻監(jiān)控范圍，對(duì)于攝像儀選型和系統(tǒng)配套有著重要的意義。

3.1 垂直方向視場(chǎng)角分析

煤礦井下綜采工作面的攝像儀安裝在液壓支架上，用于監(jiān)視煤壁向和支架側(cè)的區(qū)域圖像，現(xiàn)將攝像儀的視場(chǎng)角分析如下(圖中的圓圈示意攝像儀)：

假設(shè)攝像儀的視角足夠大，在垂直方向上能觀察到整個(gè)煤壁以及溜槽的橫向全貌，如圖4所示。

圖4 工作面攝像儀安裝示意圖(大視角)

在工作面液壓支架和攝像儀安裝位置已知的情況下，攝像儀垂直視角與各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系公式如下：

(1)

式中：h為攝像儀距液壓支架頂部距離，m；L為攝像儀距煤壁的水平距離，m；α為攝像儀垂直方向視場(chǎng)角，(°)；H為液壓支架高度，m；m為溜槽寬度，m。

垂直方向監(jiān)視的最大距離為：

(2)

式中：Dv為垂直方向最大監(jiān)視距離，m。

假設(shè)攝像儀的視角較小，在垂直方向上只能觀察到部分煤壁，如圖5所示。

圖5 工作面攝像儀安裝示意圖(小視角)

在工作面液壓支架和攝像儀安裝位置已知的情況下，攝像儀垂直視角α與煤壁視覺(jué)盲區(qū)高度p之間的關(guān)系如下：

(3)

式中：h為攝像儀距液壓支架頂部距離，m；L為攝像儀距煤壁的水平距離，m；α為攝像儀垂直方向視場(chǎng)角，(°)；H為液壓支架高度，m；p為煤壁視覺(jué)盲區(qū)高度，m。

垂直方向最大監(jiān)視距離為：

(4)

式中：Dv為垂直方向最大監(jiān)視距離。

3.2 水平方向視場(chǎng)角分析

在支架參數(shù)、攝像儀安裝位置確定的情況下，如圖6所示，攝像儀水平方向的視角與最大監(jiān)視距離的公式為：

圖6 攝像儀井下安裝水平視角

(5)

式中：β為攝像儀水平視角的1/2 ，(°)；n為攝像儀水平監(jiān)視覆蓋水平寬度的1/2，m；L為攝像儀與煤壁間距離，m。

垂直方向最大監(jiān)視距離：

(6)

式中：n為攝像儀水平監(jiān)視覆蓋水平寬度的1/2，m；L為攝像儀與煤壁間距離，m。

4 攝像儀視角分析軟件的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

為了選型分析方便，利用前文推導(dǎo)的視場(chǎng)角分析公式， 舉例說(shuō)明工作面攝像儀配套的參數(shù)分析。

4.1 已知工作面情況選型配套攝像儀

某薄煤層工作面：支架高度1.55 m、支架寬度1.75 m，攝像儀安裝距離頂梁0.3 m、距煤壁3.027 m，每3架安裝一臺(tái)攝像儀，則視場(chǎng)角覆蓋范圍分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 配套攝像儀選型分析

經(jīng)過(guò)分析得出：為了滿足現(xiàn)場(chǎng)看全煤壁和溜槽的區(qū)域(圖中溜槽可見(jiàn)寬度2.9 m)，攝像儀需要垂直視角90°、最大視距3.27 m；水平視角81.86°、最大視距4.01 m，以此可以選型配套的攝像儀。

4.2 已知攝像儀參數(shù)評(píng)估實(shí)際視角覆蓋范圍

某攝像儀參數(shù)：水平視角≤80°，垂直視角≤44°，有效視距≤5 m。

該薄煤層工作面配套分析數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 薄煤層視角覆蓋范圍評(píng)估

經(jīng)過(guò)分析得出：該款攝像儀配套該薄煤層，除溜槽只能看到1.5 m寬區(qū)域外，其他視角覆蓋與配套比較吻合，適用于該薄煤層使用。

若該款攝像儀配套中厚煤層，分析如下：

某中厚煤層工作面：支架高度4.5 m、支架寬度2.05 m，攝像儀安裝距離頂梁0.5 m、距煤壁4 m，則視場(chǎng)角覆蓋范圍分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 中厚煤層視角覆蓋范圍

經(jīng)過(guò)分析得出：該款攝像儀配套該中厚煤層，溜槽區(qū)域全部、煤壁20%區(qū)域處于盲區(qū)，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)不能同時(shí)看全采煤機(jī)和護(hù)幫板，不能是操作人員有效觀察自動(dòng)采煤的過(guò)程。為了滿足視角全覆蓋，只能選用更大視角的攝像儀或云臺(tái)攝像儀。

綜上所述，攝像儀選型應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工作面的空間和支架的參數(shù)，結(jié)合攝像儀本身的視場(chǎng)角進(jìn)行配套，一般固定式攝像頭每3～4架安裝1臺(tái)，云臺(tái)攝像儀每4～6架安裝1臺(tái)。

5 結(jié)論

本文介紹和推導(dǎo)的視角分析公式及軟件的實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配套的測(cè)試，效果比較理想，方便現(xiàn)場(chǎng)配套人員的選型配套工作,同時(shí)也為攝像儀(如多目全景攝像儀)的研制需求分析提供了一種便利的測(cè)算工具。