基于線掃描原理的煤礦巷道變形測量系統(tǒng)

楊洪濤， 于印， 許吉禪， 沈梅， 陸廣慧

（1. 安徽理工大學(xué) 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

煤礦巷道受地質(zhì)環(huán)境和開采技術(shù)等因素影響會(huì)產(chǎn)生變形甚至破壞[1-2]，精確的巷道變形測量對于保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義[3-4]。煤礦巷道變形測量方法可分為接觸式測量和非接觸式測量，其中非接觸式測量方法具有測量速度快、測量范圍廣、測量數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為目前研究熱點(diǎn)。王海軍等[5]、郭良林等[6]利用三維激光掃描技術(shù)獲取煤礦巷道點(diǎn)云信息，并對點(diǎn)云進(jìn)行拼接和濾波處理，從而對工作面巷道進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)巷道變形監(jiān)測。金卓等[7]利用三維激光掃描技術(shù)與圓柱形投影面巷道建模方法，構(gòu)建礦井巷道三維立體模型，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形監(jiān)測。劉曉陽等[8]利用三維激光掃描技術(shù)對巷道頂板進(jìn)行監(jiān)測，采用非均勻壓縮法對獲取的巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理，通過基于巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割的斷面提取進(jìn)行巷道變形分析。然而上述研究存在有效掃描距離受限、獲取的點(diǎn)云密度低、細(xì)節(jié)缺失嚴(yán)重、測量精度和效率低等問題。針對上述問題，本文提出了一種基于線掃描原理的煤礦巷道變形測量系統(tǒng)，可重構(gòu)數(shù)據(jù)豐富、精度高的巷道點(diǎn)云，并通過點(diǎn)云切片實(shí)現(xiàn)巷道變形監(jiān)測，具有操作簡單、靈活性高、測量速度快、測量范圍廣及測量精度高等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及原理

基于線掃描原理的煤礦巷道變形測量系統(tǒng)主要包括巷道測量機(jī)器人和機(jī)器人位姿追蹤系統(tǒng)，如圖1所示。巷道測量機(jī)器人由線掃描激光器、測量相機(jī)、自主規(guī)劃路徑車、旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和靶標(biāo)組成，其中靶標(biāo)采用發(fā)光LED材質(zhì)棋盤格制作，可克服煤礦井下粉塵、燈光等因素的影響；機(jī)器人位姿追蹤系統(tǒng)由安裝在巷道兩側(cè)的多組追蹤相機(jī)組成。

圖1 基于線掃描原理的煤礦巷道變形測量系統(tǒng)組成Fig. 1 Composition of coal mine roadway deformation measurement system based on line scanning principle

整個(gè)煤礦巷道內(nèi)沿巷道測量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向布置多組追蹤相機(jī)，以巷道左側(cè)第1組追蹤相機(jī)的光心為原點(diǎn)Ow，沿追蹤相機(jī)光軸方向?yàn)閆w軸，沿垂直光軸向右方向?yàn)閄w軸，沿垂直光軸向下方向?yàn)閅w軸，建立世界坐標(biāo)系OwXwYwZw；以測量相機(jī)的光心為原點(diǎn)O，沿測量相機(jī)光軸方向?yàn)閆軸，沿垂直光軸向右方向?yàn)閄軸，沿垂直光軸向下方向?yàn)閅軸，建立測量相機(jī)坐標(biāo)系OXYZ。當(dāng)機(jī)器人在巷道內(nèi)移動(dòng)測量時(shí)，追蹤相機(jī)實(shí)時(shí)測量靶標(biāo)圖像，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人全巷道無死角、長距離、不間斷地追蹤與位姿精確測量。機(jī)器人測量巷道前，利用相機(jī)參數(shù)標(biāo)定技術(shù)獲取測量相機(jī)參數(shù)。機(jī)器人測量巷道時(shí)，由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)線掃描激光器和測量相機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，線掃描激光器投射出的光平面與巷道表面交匯于1個(gè)光條，測量相機(jī)同步拍攝巷道表面的光條圖像。對光條圖像使用線結(jié)構(gòu)光光條中心提取技術(shù)，獲取光條中心坐標(biāo)，并將光條中心坐標(biāo)代入通過光平面標(biāo)定技術(shù)擬合的光平面方程，求解出測量相機(jī)坐標(biāo)系下巷道表面的光條圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再結(jié)合機(jī)器人位姿測量結(jié)果將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)歸一化。將歸一化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，重構(gòu)精確的煤礦巷道點(diǎn)云，并利用點(diǎn)云切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦巷道變形測量。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 相機(jī)參數(shù)標(biāo)定

為建立準(zhǔn)確的相機(jī)成像幾何模型，本文采用基于平面棋盤格的標(biāo)定算法[9]，通過對不同角度拍攝的二維平面棋盤格角點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算處理，完成相機(jī)參數(shù)標(biāo)定。

2.2 線結(jié)構(gòu)光光條中心提取

由于測量相機(jī)拍攝到的光條圖像是具有一定像素寬度的光條圖像，為得到精確的光條點(diǎn)云坐標(biāo)，需提取光條中心的亞像素坐標(biāo)。本文采用骨架提取算法[10]對光條圖像進(jìn)行二值化預(yù)處理，對二值化圖像像素點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化處理，得到像素寬度極低的像素線條。之后使用自適應(yīng)閾值的加權(quán)灰度重心法[11]處理像素線條，求解像素線條截面灰度值的質(zhì)心坐標(biāo)，最終得到滿足精度要求的光條中心坐標(biāo)。

2.3 光平面標(biāo)定

確定線掃描激光器投射出的光平面與測量相機(jī)的空間位置關(guān)系是煤礦巷道變形測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響重構(gòu)的煤礦巷道點(diǎn)云的精確性。本文采用光平面標(biāo)定技術(shù)對線掃描激光器投射出的光平面與測量相機(jī)的空間位置關(guān)系進(jìn)行參數(shù)求解，最終擬合出光平面方程。

線掃描激光器投射出的光平面與棋盤格標(biāo)定板交匯于1個(gè)光條，保持線掃描激光器投射出的光平面不變，通過多次改變棋盤格標(biāo)定板位姿，獲取不同位置光條中心上所有特征點(diǎn)在測量相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合出測量相機(jī)坐標(biāo)系下光平面方程[12-13]：

式中：a，b，c，d為系數(shù)；（x，y，z）為光平面上任一空間點(diǎn)在測量相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

2.4 點(diǎn)云重構(gòu)

為保證煤礦巷道點(diǎn)云坐標(biāo)的唯一性，需要對煤礦巷道空間位置進(jìn)行約束[14]。如圖1（a）所示，空間點(diǎn)p處于線掃描激光器投射出的光平面上，同時(shí)點(diǎn)p在測量相機(jī)拍攝圖像上的對應(yīng)點(diǎn)為p1。設(shè)世界坐標(biāo)系下點(diǎn)p坐標(biāo)為（xw，yw，zw），則

式中：s為比例因子；（u，v）為點(diǎn)p1坐標(biāo)；fx，fy分別為測量相機(jī)X，Y軸方向焦距長度；（u0，v0）為圖像主點(diǎn)像素坐標(biāo)。

通過求解式（2），計(jì)算出空間點(diǎn)p的唯一坐標(biāo)，同理求解多組空間點(diǎn)的坐標(biāo)并進(jìn)行拼接，進(jìn)而重構(gòu)煤礦巷道點(diǎn)云。

2.5 點(diǎn)云切片

在世界坐標(biāo)系下將多組煤礦巷道點(diǎn)云的起始位置坐標(biāo)統(tǒng)一，并進(jìn)行點(diǎn)云切片處理，比較投影到XwOwZw平面上具有相同坐標(biāo)點(diǎn)云的Yw軸坐標(biāo)，獲得煤礦巷道變形量[15]。可設(shè)置不同的切片厚度、數(shù)量、間距等參數(shù)，滿足實(shí)際不同場景巷道的監(jiān)測需求，從而提高測量精度。

式中：l為切片間距；Zwmax，Zwmin分別為世界坐標(biāo)系Zw軸方向的最大值與最小值；n為切片數(shù)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為驗(yàn)證基于線掃描原理的煤礦巷道變形測量系統(tǒng)的有效性，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)平臺主要包括：3 m×2 m×2 m（長×寬×高）的模擬巷道；分辨率為640×480、30萬像素的測量相機(jī)；波長為650 nm的線掃描激光器；規(guī)格為8×6的棋盤格；Windows10 64 bit操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)采用VS2017作為開發(fā)平臺，結(jié)合OpenCV4.1計(jì)算機(jī)視覺庫和CloudCompare軟件編寫實(shí)驗(yàn)程序。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺Fig. 2 Experimental platform

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 通過測量相機(jī)拍攝多幅不同位置棋盤格標(biāo)定板的圖像，對圖像中棋盤格的角點(diǎn)進(jìn)行檢測與提取，標(biāo)定測量相機(jī)具體參數(shù)。保持線掃描激光器投射出的光平面不變，測量相機(jī)拍攝多幅不同位置棋盤格標(biāo)定板上光條圖像，提取光條中心坐標(biāo)，擬合出光平面方程，完成光平面標(biāo)定。

（2） 巷道測量機(jī)器人到達(dá)模擬巷道的待測區(qū)域，測量相機(jī)拍攝線掃描激光器投射在模擬巷道表面的光條圖像，在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的控制下完成待測區(qū)域的全部測量。

（3） 將拍攝的光條圖像導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，對光條圖像進(jìn)行二值化預(yù)處理，提取預(yù)處理后光條圖像中光條中心坐標(biāo)，結(jié)合巷道測量機(jī)器人位姿測量結(jié)果，重構(gòu)模擬巷道點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云切片處理，實(shí)現(xiàn)巷道變形測量。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1） 參數(shù)標(biāo)定。測量相機(jī)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果見表1。

表1 測量相機(jī)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 1 Calibration results of measurement camera parameters

通過對16幅棋盤格標(biāo)定板圖像中光條中心上的特征點(diǎn)進(jìn)行提取，將所有特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到測量相機(jī)坐標(biāo)系下，通過特征點(diǎn)坐標(biāo)擬合光平面（圖3），光平面方程為

圖3 擬合的光平面Fig. 3 Fitted light plane

從圖3可看出，特征點(diǎn)基本分布在擬合得到的光平面上，表明擬合的光平面方程誤差較小，滿足精度要求。

（2） 模擬巷道點(diǎn)云重構(gòu)。使用巷道測量機(jī)器人對模擬巷道進(jìn)行測量，對測量相機(jī)拍攝的模擬巷道表面光條圖像進(jìn)行處理，重構(gòu)模擬巷道點(diǎn)云，如圖4所示?？煽闯鲋貥?gòu)的局部光條點(diǎn)云數(shù)量豐富且連續(xù)清晰，重構(gòu)的模擬巷道點(diǎn)云形狀結(jié)構(gòu)與模擬巷道形狀結(jié)構(gòu)基本一致。

圖4 模擬巷道點(diǎn)云重構(gòu)效果Fig. 4 Simulated roadway point cloud reconstruction effect

（3） 模擬巷道變形分析。對模擬巷道設(shè)置不同程度的變形量（即模擬巷道變形實(shí)際值），重構(gòu)不同變形量下模擬巷道點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云切片，如圖5所示，獲得對應(yīng)的模擬巷道變形測量值，見表2。

表2 模擬巷道變形測量結(jié)果Table 2 Simulated roadway deformation measurement results mm

圖5 不同變形量下模擬巷道點(diǎn)云切片F(xiàn)ig. 5 Simulated roadway point cloud slices under different deformations

從圖5可看出，隨著模擬巷道變形量增加，點(diǎn)云切片在變形處的變形趨勢更加明顯，表明系統(tǒng)可有效監(jiān)測巷道變形。從表2可看出，系統(tǒng)測量誤差小于7 mm。

4 結(jié)語

基于線掃描原理的煤礦巷道變形測量系統(tǒng)通過巷道測量機(jī)器人獲取煤礦巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器人位姿追蹤系統(tǒng)的測量結(jié)果對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，精確重構(gòu)煤礦巷道點(diǎn)云，并對重構(gòu)的煤礦巷道點(diǎn)云進(jìn)行切片處理，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道變形快速測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量誤差小于7 mm，可用于具備煤礦巷道表面類似結(jié)構(gòu)的大型曲面三維模型點(diǎn)云重構(gòu)與變形監(jiān)測。