一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法
【專利摘要】一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，包括以下步驟：（1）將攝像頭通過快速連接機構(gòu)安裝在采煤機機身，利用攝像頭采集采煤面得到采煤面的圖片，通過圖像預(yù)處理將攝像頭采集信息中提取的原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對灰度圖像進行圖像增強、灰度拉伸和中值濾波；（2）利用腐蝕和閉運算的形態(tài)學(xué)處理濾除燈光反射、煤塵、夾矸的原因?qū)叶葓D像造成的影響，最終得到一條完整的煤巖界面曲線圖片；本發(fā)明提高了煤炭采出率，避免采煤機滾筒截齒切割到頂板巖層而損壞設(shè)備甚至引發(fā)事故，為采煤機的姿態(tài)控制提供了可靠的依據(jù)，提升煤礦井下采煤自動化水平，提高采煤作業(yè)效益。
【專利說明】
一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于采煤機智能控制范疇，具體涉及一種基于機器視覺的煤巖界面識別及 定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)與先進裝備制造技術(shù)高速發(fā)展，我國煤炭產(chǎn)業(yè)的智能裝備制造要在 深度和廣度上進一步提升，煤炭綜合開采自動化裝備的研制及其相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新成為關(guān) 鍵，同時也是煤炭工業(yè)增加產(chǎn)量，提高勞動效率，減少重大惡性事故和改善勞動條件的重要 手段，而煤巖識別技術(shù)是實現(xiàn)采煤工作面自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 煤巖界面識別技術(shù)是實現(xiàn)采煤機自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一?？煽康拿簬r界面識別系 統(tǒng)在經(jīng)濟效益和安全作業(yè)兩方面都具有突出的優(yōu)點，它不僅可以使采煤機具有自動追蹤煤 巖界面的能力，提升煤礦井下采煤自動化水平，提高采煤作業(yè)效益，而且還能有效地提高采 出率，減少那些在選煤過程中必須除去的矸石，提高煤炭品質(zhì)和運輸效率，減輕設(shè)備磨損情 況，減少設(shè)備維修量和停機時間，并可使作業(yè)人員遠離危險工作面，實現(xiàn)工作面無人化等。
[0004] 應(yīng)用于采煤機上的指導(dǎo)搖臂升降的煤巖界面識別系統(tǒng)主要采用界面測量型。從20 世紀(jì)50年代起，世界各主要產(chǎn)煤國如美國、德國、英國、澳大利亞等愈加重視這一領(lǐng)域的 研究工作，已經(jīng)形成了一些成果，例如：基于煤巖自然Y射線輻射特性的NGR (Natural GammaRadiation)傳感器法，此法在理論層面比較成熟且已有幾種成型的產(chǎn)品在國外某些 礦井使用。此法根據(jù)頂板巖石中的Y射線在穿透煤層后的衰減規(guī)律，通過測量經(jīng)過衰減后 的Y射線強度來確定煤層厚度，由此來確定煤巖界面。該方法要求頂板巖石必須含有放射 性元素。因此該方法對于頁巖頂板(含有放射性元素)有較好的適應(yīng)性，而對于砂巖頂板(放 射性元素含量較少)則無法應(yīng)用。該方法在英國有50%的礦井可以使用，在美國有90%的 礦井可以使用；而在我國僅有18%左右的礦井可以應(yīng)用，因而難以在我國大范圍推廣使 用。另外，紅外溫度檢測法也曾一度被認為是有前途的界面識別方法，該方法利用高靈敏度 的紅外線測溫儀監(jiān)測開采過程中滾筒截齒附近地質(zhì)體的表面溫度。由于煤層與巖石層通常 存在顯著的機械強度反差，截割不同層面所產(chǎn)生的熱量不同，導(dǎo)致滾筒截齒附近地質(zhì)體的 表面溫度的升高程度不同，據(jù)此來判斷是否截割到煤巖界面。該方法的不足之處在于，只有 當(dāng)滾筒已經(jīng)切割到巖層時才會生效，不僅會損壞刀具，而且切割巖層產(chǎn)生的火花會對井下 安全造成極大威脅；另外，采煤機滾筒上通常裝有噴霧裝置用于給截齒和煤層冷卻降溫， 也對滾筒截齒附近地質(zhì)體表面溫度的實時準(zhǔn)確測量造成了較大困難。除此以外，還有一些 其他方法如：人工Y射線法、應(yīng)力截齒分析法、振動分析法等，目前主要停留在理論研究階 段，尚未形成實用技術(shù)與產(chǎn)品。
[0005] 綜上所述，到目前為止，盡管各國的研究人員對煤巖界面探測系統(tǒng)提出了種種構(gòu) 想，但多數(shù)方案還處于研究和試驗階段，其可靠性、實用性、安全性等尚未得到充分驗證。同 時由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性等種種原因，一些已經(jīng)應(yīng)用的識別技術(shù)的使用范圍則受到嚴重限 制，使用環(huán)境稍有變化就會效果變差甚至完全失效，比如：自然Y射線法，對于頁巖頂板效 果較好，而對于砂巖頂板則幾乎不能使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種煤巖界面識別方法，其適應(yīng)性 廣，成本低、高可靠性的基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于機器視覺的煤巖界面 識別及定位方法，包括以下步驟： (1) 將攝像頭通過快速連接機構(gòu)安裝在采煤機機身，利用攝像頭采集采煤面得到采煤 面的圖片，通過圖像預(yù)處理將攝像頭采集信息中提取的原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對 灰度圖像進行圖像增強、灰度拉伸和中值濾波； (2) 利用腐蝕和閉運算的形態(tài)學(xué)處理濾除燈光反射、煤塵、夾矸的原因?qū)叶葓D像造成 的影響，最終得到一條完整的煤巖界面曲線圖片； (3) 利用MATLAB庫函數(shù)中的算法從煤巖界面曲線圖片中得到煤巖界面的像素坐標(biāo)信 息； (4) 根據(jù)采煤機工作時與采煤面的特定位置關(guān)系建立投影幾何關(guān)系模型，由此得到像 素坐標(biāo)與實際成像角度之間的映射關(guān)系，并根據(jù)此映射關(guān)系得到煤巖界面的高度信息； (5) 根據(jù)每一幅圖像中的煤巖界面的高度信息，得到整個采煤面完整的高度信息即可 擬合出采煤面的完整煤巖界面。
[0008] 步驟(4)中當(dāng)采煤面水平設(shè)置時，根據(jù)采煤機工作時與采煤面的特定位置關(guān)系建 立投影幾何關(guān)系模型：（//s 二其中D表示攝像頭與采煤面的距離，攝像頭 位置確定后該距離固定不變;H為攝像頭的安裝高度;S為標(biāo)靶上的某一點，即采煤機滾筒截 割后采煤面上的某一點；轉(zhuǎn)為s點對應(yīng)的相對于攝像頭的實際成像角度，點的實際 高度；由此得到像素坐標(biāo)與實際成像角度之間的映射關(guān)系，根據(jù)此映射關(guān)系得到煤巖界面 的高度信息； 當(dāng)采煤面傾斜設(shè)置時，根據(jù)采煤機工作時與采煤面的特定位置關(guān)系建立投影幾何關(guān)系 模型：= S&秦'魅％其中繼::儀從，茲鎖=:纏 〇〇'為攝像頭的相對行走距離，SS'為S點的實際測量高度；0您-著，其中 ￡24 =漢Zees泛，孜51? si! w，為S點的實際行走距離。
[0009] 快速連接機構(gòu)包括快速脫離開關(guān)、上連接管和下連接管；上連接管和下連接管外 型均為圓管，上連接管外徑等于下連接管內(nèi)徑，上連接管長度大于下連接管長度，上連接管 固定在攝像頭底部，上連接管頂部外緣設(shè)有環(huán)形的壓邊，壓邊外徑等于下連接管外徑，上連 接管內(nèi)壁沿徑向方向開設(shè)有六個盲孔，六個盲孔沿軸向方向分成兩排，兩排盲孔關(guān)于下連 接管中心線對稱設(shè)置，盲孔內(nèi)設(shè)有壓縮彈簧和卡塊，卡塊滑動插設(shè)在盲孔內(nèi)，壓縮彈簧一端 與盲孔的孔壁頂接，壓縮彈簧另一端與卡塊頂接； 下連接管垂直設(shè)置，下連接管的下端固定在采煤機機身上，下連接管內(nèi)壁沿徑向方向 開設(shè)有六個與盲孔相對應(yīng)的通孔，六個通孔沿軸向方向分成兩排，兩排通孔關(guān)于下連接管 中心線對稱設(shè)置，下連接管內(nèi)壁沿軸向方向開設(shè)有兩條導(dǎo)向槽，兩排通孔分別位于兩條導(dǎo) 向槽內(nèi)； 快速脫離開關(guān)設(shè)有兩個，兩個快速脫離開關(guān)分別對應(yīng)插設(shè)在兩排通孔內(nèi)。
[0010] 快速脫離開關(guān)包括啟動塊和固定插銷，啟動塊沿長度方向并排設(shè)有三個頂接塊， 頂接塊水平方向的長度大于通孔的長度，三個頂接塊分別對應(yīng)水平插設(shè)在通孔內(nèi)，三個頂 接塊上均設(shè)有三個插接孔，三個插接孔所處位置上下對應(yīng)，固定插銷自上而下插設(shè)在三個 插接孔內(nèi)。
[0011] 采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果:與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明一種基 于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，通過該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)差 別不大，但灰度差異較大的情況下對煤巖界面的信息進行提取，擬合出采煤面完整的煤巖 界面，為采煤機的姿態(tài)控制提供依據(jù)。當(dāng)光照條件不同的時候，攝像頭對準(zhǔn)模擬采煤面的某 一位置進行單幀圖像采集，煤巖界面經(jīng)過圖像預(yù)處理和特征提取，強光照下，煤巖圖片經(jīng)過 識別后所得的煤巖界面特征曲線比較完整，雖然所包含的煤巖界面周圍的多余信息也較 多，但能夠較好的反映煤巖界面的真實情況;弱光照下，煤巖圖片經(jīng)過識別后所得的煤巖界 面特征曲線不連續(xù)，大部分煤巖界面信息丟失，雖然所包含的多余的信息較少，但不能完整 表達煤巖界面的信息，這將影響后續(xù)煤巖界面在圖像中的位置信息的獲取，對最終的煤巖 界面曲線擬合將產(chǎn)生影響。通過光照實驗，為煤巖界面識別和定位測量方法在采煤機上應(yīng) 用的光照選擇提供了依據(jù)。
[0012] 另外攝像頭通過快速連接機構(gòu)可快速安裝或卸載在采煤機機身上，方便快捷，快 速連接機構(gòu)包括上連接管和下連接管，上連接管通過卡塊與下連接管上的通孔插接的方式 與下連接管連接，固定插銷用于防止在不適用本發(fā)明時，誤操作按壓啟動塊從而使上連接 管與下連接管分離;上連接管頂部外緣設(shè)有環(huán)形的壓邊，壓邊用于壓緊下連接管頂部，使上 連接管與下連接管之間到達密封連接，從而防止在使用的過程中雜質(zhì)落入下連接管內(nèi)。
[0013] 綜上所述，本發(fā)明提高了煤炭采出率，避免采煤機滾筒截齒切割到頂板巖層而損 壞設(shè)備甚至引發(fā)事故，為采煤機的姿態(tài)控制提供了可靠的依據(jù)，提升煤礦井下采煤自動化 水平，提高采煤作業(yè)效益。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明中攝像頭的安裝位置示意圖； 圖2是本發(fā)明中采煤面水平設(shè)置時的投影幾何關(guān)系模型圖； 圖3是本發(fā)明中采煤面傾斜設(shè)置時的投影幾何關(guān)系模型圖； 圖4是本發(fā)明的工作流程圖； 圖5是快速連接機構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是上連接管的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是下連接管的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是圖7中A向視圖。
【具體實施方式】
[0015] 如圖1-8所示，本發(fā)明的一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，包括以下 步驟： (1)將攝像頭1通過快速連接機構(gòu)4安裝在采煤機2機身，利用攝像頭1采集采煤面3得到 采煤面3的圖片，通過圖像預(yù)處理將攝像頭1采集信息中提取的原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像， 然后對灰度圖像進行圖像增強、灰度拉伸和中值濾波； (2) 利用腐蝕和閉運算的形態(tài)學(xué)處理濾除燈光反射、煤塵、夾矸的原因?qū)叶葓D像造成 的影響，最終得到一條完整的煤巖界面曲線圖片； (3) 利用MATLAB庫函數(shù)中的算法從煤巖界面曲線圖片中得到煤巖界面的像素坐標(biāo)信 息； (4) 根據(jù)采煤機2工作時與采煤面3的特定位置關(guān)系建立投影幾何關(guān)系模型，圖2采煤面 水平設(shè)置時的投影幾何關(guān)系模型為二Dt.armi，其中D表示攝像頭1與采煤面3 的距離，攝像頭1位置確定后該距離固定不變;H為攝像頭1的安裝高度；S為標(biāo)靶上的某一 點，即采煤機2滾筒截割后采煤面3上的某一點；點對應(yīng)的相對于攝像頭1的實際成像 角度，聚:,為S點的實際高度；由此得到像素坐標(biāo)與實際成像角度之間的映射關(guān)系，根據(jù)此映 射關(guān)系得到煤巖界面的高度信息； 圖3為當(dāng)采煤面3傾斜設(shè)置時，根據(jù)采煤機2工作時與采煤面3的特定位置關(guān)系建立投影 幾何關(guān)系模型:SS_=，...麵蔥SS其中騎次.，從^ 傾角、〇〇'為攝像頭1的相對行走距離，SS'為S點的實際測量高度;@緩=_-其中 顯::二e #:，_穿為S點的實際行走距離。
[0016] (5)根據(jù)每一幅圖像中的煤巖界面的高度信息，得到整個采煤面3完整的高度信息 即可擬合出采煤面3的完整煤巖界面。
[0017] 快速連接機構(gòu)4包括快速脫離開關(guān)、上連接管5和下連接管6;上連接管5和下連接 管6外型均為圓管，上連接管5外徑等于下連接管6內(nèi)徑，上連接管5長度大于下連接管6長 度，上連接管5固定在攝像頭1底部，上連接管5頂部外緣設(shè)有環(huán)形的壓邊7,壓邊7外徑等于 下連接管6外徑，上連接管5內(nèi)壁沿徑向方向開設(shè)有六個盲孔8,六個盲孔8沿軸向方向分成 兩排，兩排盲孔8關(guān)于下連接管6中心線對稱設(shè)置，盲孔8內(nèi)設(shè)有壓縮彈簧9和卡塊10,卡塊10 滑動插設(shè)在盲孔8內(nèi)，壓縮彈簧9一端與盲孔8的孔壁頂接，壓縮彈簧9另一端與卡塊10頂接； 下連接管6垂直設(shè)置，下連接管6的下端固定在采煤機2機身上，下連接管6內(nèi)壁沿徑向 方向開設(shè)有六個與盲孔8相對應(yīng)的通孔11，六個通孔11沿軸向方向分成兩排，兩排通孔11關(guān) 于下連接管6中心線對稱設(shè)置，下連接管6內(nèi)壁沿軸向方向開設(shè)有兩條導(dǎo)向槽12,兩排通孔 11分別位于兩條導(dǎo)向槽12內(nèi)； 快速脫離開關(guān)設(shè)有兩個，兩個快速脫離開關(guān)分別對應(yīng)插設(shè)在兩排通孔11內(nèi)。
[0018] 快速脫離開關(guān)包括啟動塊13和固定插銷14,啟動塊13沿長度方向并排設(shè)有三個頂 接塊15，頂接塊15水平方向的長度大于通孔11的長度，三個頂接塊15分別對應(yīng)水平插設(shè)在 通孔11內(nèi)，三個頂接塊15上均設(shè)有三個插接孔16,三個插接孔16所處位置上下對應(yīng)，固定插 銷14自上而下插設(shè)在三個插接孔16內(nèi)。
[0019]本實施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā) 明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方 案的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，其特征在于:包括W下步驟： (1) 將攝像頭通過快速連接機構(gòu)安裝在采煤機機身，利用攝像頭采集采煤面得到采煤 面的圖片，通過圖像預(yù)處理將攝像頭采集信息中提取的原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對 灰度圖像進行圖像增強、灰度拉伸和中值濾波； (2) 利用腐蝕和閉運算的形態(tài)學(xué)處理濾除燈光反射、煤塵、夾桿的原因?qū)叶葓D像造成 的影響，最終得到一條完整的煤巖界面曲線圖片； (3) 利用MA化AB庫函數(shù)中的算法從煤巖界面曲線圖片中得到煤巖界面的像素坐標(biāo)信 息； (4) 根據(jù)采煤機工作時與采煤面的特定位置關(guān)系建立投影幾何關(guān)系模型，由此得到像 素坐標(biāo)與實際成像角度之間的映射關(guān)系，并根據(jù)此映射關(guān)系得到煤巖界面的高度信息. (5) 根據(jù)每一幅圖像中的煤巖界面的高度信息，得到整個采煤面完整的高度信息即可 擬合出采煤面的完整煤巖界面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，其特征在于： 步驟(4)中當(dāng)采煤面水平設(shè)置時，根據(jù)采煤機工作時與采煤面的特定位置關(guān)系建立投影幾 何關(guān)系模型，其中D表示攝像頭與采煤面的距離，攝像頭位置確定后 該距離固定不變;H為攝像頭的安裝高度;S為標(biāo)祀上的某一點，即采煤機滾筒截割后采煤面 上的某一點;:等為S點對應(yīng)的相對于攝像頭的實際成像角度，i/,為S點的實際高度；由此得 到像素坐標(biāo)與實際成像角度之間的映射關(guān)系，根據(jù)此映射關(guān)系得到煤巖界面的高度信息； 當(dāng)采煤面傾斜設(shè)置時，根據(jù)采煤機工作時與采煤面的特定位置關(guān)系建立投影幾何關(guān)系 模型従為采煤面的傾角、 00'為攝像頭的相對行走距離，SS'為S點的實際測量高度^^ 中，為S點的實際行走距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，其特征在于： 快速連接機構(gòu)包括快速脫離開關(guān)、上連接管和下連接管;上連接管和下連接管外型均為圓 管，上連接管外徑等于下連接管內(nèi)徑，上連接管長度大于下連接管長度，上連接管固定在攝 像頭底部，上連接管頂部外緣設(shè)有環(huán)形的壓邊，壓邊外徑等于下連接管外徑，上連接管內(nèi)壁 沿徑向方向開設(shè)有六個盲孔，六個盲孔沿軸向方向分成兩排，兩排盲孔關(guān)于下連接管中屯、 線對稱設(shè)置，盲孔內(nèi)設(shè)有壓縮彈黃和卡塊，卡塊滑動插設(shè)在盲孔內(nèi)，壓縮彈黃一端與盲孔的 孔壁頂接，壓縮彈黃另一端與卡塊頂接； 下連接管垂直設(shè)置，下連接管的下端固定在采煤機機身上，下連接管內(nèi)壁沿徑向方向 開設(shè)有六個與盲孔相對應(yīng)的通孔，六個通孔沿軸向方向分成兩排，兩排通孔關(guān)于下連接管 中屯、線對稱設(shè)置，下連接管內(nèi)壁沿軸向方向開設(shè)有兩條導(dǎo)向槽，兩排通孔分別位于兩條導(dǎo) 向槽內(nèi)； 快速脫離開關(guān)設(shè)有兩個，兩個快速脫離開關(guān)分別對應(yīng)插設(shè)在兩排通孔內(nèi)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于機器視覺的煤巖界面識別及定位方法，其特征在于： 快速脫離開關(guān)包括啟動塊和固定插銷，啟動塊沿長度方向并排設(shè)有=個頂接塊，頂接塊水 平方向的長度大于通孔的長度，=個頂接塊分別對應(yīng)水平插設(shè)在通孔內(nèi)，=個頂接塊上均 設(shè)有=個插接孔，=個插接孔所處位置上下對應(yīng)，固定插銷自上而下插設(shè)在=個插接孔內(nèi)。
【文檔編號】G06T5/30GK105913445SQ201610291441
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】劉俊利, 王立鋒, 閆艷燕, 張高峰, 孔秀平, 丁龍, 呂乙凡
【申請人】河南理工大學(xué)