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一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置及定位方法
【專利摘要】一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置及定位方法，裝置包括機(jī)械手，在機(jī)械手上安裝有攝像機(jī)和激光測(cè)距傳感器，攝像機(jī)通過(guò)圖像采集卡及視覺模塊與計(jì)算機(jī)連接；激光測(cè)距傳感器及機(jī)械手通過(guò)控制模塊與計(jì)算機(jī)連接，利用本裝置，通過(guò)爆破孔搜索、空間直線取得、目標(biāo)孔測(cè)距、三維坐標(biāo)取得等步驟得到石壁爆破孔的具體位置數(shù)據(jù)，達(dá)到將爆破孔進(jìn)行三維定位的目的，利用機(jī)械手即可完成炸藥植入作業(yè)。本發(fā)明具有炸藥植入的準(zhǔn)確性高，漏裝率低的特點(diǎn)，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
【專利說(shuō)明】一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置 及定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)控【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定 位爆破孔的裝置及利用該裝置完成爆破孔定位的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在大型土木工程中通常需要對(duì)山體進(jìn)行爆破，一般首先在石壁上鉆孔，然后裝入 炸藥。然而，由于野外環(huán)境中石壁很高、表面積大且表面形貌極不規(guī)則，采用人工植入炸藥 不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且危險(xiǎn)性很高，若采用自動(dòng)化設(shè)備植入炸藥，又因大部分孔洞與 設(shè)備上的操作者距離太遠(yuǎn)、孔口形貌不規(guī)則易與小石塊混淆等原因使設(shè)備操作人員經(jīng)常漏 裝或錯(cuò)裝許多孔洞，因而需要開發(fā)爆破孔自動(dòng)檢測(cè)與定位裝置，為操作者提供爆破孔的空 間位置信息，提高炸藥植入的準(zhǔn)確性，降低漏裝率和操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置及定位方 法，該裝置及方法能夠?yàn)椴僮髡咛峁┍瓶椎目臻g位置信息，提高炸藥植入的準(zhǔn)確性，降低 漏裝率和操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔 的裝置，包括機(jī)械手，在機(jī)械手上安裝有攝像機(jī)和激光測(cè)距傳感器，攝像機(jī)通過(guò)圖像采集卡 及視覺模塊與計(jì)算機(jī)連接；激光測(cè)距傳感器及機(jī)械手通過(guò)控制模塊與計(jì)算機(jī)連接。
[0005] 所述的機(jī)械手上還設(shè)有位移和速度傳感器。
[0006] 所述的位移和速度傳感器的信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)。
[0007] 利用上述裝置定位爆破孔的方法，其定位步驟如下：
[0008] 1)爆破孔搜索：利用攝像機(jī)對(duì)石壁上的孔進(jìn)行搜索，搜索過(guò)程中若視覺模塊判斷 拍攝區(qū)域內(nèi)有孔，則得到孔的圖像，并在視域中分割、鎖定各孔為當(dāng)前目標(biāo)孔；
[0009] 2)空間直線取得：通過(guò)視覺模塊中的圖像處理軟件對(duì)孔的圖像進(jìn)行處理，得到孔 的圖像二維坐標(biāo)，再結(jié)合正式工作前現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的攝像系統(tǒng)參數(shù)矩陣，可以求得由攝像機(jī)坐 標(biāo)原點(diǎn)指向目標(biāo)孔中心的空間直線；
[0010] 3)目標(biāo)孔測(cè)距：控制模塊發(fā)出指令調(diào)整激光測(cè)距傳感器對(duì)準(zhǔn)步驟2)中獲得的空 間直線的方向進(jìn)行測(cè)距，所得到的數(shù)據(jù)即為目標(biāo)孔與激光測(cè)距傳感器之間的距離；
[0011] 4)三維坐標(biāo)取得：將步驟2)中得到的空間直線以及步驟3)中的距離參數(shù)合成后 進(jìn)一步換算到機(jī)械手底座參考坐標(biāo)系中，由此得到了目標(biāo)孔的空間三維坐標(biāo)，完成石壁爆 破孔的定位，即可引導(dǎo)機(jī)械手植入炸藥。
[0012] 步驟1) 一 4)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)均以機(jī)械手底座為基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系，正式工 作前需在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；工作過(guò)程中通過(guò)安裝在機(jī)械手上的位移、速度傳感器實(shí) 時(shí)獲取攝像機(jī)、激光測(cè)距傳感器以及機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于該參考坐標(biāo)系的空間位 置，進(jìn)而可獲取其他需要的相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)獲得了機(jī)械手末端執(zhí)行器與目標(biāo)孔間在各 方向上的相對(duì)距離。
[0013] 利用攝像機(jī)對(duì)石壁上的孔進(jìn)行搜索時(shí)，若出現(xiàn)同一幅圖像中拍攝到多個(gè)孔的情 況，鎖定其中一孔為當(dāng)前目標(biāo)孔。
[0014] 步驟2) - 4)中空間直線、三維坐標(biāo)取得的方法是：
[0015] 將得到的孔的圖像中的孔進(jìn)行分割，并鎖定一個(gè)孔為當(dāng)前目標(biāo)孔，對(duì)給定圖 像，可知目標(biāo)孔在圖像中的二維坐標(biāo)I (u，v)，首先將其轉(zhuǎn)化為以攝像機(jī)為參考的坐標(biāo)系 C(X，Y，Z)中，結(jié)果為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置，其特征在于：包括機(jī)械 手（7)，在機(jī)械手（7)上安裝有攝像機(jī)（1)和激光測(cè)距傳感器（8)，攝像機(jī)（1)通過(guò)圖像采 集卡（2)及視覺模塊（4)與計(jì)算機(jī)（3)連接；激光測(cè)距傳感器（8)及機(jī)械手（7)通過(guò)控制 模塊（5)與計(jì)算機(jī)（3)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置， 其特征在于：所述的機(jī)械手（7)上還設(shè)有位移和速度傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于攝像機(jī)與激光測(cè)距傳感器聯(lián)合定位爆破孔的裝置， 其特征在于：所述的位移和速度傳感器的信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)（3)。
4. 利用權(quán)利要求1 一 3中任一權(quán)利要求所述的裝置定位爆破孔的方法，其特征在于： 其定位步驟如下： 1) 爆破孔搜索：利用攝像機(jī)對(duì)石壁上的孔進(jìn)行搜索，搜索過(guò)程中若視覺模塊（4)判斷 拍攝區(qū)域內(nèi)有孔，則得到孔的圖像，并在視域中分割、鎖定各孔為當(dāng)前目標(biāo)孔； 2) 空間直線取得：通過(guò)視覺模塊（4)中的圖像處理軟件對(duì)孔的圖像進(jìn)行處理，得到孔 的圖像二維坐標(biāo)，再結(jié)合正式工作前現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的攝像系統(tǒng)參數(shù)矩陣，可以求得由攝像機(jī)坐 標(biāo)原點(diǎn)指向目標(biāo)孔中心的空間直線； 3) 目標(biāo)孔測(cè)距：控制模塊（5)發(fā)出指令調(diào)整激光測(cè)距傳感器對(duì)準(zhǔn)步驟2)中獲得的空 間直線的方向進(jìn)行測(cè)距，所得到的數(shù)據(jù)即為目標(biāo)孔與激光測(cè)距傳感器之間的距離； 4) 三維坐標(biāo)取得：將步驟2)中得到的空間直線以及步驟3)中的距離參數(shù)合成后進(jìn)一 步換算到機(jī)械手底座參考坐標(biāo)系中，由此得到了目標(biāo)孔的空間三維坐標(biāo)，完成石壁爆破孔 的定位，即可引導(dǎo)機(jī)械手植入炸藥。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：步驟1) 一 4)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)均 以機(jī)械手底座為基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系，正式工作前需在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；工作過(guò)程中通 過(guò)安裝在機(jī)械手上的位移、速度傳感器實(shí)時(shí)獲取攝像機(jī)、激光測(cè)距傳感器以及機(jī)械手末端 執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于該參考坐標(biāo)系的空間位置，進(jìn)而可獲取其他需要的相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)獲 得了機(jī)械手末端執(zhí)行器與目標(biāo)孔間在各方向上的相對(duì)距離。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：利用攝像機(jī)對(duì)石壁上的孔進(jìn)行搜索時(shí)，若 出現(xiàn)同一幅圖像中拍攝到多個(gè)孔的情況，鎖定其中一孔為當(dāng)前目標(biāo)孔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：步驟2) - 4)中空間直線、三維坐標(biāo)取得 的方法是： 將得到的孔的圖像中的孔進(jìn)行分割，并鎖定一個(gè)孔為當(dāng)前目標(biāo)孔，對(duì)給定圖像，可知目 標(biāo)孔在圖像中的二維坐標(biāo)I (u，v)，首先將其轉(zhuǎn)化為以攝像機(jī)為參考的坐標(biāo)系C(X，Y，Z)中， 結(jié)果為：
其中hn?h34為已知的攝像機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，將（1)式展開可得：
通過(guò)式（2)可以確定由攝像機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)指向目標(biāo)孔中心的空間直線，但直線長(zhǎng)度即相 機(jī)與孔之間的距離未知，該距離可由激光傳感器測(cè)量獲得，由此即獲得了目標(biāo)孔在攝像機(jī) 坐標(biāo)系C中的三維坐標(biāo)； 進(jìn)一步，假設(shè)攝像機(jī)坐標(biāo)系C(X，Y，Z)與機(jī)械手底座坐標(biāo)系0(\，1,4)之間的空間轉(zhuǎn) 換矩陣為P，其中P中的各參數(shù)由安裝在機(jī)械手關(guān)節(jié)部位的位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得，則可將攝 像機(jī)坐標(biāo)系C轉(zhuǎn)換至機(jī)械手坐標(biāo)系0中：
此后，獲取任意目標(biāo)孔后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)以上計(jì)算步驟，將目標(biāo)孔空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī) 械手底座坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)孔相對(duì)于機(jī)械手底座坐標(biāo)系的空間定位。
【文檔編號(hào)】G01C3/00GK104280740SQ201410536220
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】陳從平, 黃正 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)