基于近场局部坐标系的巷道断面轮廓视觉精准感知方法

巷道成形控制是巷道掘进的关键环节,摄影测量作为一种简单高效的测量技术被应用于巷道断面轮廓成形感知中,但由于巷道复杂环境的特性,加之掘进工作面受限空间不适合布置外设,摄影测量进行图片采集时会不可避免地产生噪点与畸变,影响测量精度。为了实现巷道轮廓尺寸简单精确测量和巷道精准成型控制,探究了单目视觉下的掘进设备空间坐标系向成像坐标系的映射关系,构建了以近场局部坐标系为标准的测量体系,讨论了近场局部坐标系相较于传统坐标系的优势,形成了基于近场局部坐标系的实时测量开挖轮廓成型效果的控制机理,并给出了设备与断面不同距离情况下的调控机制。为了验证所提方法的有效性,在实验室中搭建了轮廓参数动态视觉感知实验平台。实验结果表明,在28、30和32 mm 3种不同型号钻头截割时,基于近场局部坐标系的测量模型对于断面截割线性尺寸的动态测量最大误差为1.4 mm,相比之下直接根据投影关系测量的最大误差达到5.6、28和30 mm钻头的情况下参照物的使用使最大测量误差降低了约67%,32 mm钻头情况下误差降低约了37.5%,有参照物测量精度显著优于无参照物测量。另外,得到了测量误差随截割断面与参照物间距的变化规律,在单目相机与参照物固定距离50 cm的前提下,参照物与截割断面距离为105 cm时测量误差最小,距离35 cm时测量误差最大,距离从5 cm到25 cm和从35 cm到145 cm的过程中,测量误差呈现下降趋势。进一步地,总结了在参照物与截割断面非严格平行场景下的测量误差调控规律,测量误差随参照物与截割断面夹角增大呈非线性上升趋势。当夹角超过40°时,误差显著增加,最大达到35.787 mm;而在夹角在30°范围内,误差与平行状态基本一致,且待测量断面轮廓一端与相机光心对齐可有效抑制误差增长。该视觉感知方法无需外设以及复杂软硬件配套,能够低成本地应用于空间受限、环境复杂的掘进工作面巷道,可以有效降低煤矿巷道中相机畸变导致的视觉测量误差,能够实现巷道轮廓线性参数简单精确的动态测量。

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本文档关键词:坐标系,巷道,断面,感知,轮廓