一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔的裝置及定位方法
【專利摘要】一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔的裝置及定位方法，裝置包括機械手，在機械手上安裝有攝像機和激光測距傳感器，攝像機通過圖像采集卡及視覺模塊與計算機連接；激光測距傳感器及機械手通過控制模塊與計算機連接，利用本裝置，通過爆破孔搜索、空間直線取得、目標孔測距、三維坐標取得等步驟得到石壁爆破孔的具體位置數據，達到將爆破孔進行三維定位的目的，利用機械手即可完成炸藥植入作業。本發明具有炸藥植入的準確性高，漏裝率低的特點，降低了操作者的勞動強度。
【專利說明】一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔的裝置 及定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及測控【技術領域】，具體涉及到一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定 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】
[0002] 在大型土木工程中通常需要對山體進行爆破，一般首先在石壁上鉆孔，然后裝入 炸藥。然而，由于野外環境中石壁很高、表面積大且表面形貌極不規則，采用人工植入炸藥 不僅勞動強度大、效率低，且危險性很高，若采用自動化設備植入炸藥，又因大部分孔洞與 設備上的操作者距離太遠、孔口形貌不規則易與小石塊混淆等原因使設備操作人員經常漏 裝或錯裝許多孔洞，因而需要開發爆破孔自動檢測與定位裝置，為操作者提供爆破孔的空 間位置信息，提高炸藥植入的準確性，降低漏裝率和操作者的勞動強度。
【發明內容】
[0003] 本發明提供一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔的裝置及定位方 法，該裝置及方法能夠為操作者提供爆破孔的空間位置信息，提高炸藥植入的準確性，降低 漏裝率和操作者的勞動強度。
[0004] 本發明的目的是這樣實現的：一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔 的裝置，包括機械手，在機械手上安裝有攝像機和激光測距傳感器，攝像機通過圖像采集卡 及視覺模塊與計算機連接；激光測距傳感器及機械手通過控制模塊與計算機連接。
[0005] 所述的機械手上還設有位移和速度傳感器。
[0006] 所述的位移和速度傳感器的信號傳遞給計算機。
[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：利用攝像機對石壁上的孔進行搜索，搜索過程中若視覺模塊判斷 拍攝區域內有孔，則得到孔的圖像，并在視域中分割、鎖定各孔為當前目標孔；
[0009] 2)空間直線取得：通過視覺模塊中的圖像處理軟件對孔的圖像進行處理，得到孔 的圖像二維坐標，再結合正式工作前現場標定的攝像系統參數矩陣，可以求得由攝像機坐 標原點指向目標孔中心的空間直線；
[0010] 3)目標孔測距：控制模塊發出指令調整激光測距傳感器對準步驟2)中獲得的空 間直線的方向進行測距，所得到的數據即為目標孔與激光測距傳感器之間的距離；
[0011] 4)三維坐標取得：將步驟2)中得到的空間直線以及步驟3)中的距離參數合成后 進一步換算到機械手底座參考坐標系中，由此得到了目標孔的空間三維坐標，完成石壁爆 破孔的定位，即可引導機械手植入炸藥。
[0012] 步驟1) 一 4)過程中運動的坐標數據均以機械手底座為基準參考坐標系，正式工 作前需在現場對攝像機進行標定；工作過程中通過安裝在機械手上的位移、速度傳感器實 時獲取攝像機、激光測距傳感器以及機械手末端執行機構相對于該參考坐標系的空間位 置，進而可獲取其他需要的相對坐標數據，同時獲得了機械手末端執行器與目標孔間在各 方向上的相對距離。
[0013] 利用攝像機對石壁上的孔進行搜索時，若出現同一幅圖像中拍攝到多個孔的情 況，鎖定其中一孔為當前目標孔。
[0014] 步驟2) - 4)中空間直線、三維坐標取得的方法是：
[0015] 將得到的孔的圖像中的孔進行分割，并鎖定一個孔為當前目標孔，對給定圖 像，可知目標孔在圖像中的二維坐標I (u，v)，首先將其轉化為以攝像機為參考的坐標系 C(X，Y，Z)中，結果為：
[0016]
【權利要求】
1. 一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔的裝置，其特征在于：包括機械 手（7)，在機械手（7)上安裝有攝像機（1)和激光測距傳感器（8)，攝像機（1)通過圖像采 集卡（2)及視覺模塊（4)與計算機（3)連接；激光測距傳感器（8)及機械手（7)通過控制 模塊（5)與計算機（3)連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基于攝像機與激光測距傳感器聯合定位爆破孔的裝置， 其特征在于：所述的機械手（7)上還設有位移和速度傳感器。
3. 根據權利要求2所述的一種基于攝像機與激光測距傳感器聯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傳遞給計算機（3)。
4. 利用權利要求1 一 3中任一權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：利用攝像機對石壁上的孔進行搜索，搜索過程中若視覺模塊（4)判斷 拍攝區域內有孔，則得到孔的圖像，并在視域中分割、鎖定各孔為當前目標孔； 2) 空間直線取得：通過視覺模塊（4)中的圖像處理軟件對孔的圖像進行處理，得到孔 的圖像二維坐標，再結合正式工作前現場標定的攝像系統參數矩陣，可以求得由攝像機坐 標原點指向目標孔中心的空間直線； 3) 目標孔測距：控制模塊（5)發出指令調整激光測距傳感器對準步驟2)中獲得的空 間直線的方向進行測距，所得到的數據即為目標孔與激光測距傳感器之間的距離； 4) 三維坐標取得：將步驟2)中得到的空間直線以及步驟3)中的距離參數合成后進一 步換算到機械手底座參考坐標系中，由此得到了目標孔的空間三維坐標，完成石壁爆破孔 的定位，即可引導機械手植入炸藥。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于：步驟1) 一 4)過程中運動的坐標數據均 以機械手底座為基準參考坐標系，正式工作前需在現場對攝像機進行標定；工作過程中通 過安裝在機械手上的位移、速度傳感器實時獲取攝像機、激光測距傳感器以及機械手末端 執行機構相對于該參考坐標系的空間位置，進而可獲取其他需要的相對坐標數據，同時獲 得了機械手末端執行器與目標孔間在各方向上的相對距離。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于：利用攝像機對石壁上的孔進行搜索時，若 出現同一幅圖像中拍攝到多個孔的情況，鎖定其中一孔為當前目標孔。
7. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于：步驟2) - 4)中空間直線、三維坐標取得 的方法是： 將得到的孔的圖像中的孔進行分割，并鎖定一個孔為當前目標孔，對給定圖像，可知目 標孔在圖像中的二維坐標I (u，v)，首先將其轉化為以攝像機為參考的坐標系C(X，Y，Z)中， 結果為：
其中hn?h34為已知的攝像機系統參數，將（1)式展開可得：
通過式（2)可以確定由攝像機坐標原點指向目標孔中心的空間直線，但直線長度即相 機與孔之間的距離未知，該距離可由激光傳感器測量獲得，由此即獲得了目標孔在攝像機 坐標系C中的三維坐標； 進一步，假設攝像機坐標系C(X，Y，Z)與機械手底座坐標系0(\，1,4)之間的空間轉 換矩陣為P，其中P中的各參數由安裝在機械手關節部位的位移傳感器實時測得，則可將攝 像機坐標系C轉換至機械手坐標系0中：
此后，獲取任意目標孔后，系統會自動通過以上計算步驟，將目標孔空間坐標轉換到機 械手底座坐標系中，實現目標孔相對于機械手底座坐標系的空間定位。
【文檔編號】G01C3/00GK104280740SQ201410536220
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】陳從平, 黃正 申請人:三峽大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
