一種基于平面鏡成像的二自由度測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于二自由度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于平面鏡成像原理實現(xiàn)二自 由度測量的裝置及方法。 技術(shù)背景
[0002] 對于煤礦自動化綜采而言，其主要設(shè)備包括:液壓支架組、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)， 一個綜采工作面通常有數(shù)以百計的液壓支架成組使用，為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、人員和其他 設(shè)備提供工作空間，同時根據(jù)煤層地質(zhì)的走勢，各個液壓支架間并不是平行、垂直放置，而 是在空間上存在一定的錯位。由于煤礦井下坐標(biāo)少，傾斜的液壓支架不容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾斜較 大時容易發(fā)生倒架，進(jìn)而造成人員和財產(chǎn)的損失，發(fā)生煤礦事故。除此之外，在建筑工程施 工過程中也會涉及在空間上錯位或者需要檢測二自由度的需求。
[0003] 但是目前液壓支架姿態(tài)定性判斷主要依靠工作人員觀察，其判斷準(zhǔn)確性差，不利 于高效率綜采工作面的實現(xiàn)，目前主要用于一些小煤礦的開采。只有經(jīng)濟(jì)實力雄厚的大煤 炭企業(yè)才采用機(jī)器視覺平面夾角測量方法(基于機(jī)器視覺的液壓支架平面夾角測量方法： 此方法是在兩待測固定板上各標(biāo)記出一個圓及其圓心，使用一臺已知其內(nèi)部參數(shù)的數(shù)字相 機(jī)，在空間任意位置進(jìn)行一次拍照，獲得圓心和部分標(biāo)記圓圖像，然后通過最小二乘法擬合 出各平面上圓圖像的方程及其圓心的圖像坐標(biāo)，即可確定出各平面上的消隱線方程，進(jìn)而 可以得到各平面法線方向上的滅點坐標(biāo)，再根據(jù)相機(jī)成像方程，利用這兩個滅點坐標(biāo)和已 知的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)計算出兩平面法線夾角值，對其求補角即可得到兩平面間的夾角。）。但 是此方法原理復(fù)雜，計算過程繁冗，不便于簡單、快速測量，且采購和維護(hù)成本高，不利于在 煤礦企業(yè)或者建筑施工等領(lǐng)域廣泛推廣和應(yīng)用。
[0004] 本發(fā)明所介紹的基于平面鏡成像的二自由度測量裝置，主要利用平面鏡成像原 理，通過兩個面對面放置的平面鏡來進(jìn)行二自由度的判斷和測量。其系統(tǒng)原理可靠、成本 低、使用方便、測量準(zhǔn)確、有利于大面積推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種受外界干擾小、可以定量測量并且測量結(jié)果準(zhǔn)確、對 角度調(diào)整具有指導(dǎo)作用的基于平面鏡成像的二自由度測量裝置。
[0006] 同時，還提供了一種能夠利用上述基于平面鏡成像的二自由度測量裝置實現(xiàn)二自 由度測量的方法。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:該基于平面鏡成像的二自由度測量裝置包括安裝在 測量基點上的基準(zhǔn)固定板和安裝在待測目標(biāo)上且與基準(zhǔn)固定板相對的待測固定板，在基準(zhǔn) 固定板和待測固定板上分別用緊固連接件固定有基準(zhǔn)平面鏡和待測平面鏡，基準(zhǔn)平面鏡與 待測平面鏡的反射面相對設(shè)置，在基準(zhǔn)平面鏡的反射面前方設(shè)置有可安裝攝像頭的鏡架， 在鏡架上正對攝像頭鏡頭的位置設(shè)置有標(biāo)記桿，標(biāo)記桿與基準(zhǔn)平面鏡平行，攝像頭通過數(shù) 據(jù)線與計算機(jī)連接。
[0008] 上述緊固連接件可以是U形固定架或雙頭吸盤架或緊固連接螺栓。
[0009] 上述緊固連接件是U形固定架，所述基準(zhǔn)固定板與基準(zhǔn)平面鏡、待測固定板與待測 平面鏡均通過U形固定架緊固，所述U形固定架是由U形架、頂緊螺桿和接觸圓臺組成，U形架 的兩端分布在基準(zhǔn)固定板與基準(zhǔn)平面鏡的兩側(cè)或者是待測固定板與待測平面鏡的兩側(cè)，接 觸圓臺設(shè)置在U形架的一端部并且與基準(zhǔn)平面鏡或者待測平面鏡接觸，頂緊螺桿穿過U形架 另一端頭的螺孔延伸至基準(zhǔn)固定板或待測固定板上，使頂緊螺桿與接觸圓臺將基準(zhǔn)固定板 與基準(zhǔn)平面鏡緊固或者待測固定板與待測平面鏡緊固。
[0010] 上述緊固連接件是雙頭吸盤架，所述基準(zhǔn)固定板與基準(zhǔn)平面鏡通過雙頭吸盤架連 接，所述雙頭吸盤架是由中間體、吸盤、彈簧、接頭、密封圈、連接軸以及固定螺母組成，中間 體呈中空結(jié)構(gòu)，在其中部側(cè)壁沿著徑向開設(shè)有通氣孔，在通氣孔上連接有接頭，中間體的兩 端通過空心連接軸分別與吸盤連接，形成抽真空通道，吸盤通過固定螺母和密封圈與連接 軸密封連接，在連接軸外壁上套裝有彈簧。
[0011] 上述中間體的中部沿徑向開設(shè)有一個通氣孔與中間體的空腔形成T形抽真空通道 或者開設(shè)有兩個相對并貫通的通氣孔與中間體的空腔形成十字交叉的抽真空通道。
[0012] 上述鏡架是由平行設(shè)置的安裝柱、連接在兩個安裝柱之間的橫梁、設(shè)置在安裝柱 端部的伸縮桿以及連接在伸縮桿末端的連接桿組成，安裝柱的固定端垂直固定在基準(zhǔn)平面 鏡上，攝像頭安裝在橫梁上，連接桿與橫梁平行，標(biāo)記桿固定在連接桿的中部。
[0013] 在伸縮桿的末端與校準(zhǔn)架連接，校準(zhǔn)架上設(shè)置有與基準(zhǔn)平面鏡平行的校準(zhǔn)平面 鏡，所述標(biāo)記桿包括橫向標(biāo)記桿和縱向標(biāo)記桿，橫向標(biāo)記桿設(shè)置在縱向標(biāo)記桿的頂部并與 縱向標(biāo)記桿垂直。
[0014] 利用上述的基于平面鏡成像的二自由度測量裝置實現(xiàn)二自由度測量方法由以下 步驟組成：
[0015] (1)以基準(zhǔn)平面鏡的中心點為坐標(biāo)原點，以原點與標(biāo)記桿的水平連線的延伸方向 為X軸方向、在同一水平面上過原點與X軸垂直的方向為y軸方向、過原點垂直于X軸和y軸的 方向為z軸方向，建立坐標(biāo)系，并確定出待測平面鏡與標(biāo)記桿之間的水平距離L 1;
[0016] (2)標(biāo)記桿在基準(zhǔn)平面鏡和待測平面鏡上循環(huán)反射形成多個虛像，調(diào)整攝像頭鏡 頭正對標(biāo)記桿，采集標(biāo)記桿的實像以及呈現(xiàn)在待測平面鏡中第一個虛像，并上傳至計算機(jī)， 計算機(jī)根據(jù)上傳的圖像信息進(jìn)一步分析，提取實像和第一個虛像在χζ面上沿著X軸方向的 偏移距離S1和xy面上沿著y軸方向的偏移距離S2;
[0017] (3)利用下式（1)和式(2)計算出待測平面鏡相對于基準(zhǔn)平面鏡的橫擺角度α和俯 仰角度β，
[0020]其中，1為攝像頭與標(biāo)記桿之間的水平距離為待測平面鏡與標(biāo)記桿之間的水平 距離。
[0021] 在步驟(3)之后還包括步驟(4)，根據(jù)步驟(3)的橫擺角度α和俯仰角度β以及步驟 (2)所采集的實像與第一個虛像的位置關(guān)系調(diào)整待測平面鏡的偏轉(zhuǎn)角度，若第一個虛像在 實像的左側(cè)，則沿ζ軸負(fù)方向順時針旋轉(zhuǎn)待測平面鏡的角度為α，即可實現(xiàn)待測平面鏡與基 準(zhǔn)平面鏡平行;若第一個虛像在實像的右側(cè)，沿ζ軸負(fù)方向逆時針旋轉(zhuǎn)待測平面鏡的角度為 α，可實現(xiàn)待測平面鏡與基準(zhǔn)平面鏡平行;若第一個虛像在實像的下側(cè)，沿y軸負(fù)方向順時針 旋轉(zhuǎn)待測平面鏡的角度為β，即可實現(xiàn)待測平面鏡與基準(zhǔn)平面鏡平行;若第一個虛像在實像 的上側(cè)，沿y軸負(fù)方向逆時針旋轉(zhuǎn)待測平面鏡的角度為β，即可實現(xiàn)待測平面鏡與基準(zhǔn)平面 鏡平行，從而完成待測平面鏡的角度調(diào)整。
[0022] 在步驟（1)和步驟(2)之間還包括步驟(a)，具體是:在鏡架上安裝好校準(zhǔn)平面鏡， 標(biāo)記桿在基準(zhǔn)平面鏡和校準(zhǔn)平面鏡上成像，調(diào)整攝像頭鏡頭正對標(biāo)記桿，采集標(biāo)記桿的實 像以及呈現(xiàn)在校準(zhǔn)平面鏡中第一個虛像，判斷實像和第一個虛像是否重合，若否，則重新檢 查鏡架和基準(zhǔn)平面鏡，重新安裝;若是，則基準(zhǔn)平面鏡與校準(zhǔn)平面鏡平整，鏡架與基準(zhǔn)平面 鏡垂直，拆除校準(zhǔn)平面鏡，進(jìn)行下一步驟。
[0023] 本發(fā)明是利用攝像頭采集標(biāo)記桿的實像以及標(biāo)記桿在基準(zhǔn)平面鏡和待測平面鏡 上所成的虛像，利用實像和虛像之間的偏移距離以及標(biāo)記桿與待測平面鏡之間的距離、標(biāo) 記桿與攝像頭之間的距離，從而通過立體幾何關(guān)系算出基準(zhǔn)平面鏡和待測平面鏡之間的俯 仰角度和橫擺角度，同時還可通過兩個方向上的測量結(jié)果，對兩個方向上的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行 判斷和調(diào)整，以期實現(xiàn)預(yù)先的目的，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0024] 1)本發(fā)明應(yīng)用可靠的平面鏡多次成像原理，將光學(xué)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合的模 式，光路傳播不受電磁、溫度、濕度、灰塵等惡劣因素的影響，受外界干擾小，可靠性高，生存 能力強，而且結(jié)構(gòu)簡單，很好地解決了空間平面之間的橫擺角度和俯仰角度的精確測量，對 角度調(diào)整具有指導(dǎo)作用。
[0025] 2)本發(fā)明利用高清攝像頭可將標(biāo)記桿的實像與待測平面鏡中的虛像在同一個面 上呈現(xiàn)出來，用肉眼即可判斷安裝基準(zhǔn)平面鏡和待測平面鏡的兩個空間平面是否平行，即 可進(jìn)行初步修正，而且通過計算機(jī)對圖像進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確測算出實像與虛像之間的偏 差距離，從而準(zhǔn)確計算出基準(zhǔn)平面鏡和待測平面鏡之間的俯仰角度和橫擺角度。
[0026] 3)本發(fā)明可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，特別是當(dāng)應(yīng)用于液壓支架頂梁平衡檢測時， 可以安裝基準(zhǔn)平面鏡的液壓支架為基準(zhǔn)，對調(diào)整其他與之并列的液壓支架起監(jiān)控和協(xié)助作 用，而且不僅可以適于空間中不同物體之間的二自由度測量，也可用于同一物體上不同平 面的測量，適用范圍廣，適于推廣。
【附圖說明】
[0027] 圖1為實施例1的螺栓固定時的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為圖1的局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3為建立的坐標(biāo)系示意圖。
[0030] 圖4~7對應(yīng)為實施例1的測量方法中實像與第一虛像之間偏移的四種情形。
[0031] 圖8為實施例2的U形固定架9固定時的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖9為圖8中U形固定架9的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖10為實施例3的雙頭吸盤架10固定時的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖11為圖10中雙頭吸盤架10的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖12為雙頭吸盤架10的連接軸10-7結(jié)構(gòu)示