[发明专利]一种液压支架顶梁支撑高度和姿态的测量系统及其方法

权利要求书

1.一种液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统的使用方法，采用的液压支架顶梁支撑高度和姿态测量系统，包括机器视觉模块和与之配合使用的姿态补偿模块，所述机器视觉模块包括矿用防爆外壳、矿用摄像仪和微型计算机Ⅰ，矿用防爆外壳安装在液压支架顶梁下部，微型计算机Ⅰ设置在矿用防爆外壳内，矿用摄像仪安装在防爆外壳下端；所述姿态补偿模块包括标记靶、微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器，所述标记靶设置在液压支架底板上，标记靶的上表面与液压支架底板的表面平行，所述标记靶的上表面设有LED灯组，微型计算机Ⅱ和MEMS倾角传感器设置在标记靶下表面，微型计算机Ⅰ分别与微型计算机Ⅱ和矿用摄像仪连接，微型计算机Ⅱ与MEMS倾角传感器连接；其特征在于，该方法的具体步骤是：

第一步，摄像机标定：将标定平面靶标放置于矿用摄像仪前方不同位置处，用矿用摄像仪对其进行拍摄，得到不同位置、不同角度下的标定平面靶标图像，采用非线性标定方法得出摄像仪内部参数信息，包括焦距及镜头畸变参数；

第二步，视觉采集与处理：通过矿用摄像仪采集标记靶上LED灯组的光斑信息，即四组标记靶同心圆环；将采集的图像传递给微型计算机Ⅰ，然后微型计算机Ⅰ对采集的图像进行去噪与压缩，具体为：

A、对采集图像进行二维小波包分解，采用Db4小波包对图像进行三层分解，并利用Shannon熵作为信息代价函数，获取图像的最优小波基；

B、完成采集图像的小波包分解后，利用小波包工具箱对图像数据进行压缩和去噪；获取压缩和去噪之后图像的近似部分；所述小波包工具箱是安装在微型计算机Ⅰ上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包；

C、对压缩和去噪之后的图像进行重构；

第三步，图像边缘提取：微型计算机Ⅰ采用canny算子提取上述处理后的图像边缘，并进行固定阈值，得到二值图像；

第四步，标记信息提取：微型计算机Ⅰ采用改进的基于最小二乘法的椭圆拟合算法对图像数据进行椭圆拟合，具体步骤如下：

a、在采集的图像数据的所有样本点中随机选取6个点；所述样本点为二值图像中所有灰度为1的像素点；

b、利用基于代数距离最小二乘法拟合出椭圆曲线；

c、设定样本点到求得的椭圆边界的最小距离的阈值；

d、遍历所有样本点,求取各个样本点到求得的椭圆边界的最小距离，对各个距离值依次与设定的阈值比较，若测得的距离值小于或等于阈值，则该样本点确定为匹配点并编号，若大于阈值，则该样本点确定为杂质点；统计本次遍历的匹配点总个数；

e、重复执行步骤a～步骤d过程100～200次，比对出匹配点总个数最多的拟合椭圆，确定该椭圆为最优椭圆；得出标记靶椭圆参数即四组标记靶成像后椭圆的圆心位置，完成后将数据传输到微型计算机Ⅱ中；

第五步，根据所得图像信息，将摄像机简化为针孔成像模型，可计算出液压支架相对于标记靶的液压支架顶梁的高度及倾角数据；

采集到的四组标记靶椭圆圆心位置的连线在成像面所成像呈矩形，设该矩形的长边为a，其短边为b；设与该成像矩形长边a对应的实际标记靶上圆心的连线边为A，与该成像矩形短边b对应的实际标记靶上圆心的连线边为B，由于实际标记靶上LED灯组圆心连线为正方形，故A＝B；

摄像机焦点与标记靶矩形两长边中点构成的平面中，设H1、H2分别为焦点到实际标记靶两连线边A中点的距离，即焦点到两连线边A的垂直距离，同理，h1、h2分别为焦点到成像后标记靶两长边a中点的距离；

设k1和k2分别为成像区域的中心点到标记靶两长边中点在成像面上所成像的距离，f为摄像机焦距，a为标记靶长边在成像面上所成像的长度；

在摄像机焦点与标记靶长边构成的平面中，H1、H2可由以下公式求得：

其中，k、f、A、a为已知数；

由f、k1、k2可得出角θ的值，具体公式如下：

根据三角定理，求出液压支架顶梁相对于液压支架底板的倾角γ的角度值，公式如下：

以摄像机焦点到底板高度代替液压支架顶梁支撑高度，记为H_总，可得

将上述得出的高度信息和角度信息存储在微型计算机Ⅱ中；

第六步，高度及姿态的补偿：通过MEMS倾角传感器可得到液压支架底板相对于水平位置的倾斜角度，且标记靶安装位置距液压支架底板距离已知，结合步骤五得出的倾角γ及液压支架顶梁支撑高度H_总，进行液压支架顶梁支撑高度和姿态补偿，从而得到液压支架顶梁实际高度与实际姿态信息。