本发明属于钻机开孔角度测量领域，涉及一种基于图像处理的煤矿井下开孔角度测量装置和方法。
背景技术：
我国煤炭资源储量丰富，但是大部分矿井属于高瓦斯矿井，为了提高开采的安全性，加强煤矿瓦斯灾害的预防，瓦斯抽放已经成为治理瓦斯灾害的重要手段。瓦斯抽放的效果和质量与抽采钻孔的质量密不可分，而钻孔开孔精度和便捷性是制约和影响钻孔质量的关键因素，所以准确、快速测定钻孔开孔参数，有助于煤矿瓦斯治理、减轻人工劳动强度，确保煤炭开采的安全。钻孔的开孔参数包含钻孔倾角和钻孔方位角，目前现有技术中，这两种参数一般是采用坡度规利用人工测量的方式，或者利用激光基准线发射装置测量，或者布置传感节点利用超声波测距方法，或者用惯性导航系统采用加速度计来测量开孔参数，亦或采用激光线平移巷道中线求取钻杆夹角方法。然而，以上测量方法均存在一定的缺陷和不足，例如：淮南矿业(集团)有限责任公司王永等人利用激光基准线这种方式虽然在一定程度上提高了测量精度，但是在测量过程仍然涉及大量的人工操作，准确性依然不高；中煤科工集团重庆研究院有限公司黄强、鲁远祥等人提出了一种利用超声波测距原理计算开孔倾角的方法，此种方法减少了繁琐的测量步骤，但是需要布置多个超声波传感器，施工比较复杂；中煤科工集团西安研究院有限公司王小龙等人研制了基于三轴光纤陀螺的钻孔角度测量仪器，在一定程度上减轻了人工劳动强度，但其高昂的成本使其在煤矿井下的应用举步维艰。中煤科工集团重庆研究院吴银成等人提出了采用激光线将巷道中线平移至钻杆并求取两者之间夹角以达到测量方位角的目的，然而由于平移后的激光线与钻杆并未在同一平面，因此其实际测量方位角度为近似值。综上所述，需要对井下钻孔开孔角度测量方法进行改进，提高测量的便捷性，减小人工劳动强度，同时又具有较高的测量精度。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于图像处理的煤矿井下开孔角度测量装置和方法，不仅是一种非接触的测量方法，还提高了测量的便捷性和快速性，减小了人工劳动强度，同时又具有较高的测量精度。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量装置，包括矿用高清防爆激光摄像机、矿用高清防爆摄像机ii以及测量主机；
所述矿用高清防爆激光摄像机安装在钻杆正上方的巷道顶部，矿用高清防爆激光摄像机包括激光器和矿用高清防爆摄像机i，且激光器的出射方向与矿用高清防爆摄像机i的采集方向一直；激光器出射的十字激光线条分别与巷道中线平行和垂直，矿用高清防爆摄像机i能采集到十字激光线条和钻杆在工作面底部的投影；
所述矿用高清防爆摄像机ii安装在钻机上侧方的巷道顶部，矿用高清防爆摄像机ii的中心轴线与巷道中线垂直；
所述测量主机安装在钻机上，测量主机能接收矿用高清防爆摄像机i和矿用高清防爆摄像机ii采集到的图像并进行图像处理，获得钻杆与十字激光线条的夹角，结合巷道中线方位角，计算得到钻杆的方位角和倾角。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述测量主机通过有线或无线方式接收矿用高清防爆摄像机i和矿用高清防爆摄像机ii采集到的图像。
具体的，所述图像处理包括图像增强、图像去噪、图像二值化以及边缘提取，从而提取出激光线条和钻杆的边缘轮廓。
一种基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量方法，该方法通过所述的测量装置进行测量；包括以下步骤：
步骤一，将矿用高清防爆激光摄像机安装在钻杆正上方的巷道顶部，矿用高清防爆摄像机ii安装在钻机上侧方的巷道顶部，测量主机安装在钻机上；
步骤二，矿用高清防爆激光摄像机采集十字激光线条和钻杆在工作面底部的投影的视频画面，通过有线或无线方式传输至测量主机；矿用高清防爆摄像机ii采集工作面底部区域十字激光线条中与巷道中线平行的激光线条以及钻杆视频画面，通过有线或无线方式传输至测量主机；
步骤三，将采集到的视频画面进行图像处理，包括图像增强、图像去噪、图像二值化以及边缘提取，提取出十字激光线条、钻杆在工作面底部的投影以及钻杆的边缘轮廓；所述十字激光线条为激光线条de和激光线条fh，激光线条de与巷道中线平行，激光线条fh与巷道中线垂直；激光线条de与激光线条fh的交点为点o；
矿用高清防爆摄像机i采集到边缘轮廓图像中，钻杆ab在工作面底部的投影为线条ac，线条ac与矿用高清防爆摄像机i采集到的激光线条fh的交点为点k，线条ac的延长线与矿用高清防爆摄像机i采集到的激光线条de的交点为点i；
矿用高清防爆摄像机ii采集到边缘轮廓图像中，钻杆ab与矿用高清防爆摄像机ii采集到的激光线条de的延长线的交点为点o’，矿用高清防爆摄像机ii采集到的钻杆ab的b端向矿用高清防爆摄像机ii采集到的激光线条de做垂线并与激光线条de相交于点l，且矿用高清防爆摄像机ii采集到的钻杆ab中的b端至激光线条de的垂直距离大于a端至激光线条de的垂直距离；
步骤四，根据提取出的边缘轮廓结合巷道中线的方位角γ，计算出钻杆的方位角β和倾角α：
上式中，(xi，yi)为点i在直角坐标系x″o″y″下的坐标，(xk，yk)为点k在直角坐标系x″o″y″下的坐标，(xo，yo)为点o在直角坐标系x″o″y″下的坐标；
上式中，c为b端和点l之间的距离，d为b端和点o’之间的距离；
步骤五，测量主机将当前计算的钻杆的方位角和倾角角度通过显示器进行显示，并用扬声器提示当前数值。
具体的，所述直角坐标系x″o″y″是在矿用高清防爆摄像机i采集到边缘轮廓图像中以边缘轮廓图像左下角o″点为原点，下边缘o″x″为x轴，左边缘o″y″为y轴，建立得到的直角坐标系，并以像素点为单位。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明的基于图像处理的开孔角度测量装置和方法是一种非接触式的测量方法，具有便捷性，不需要人工测量，减轻了劳动强度，同时又快速准确，是一种快速简便的测量方法。此外，由于本发明采用的基于图像处理的开孔角度测量装置和方法易实现，所需设备成本不高，具有大范围推广的潜在优势。
附图说明
图1是本发明原理框图；
图2是本发明装置安装示意图；
图3是本发明高清防爆激光摄像机所采集到的激光线条和钻杆的边缘轮廓示意图；
图4是本发明防爆摄像机ii所采集到的激光线条和钻机钻杆的边缘轮廓示意图；
图5是本发明测量方法过程流程图；
图6是本发明高清防爆激光摄像机结构示意图；
附图标记含义：
1.矿用高清防爆激光摄像机，2.矿用高清防爆摄像机ii，3.测量主机，4.钻机；
11.激光器，12.矿用高清防爆摄像机i。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量装置，包括矿用高清防爆激光摄像机1、矿用高清防爆摄像机ii2以及测量主机3。
矿用高清防爆激光摄像机1安装在钻杆正上方的巷道顶部，矿用高清防爆激光摄像机1包括激光器11和矿用高清防爆摄像机i12，且激光器11的出射方向与矿用高清防爆摄像机i12的采集方向一直；激光器11出射的十字激光线条分别与巷道中线平行和垂直，矿用高清防爆摄像机i12能采集到十字激光线条和钻杆在工作面底部的投影。本实施例中，激光器的出射角度不小于90度。
矿用高清防爆摄像机ii2安装在钻机4上侧方的巷道顶部，矿用高清防爆摄像机ii2的中心轴线与巷道中线垂直。
测量主机3安装在钻机4上，测量主机3能接收矿用高清防爆摄像机i12和矿用高清防爆摄像机ii2采集到的图像并进行图像处理，获得钻杆与十字激光线条的夹角，结合巷道中线方位角，计算得到钻杆的方位角和倾角。
测量主机3通过有线或无线方式接收矿用高清防爆摄像机i12和矿用高清防爆摄像机ii2采集到的图像。本实施例中，测量主机包括微处理单元、显示器、扬声器以及电源单元，其安装固定于钻机。
图像处理包括图像增强、图像去噪、图像二值化以及边缘提取，从而提取出激光线条和钻杆的边缘轮廓。
实施例2：
本实施例提供一种基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量方法，包括以下步骤：
步骤一，将矿用高清防爆激光摄像机安装在钻杆正上方的巷道顶部，矿用高清防爆摄像机ii安装在钻机上侧方的巷道顶部，测量主机安装在钻机上；
步骤二，矿用高清防爆激光摄像机采集十字激光线条和钻杆在工作面底部的投影的视频画面，通过有线或无线方式传输至测量主机；矿用高清防爆摄像机ii采集工作面底部区域十字激光线条中与巷道中线平行的激光线条以及钻杆视频画面，通过有线或无线方式传输至测量主机；
步骤三，将采集到的视频画面进行图像处理，包括图像增强、图像去噪、图像二值化以及边缘提取，提取出十字激光线条、钻杆在工作面底部的投影以及钻杆的边缘轮廓；十字激光线条为激光线条de和激光线条fh，激光线条de与巷道中线平行，激光线条fh与巷道中线垂直；激光线条de与激光线条fh的交点为点o；
矿用高清防爆摄像机i采集到边缘轮廓图像中，钻杆ab在工作面底部的投影为线条ac，线条ac与矿用高清防爆摄像机i采集到的激光线条fh的交点为点k，线条ac的延长线与矿用高清防爆摄像机i采集到的激光线条de的交点为点i；
矿用高清防爆摄像机ii采集到边缘轮廓图像中，钻杆ab与矿用高清防爆摄像机ii采集到的激光线条de的延长线的交点为点o’，矿用高清防爆摄像机ii采集到的钻杆ab的b端向矿用高清防爆摄像机ii采集到的激光线条de做垂线并与激光线条de相交于点l，且矿用高清防爆摄像机ii采集到的钻杆ab中的b端至激光线条de的垂直距离大于a端至激光线条de的垂直距离；
步骤四，根据提取出的边缘轮廓结合巷道中线的方位角γ，计算出钻杆的方位角β和倾角α：
由于边缘轮廓图像为由若干个像素点组成的长方形，在矿用高清防爆摄像机i采集到边缘轮廓图像中建立直角坐标系x″o″y″，具体的，以边缘轮廓图像左下角o″点为原点，下边缘o″x″为x轴，左边缘o″y″为y轴，建立直角坐标系，以像素点为单位，可知a点坐标为(xa,ya)，c点坐标为(xc,yc)，那么直线ac的直线方程为：
d点坐标为(xd,yd)，e点坐标为(xe,ye)，那么直线de的直线方程为：
当直线方程(1)和直线方程(2)y值相同时，求取此时对应xi，即(xi,yi)为线段ac与线段de相交于点i的坐标值。ac与hf相较于点k，点k坐标为(xk,yk)，结合巷道中线的方位角γ采用如下公式计算出钻机钻杆ac的方位角β：
上式中，(xi，yi)为点i在直角坐标系x″o″y″下的坐标，(xk，yk)为点k在直角坐标系x″o″y″下的坐标，(xo，yo)为点o在直角坐标系x″o″y″下的坐标。
由于边缘轮廓图像为由若干个像素点组成的长方形，在矿用高清防爆摄像机ii采集到边缘轮廓图像中建立直角坐标系x″′o″′y″′，具体的，以图像左下角o″′点为原点，下边缘o″′x″′为x轴，左边缘o″′y″′为y轴，建立直角坐标系，以像素点为单位，可知a点坐标为(xa′,ya′)，b点坐标为(xb′,yb′)，那么直线ab的直线方程为：
d点坐标为(xd′,yd′)，e点坐标为(xe′,ye′)，那么直线de的直线方程为：
当直线方程(4)和直线方程(5)y值相同时，求取此时对应xo′，即(xo′,yo′)为线段ab与线段de相交于o′点的坐标值，则线段bo′的长度d为：
直线de的直线方程可写为如下形式：
根据空间点与直线之间的距离公式可知线段bl的长度c为：
因此钻杆倾角α采用如下公式计算：
上式中，c为b端和点l之间的距离，d为b端和点o’之间的距离。
步骤五，测量主机将当前计算的钻杆的方位角和倾角角度通过显示器进行显示，并用扬声器提示当前数值。
1.一种基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量装置，其特征在于，包括矿用高清防爆激光摄像机(1)、矿用高清防爆摄像机ii(2)以及测量主机(3)；
所述矿用高清防爆激光摄像机(1)安装在钻杆正上方的巷道顶部，矿用高清防爆激光摄像机(1)包括激光器(11)和矿用高清防爆摄像机i(12)，且激光器(11)的出射方向与矿用高清防爆摄像机i(12)的采集方向一直；激光器(11)出射的十字激光线条分别与巷道中线平行和垂直，矿用高清防爆摄像机i(12)能采集到十字激光线条和钻杆在工作面底部的投影；
所述矿用高清防爆摄像机ii(2)安装在钻机(4)上侧方的巷道顶部，矿用高清防爆摄像机ii(2)的中心轴线与巷道中线垂直；
所述测量主机(3)安装在钻机(4)上，测量主机(3)能接收矿用高清防爆摄像机i(12)和矿用高清防爆摄像机ii(2)采集到的图像并进行图像处理，获得钻杆与十字激光线条的夹角，结合巷道中线方位角，计算得到钻杆的方位角和倾角。
2.如权利要求1所述的基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量装置，其特征在于，所述测量主机(3)通过有线或无线方式接收矿用高清防爆摄像机i(12)和矿用高清防爆摄像机ii(2)采集到的图像。
3.如权利要求1所述的基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量装置，其特征在于，所述图像处理包括图像增强、图像去噪、图像二值化以及边缘提取，从而提取出激光线条和钻杆的边缘轮廓。
4.一种基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量方法，其特征在于，该方法通过权利要求1至3任一权利要求所述的测量装置进行测量；包括以下步骤：
步骤一，将矿用高清防爆激光摄像机安装在钻杆正上方的巷道顶部，矿用高清防爆摄像机ii安装在钻机上侧方的巷道顶部，测量主机安装在钻机上；
步骤二，矿用高清防爆激光摄像机采集十字激光线条和钻杆在工作面底部的投影的视频画面，通过有线或无线方式传输至测量主机；矿用高清防爆摄像机ii采集工作面底部区域十字激光线条中与巷道中线平行的激光线条以及钻杆视频画面，通过有线或无线方式传输至测量主机；
步骤三，将采集到的视频画面进行图像处理，包括图像增强、图像去噪、图像二值化以及边缘提取，提取出十字激光线条、钻杆在工作面底部的投影以及钻杆的边缘轮廓；所述十字激光线条为激光线条de和激光线条fh，激光线条de与巷道中线平行，激光线条fh与巷道中线垂直；激光线条de与激光线条fh的交点为点o；
矿用高清防爆摄像机i采集到边缘轮廓图像中，钻杆ab在工作面底部的投影为线条ac，线条ac与矿用高清防爆摄像机i采集到的激光线条fh的交点为点k，线条ac的延长线与矿用高清防爆摄像机i采集到的激光线条de的交点为点i；
矿用高清防爆摄像机ii采集到边缘轮廓图像中，钻杆ab与矿用高清防爆摄像机ii采集到的激光线条de的延长线的交点为点o’，矿用高清防爆摄像机ii采集到的钻杆ab的b端向矿用高清防爆摄像机ii采集到的激光线条de做垂线并与激光线条de相交于点l，且矿用高清防爆摄像机ii采集到的钻杆ab中的b端至激光线条de的垂直距离大于a端至激光线条de的垂直距离；
步骤四，根据提取出的边缘轮廓结合巷道中线的方位角γ，计算出钻杆的方位角β和倾角α：
上式中，(xi，yi)为点i在直角坐标系x″o″y″下的坐标，(xk，yk)为点k在直角坐标系x″o″y″下的坐标，(xo，yo)为点o在直角坐标系x″o″y″下的坐标；
上式中，c为b端和点l之间的距离，d为b端和点o’之间的距离；
步骤五，测量主机将当前计算的钻杆的方位角和倾角角度通过显示器进行显示，并用扬声器提示当前数值。
5.如权利要求4所述的基于图像处理的煤矿井下钻孔开孔角度测量方法，其特征在于，所述直角坐标系x″o″y″是在矿用高清防爆摄像机i采集到边缘轮廓图像中以边缘轮廓图像左下角o″点为原点，下边缘o″x″为x轴，左边缘o″y″为y轴，建立得到的直角坐标系，并以像素点为单位。
技术总结