一种基于同步相机的钢丝绳张力监测方法

1.本发明属于工业现场提升钢丝绳的张力检测领域，具体涉及一种基于同步相机的钢丝绳张力监测方法。


背景技术：

2.地下资源开采现大多使用矿井提升装备，随着科学技术进步和矿井生产现代化要求的不断提高，提升设备的运行稳定性和安全性方面愈加得到重视，提升设备信息化，智能化改造是矿井提升装备升级的重中之重。提升钢丝绳的张力与提升设备的安全性息息相关，因此，准确、高效的实时张力检测一直是矿井提升安全高效智能研究中的重要内容。
3.现有的提升容器的张力检测方法主要分为5种，一种是串联接入式，通过将传感器串联在提升钢丝绳和提升容器之间，直接将张力施加在传感器两端来检测，包括力传感器、油压传感器等；第二种是三点接触式，通过结构设计来实现检测钢丝绳的横向刚度从而间接检测钢丝绳的张力；第三种是基于钢丝绳张力与钢丝绳伸长量的关系，通过检测钢丝绳的伸长量来推算钢丝绳张力；第四种是基于频率-张力关系的，通过各种方式检测钢丝绳的横波振动频率，从而计算钢丝绳的张力，第五种是基于磁弹效应理论，通过施加外磁场磁化钢丝绳，当钢丝绳张力改变同时，感应磁场也会变化，用感应线圈检测感应电压大小，换算成钢丝绳应力。但第一种串联接入式引入了风险因素，且能承受大载荷的传感器很难将精度和分辨率做到很好，第二种接触式增加了钢丝绳的形变和磨损，也是引入了一定的风险因素，第三种难点在于如何准确检测运动中的钢丝绳的伸长量，第四种检测滞后且检测效果不够好，第五种易受外界环境（比如温度、振动）影响，且磁化需要时间，不适合高速检测。因此目前缺乏一种非接触式的能够实时检测提升钢丝绳张力的检测方法.


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种能够不增加风险因素的实时的非接触检测高速运动中的钢丝绳张力的检测方法及其装置，通过按照一定要求安装布置的同步相机同时拍摄同一根提升钢丝绳的视频，通过图像处理得到该时刻这一段钢丝绳的相对伸长量，根据相对伸长量与钢丝绳张力的关系计算得到该时刻该段钢丝绳的平均张力。
5.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
6.一种基于同步相机的钢丝绳张力监测方法，包括以下步骤：
7.步骤1：设置两台朝向提升设备的钢丝绳拍摄的摄像装置，且其中一台摄像装置为保持固定位置的固定机，另一台摄像装置为能够沿钢丝绳运动方向移动的移动机；其中移动机在移动范围的其中一端端部p1位置处能够拍摄到的钢丝绳，是与固定机能够拍摄到的钢丝绳存在重叠部分；同时在钢丝绳后设置背景板，使钢丝绳处于两台摄像装置和背景板之间，且背景板在固定机的拍摄范围内设有第一组定位标记，同时在移动机移动范围的另一端端部p2位置的拍摄范围内设有第二组定位标记；
8.步骤2：在钢丝绳静止时，移动机从p1位置朝向p2位置匀速运行，且两台摄像装置
同步拍摄，并根据两台摄像装置拍摄的画面，获取固定机与p2位置之间对应的钢丝绳小节数k来表示钢丝绳的长度，其中k为向下取整的整数；
9.步骤3：正常运行提升设备以使钢丝绳开始运动，获取两个相机同步拍摄的画面，在每一帧画面中识别并得到定位标记的图像像素坐标，从而校正拍摄的画面，并得到画面中每个像素代表的实际距离；
10.步骤4：在固定机拍摄的第i帧画面中，从钢丝绳表面上选定一处作为模板t，记录下模板t所在像素位置；在移动机同一时间拍摄的画面中，从像素位置上下分别搜索与模板t相似响应最大的位置，记为和，再记录下和所在像素位置和；然后以上和连线中纵坐标为的点设为点，则点的像素坐标为：
11.；
12.从而得到固定机和处于p2位置的移动机之间间隔的钢丝绳的小节数为：
13.；
14.固定机与处于p2位置的移动机之间钢丝绳的实际横向偏移为；则固定相机与处于p2位置的移动相机之间钢丝绳实际长度，表示两组定位标记之间的距离，从而计算每小节的实际平均长度为；
15.步骤5：计算当前钢丝绳的平均张力为：；
16.其中表示提升设备处于上限位时每小节的平均距离，计算过程为：将提升设备空载运行到提升设备的上限位，此时钢丝绳受力近似为空载时的自重，其中为空载时提升设备的质量，为提升设备所在位置的重力加速度，此时执行步骤1-4得到的即为；
17.表示提升设备处于下限位时每小节的平均距离，计算过程为：将提升设备空载运行到提升设备的下限位，此时钢丝绳受力为提升设备的自重与上下限位之间提升钢丝绳的总重的和，即，其中是钢丝绳线密度，是提升系统上下限位之间的实际距离也即总行程长度，此时执行步骤1-4得到的即为。
18.所述的方法，所述的背景板是与钢丝绳颜色具有灰度色差的纯色板。
19.所述的方法，所述的步骤1中，所述的第一组定位标记和第二组定位标记，均包括相同的多个定位点，定位点的数量为至少4个，且任意3个定位点均不处于同一直线上。
20.所述的方法，所述的步骤2中，钢丝绳的小节为：
21.以一根钢丝绳由n股钢丝或钢丝束组成，然后以组成该钢丝绳的钢丝或钢丝束缠绕一周的轴向距离为节距，则一个节距内的钢丝绳称之为一节钢丝绳；其中一节钢丝绳包括n小节钢丝绳，小节钢丝绳的长度为小节距d。
22.所述的方法，所述的步骤3中，得到画面中每个像素代表的实际距离包括以下步骤：
23.获取每一帧画面中各个定位点的像素坐标，然后利用已知的真实空间中各个定位标记的位置关系，确定各个定位点的真实像素坐标，进而求解获取每帧画面转换到真实坐标的射影变换矩阵，并对整个画面进行射影变换并插值，以得到画面大小为固定尺寸、且各个定位点均以固定位置出现在画面中的校正图像，其中、分别为校正图像的像素宽度和像素高度；以任意两个定位点在真实空间实际坐标系中的实际距离为，在校正图像中的像素距离为，则校正图像上一个像素代表的实际距离。
24.所述的方法，在对整个画面进行射影变换并插值时，插值是利用当前位置像素点的已知邻近像素点的灰度值或rgb图像中的三色值，来产生当前位置像素点的灰度值。
25.本发明的技术效果在于，本发明使用同步相机的方式检测钢丝绳的张力，不再需要向提升系统串联张力传感器或者对钢丝绳施加额外荷载等，极大地提高了提升系统本身的安全性。本发明使用定点标记的背景板和定长度的支架配合，确保固定机和移动机与背景板的标记形成一个平行四边形，从而保证了即使在出现系统振动、镜头偏移的情况下，也能够准确地计算钢丝绳张力。
附图说明
26.图1是实现本实施例方法所采用的装置的侧向示意图。
27.图2是钢丝绳节距和小节距的说明示意图。
28.图3是本实施例方法所采用的装置的立体视角示意图。
29.图4是本实施例在固定机位置和移动机的下限位置处朝向钢丝绳方向观测的示意图；
30.其中1是背景板，2是钢丝绳，3是固定机，4是固定机安装平台，5是驱动装置，6是支架，7是移动机，8是移动机安装平台。p1表示移动机的上限位置，p2表示移动机的下限位置。
具体实施方式
31.本实施例所提供的一种基于同步相机的钢丝绳张力监测方法，包括如下步骤：
32.步骤1：设置两台朝向钢丝绳拍摄的摄像装置以及背景板，且其中一台摄像装置为保持固定位置的固定机，另一台摄像装置为能够沿钢丝绳运动方向移动的移动机；其中移动机在移动范围的其中一端端部p1位置处能够拍摄到的钢丝绳，是与固定机能够拍摄到的钢丝绳存在重叠部分；钢丝绳处于两台摄像装置和背景板之间，且背景板在固定机的拍摄范围内设有第一组定位标记，同时在移动机移动范围的另一端端部p2位置的拍摄范围内设有第二组定位标记，每组定位标记至少有4个，两组定位标记间的实际距离设为。
33.参见图1和图3，本实施例的所采用的装置，其中固定机3安装平台4固定在支架6上，固定机3再固定安装在固定机安装平台4上，从而使固定机3从固定位置朝向钢丝绳2拍摄。移动机7则设置在移动机安装平台8上，驱动装置5来驱动移动机安装平台8在p1和p2之间移动，其中p1表示移动机的上限位置，p2表示移动机的下限位置。
34.本实施例中的驱动装置5是由步进电机和滚珠丝杠组成，步进电机驱动滚珠丝杠
转动，从而带动移动机安装平台8在滚珠丝杠处上下运动。移动机7和固定机3均水平的朝向钢丝绳2拍摄。背景板1处于固定机3和移动机7的拍摄视野中正后方，且背景板1的尺寸满足钢丝绳2在固定机3和移动机7的视野中均落在背景板1内。固定机3到移动机7下限位p2的实际距离是已知的固定值。
35.步骤2：在钢丝绳静止时，移动机从p1位置朝向p2位置匀速运行，且两台摄像装置同步拍摄，并根据两台摄像装置拍摄的画面，获取固定机与p2位置之间对应的钢丝绳整数个小节数，这里将小节数设为k，其中k为向下取整的整数，即如果画面中的小节数不是整数的话，则向下取整为整数。
36.参见图2，在本实施例中，以一根钢丝绳由n股钢丝或钢丝束组成，然后以组成该钢丝绳的钢丝或钢丝束缠绕一周的轴向距离为节距，则一个节距内的钢丝绳称之为一节钢丝绳。其中一节钢丝绳包括n小节钢丝绳，小节钢丝绳的长度为小节距d。
37.步骤3：正常运行提升系统，获取两个相机同步拍摄的画面，在每一帧画面中利用背景板的定位标记的颜色和形状的特殊性，识别并得到定位标记的图像像素坐标，每一帧画面中至少有4个定位标记，所以至少可以得到4组图像像素坐标，然后利用真实空间中这四个定位标记的位置关系确定这四个定位标记在该处的背景板的画面中的图像像素坐标，即得到另外4组图像像素坐标。再利用这4
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2组图像像素坐标的一一对应关系可以求解得到其射影变换矩阵，其中求解方法为计算机视觉多视图几何中常见方法。然后对整个画面进行射影变换并插值得到画面大小为固定尺寸、且各个定位点均以固定位置出现在画面中的校正图像。其中插值是利用当前位置像素点的已知邻近像素点的灰度值或rgb图像中的三色值，来产生当前位置像素点的灰度值。在得到校正图像后，设其中两个定位标记在实际坐标系中的实际距离为，而在校正图像中的像素距离为，那么校正图像上一个像素代表的实际距离。
38.步骤4：在第一台摄像装置拍摄的其中第i帧画面中，在钢丝绳图像表面上选定一处作为模板t，记录下模板t所在像素位置；在第二台摄像装置同一时间拍摄的画面中，在像素位置上下分别搜索与模板t相似响应最大的位置，记为和，记录下和所在像素位置和，其中必有；上和连线中纵坐标为的点设为点，其像素坐标为：。然后就可以确定固定相机和处于p2位置的移动相机之间间隔的钢丝绳的小节数为：。固定相机与处于p2位置的移动相机之间钢丝绳的实际横向偏移。则固定相机与处于p2位置的移动相机之间钢丝绳实际长度，从而计算每小节的实际平均长度为。
39.步骤5：计算当前钢丝绳的平均张力为：；
40.其中表示提升设备处于上限位时每小节的平均距离，这里的上下限位是指提升系统本身的提升上限，不是本实施例装置中移动机的上下限位。计算过程为：将提升设备空载运行到提升系统的上限位，此时钢丝绳受力近似为空载时的自重，其中为空载时提升设备的质量，为提升设备所在位置的重力加速度。然后执行步骤1-4得到的即为；
41.表示提升设备处于下限位时每小节的平均距离，计算过程为：将提升设备空载运行到提升系统的下限位，此时钢丝绳受力为提升设备的自重加上上下限位之间提升钢丝绳的总重，是钢丝绳线密度，是提升系统上下限位之间的实际距离，或者称为总行程长度，执行步骤1-4得到的即为。

技术特征：
1.一种基于同步相机的钢丝绳张力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设置两台朝向提升设备的钢丝绳拍摄的摄像装置，且其中一台摄像装置为保持固定位置的固定机，另一台摄像装置为能够沿钢丝绳运动方向移动的移动机；其中移动机在移动范围的其中一端端部p1位置处能够拍摄到的钢丝绳，是与固定机能够拍摄到的钢丝绳存在重叠部分；同时在钢丝绳后设置背景板，使钢丝绳处于两台摄像装置和背景板之间，且背景板在固定机的拍摄范围内设有第一组定位标记，同时在移动机移动范围的另一端端部p2位置的拍摄范围内设有第二组定位标记；步骤2：在钢丝绳静止时，移动机从p1位置朝向p2位置匀速运行，且两台摄像装置同步拍摄，并根据两台摄像装置拍摄的画面，获取固定机与p2位置之间对应的钢丝绳小节数k来表示钢丝绳的长度，其中k为向下取整的整数；步骤3：正常运行提升设备以使钢丝绳开始运动，获取两个相机同步拍摄的画面，在每一帧画面中识别并得到定位标记的图像像素坐标，从而校正拍摄的画面，并得到画面中每个像素代表的实际距离；步骤4：在固定机拍摄的第i帧画面中，从钢丝绳表面上选定一处作为模板t，记录下模板t所在像素位置；在移动机同一时间拍摄的画面中，从像素位置上下分别搜索与模板t相似响应最大的位置，记为和，再记录下和所在像素位置和；然后以上和连线中纵坐标为的点设为点，则点的像素坐标为：；从而得到固定机和处于p2位置的移动机之间间隔的钢丝绳的小节数为：；固定机与处于p2位置的移动机之间钢丝绳的实际横向偏移为；则固定相机与处于p2位置的移动相机之间钢丝绳实际长度，表示两组定位标记之间的距离，从而计算每小节的实际平均长度为；步骤5：计算当前钢丝绳的平均张力为：；其中表示提升设备处于上限位时每小节的平均距离，计算过程为：将提升设备空载运行到提升设备的上限位，此时钢丝绳受力近似为空载时的自重，其中为空载时提升设备的质量，为提升设备所在位置的重力加速度，此时执行步骤1-4得到的即为；表示提升设备处于下限位时每小节的平均距离，计算过程为：将提升设备空载运行到提升设备的下限位，此时钢丝绳受力为提升设备的自重与上下限位之间提升钢丝绳的总重的和，即，其中是钢丝绳线密度，是提升系统上下限位之间的实际距离也即总行程长度，此时执行步骤1-4得到的即为。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的背景板是与钢丝绳颜色具有灰度色差的纯色板。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的第一组定位标记和第二组定位标记，均包括相同的多个定位点，定位点的数量为至少4个，且任意3个定位点均不处于同一直线上。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中，钢丝绳的小节为：以一根钢丝绳由n股钢丝或钢丝束组成，然后以组成该钢丝绳的钢丝或钢丝束缠绕一周的轴向距离为节距，则一个节距内的钢丝绳称之为一节钢丝绳；其中一节钢丝绳包括n小节钢丝绳，小节钢丝绳的长度为小节距d。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，得到画面中每个像素代表的实际距离包括以下步骤：获取每一帧画面中各个定位点的像素坐标，然后利用已知的真实空间中各个定位标记的位置关系，确定各个定位点的真实像素坐标，进而求解获取每帧画面转换到真实坐标的射影变换矩阵，并对整个画面进行射影变换并插值，以得到画面大小为固定尺寸、且各个定位点均以固定位置出现在画面中的校正图像，其中、分别为校正图像的像素宽度和像素高度；以任意两个定位点在真实空间实际坐标系中的实际距离为，在校正图像中的像素距离为，则校正图像上一个像素代表的实际距离。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在对整个画面进行射影变换并插值时，插值是利用当前位置像素点的已知邻近像素点的灰度值或rgb图像中的三色值，来产生当前位置像素点的灰度值。

技术总结
本发明公开了一种基于同步相机的钢丝绳张力监测方法，通过使用同步相机来检测提升钢丝绳悬绳段纵向位移变化，从而实现监测矿井提升钢丝绳张力。本发明使用同步相机的方式检测钢丝绳的张力，不再需要向提升系统串联张力传感器或者对钢丝绳施加额外荷载等，极大地提高了提升系统本身的安全性。本发明使用定点标记的背景板和定长度的支架配合，确保固定机和移动机与背景板的标记形成一个平行四边形，从而保证了即使在出现系统振动、镜头偏移的情况下，也能够准确地计算钢丝绳张力。也能够准确地计算钢丝绳张力。也能够准确地计算钢丝绳张力。


技术研发人员：谭建平 石理想
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/9