一种基于平面镜成像的二自由度测量装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于平面镜成像的二自由度测量装置及方法，该测量装置包括基准固定板和待测固定板，在基准固定板和待测固定板上分别用紧固连接件固定有基准平面镜和待测平面镜，基准平面镜与待测平面镜的反射面相对设置，在基准平面镜的反射面前方设置有可安装摄像头的镜架，在镜架上设置有标记杆，标记杆与基准平面镜平行，摄像头通过数据线与计算机连接，本发明应用平面镜多次成像原理，将光学原理和机械结构相结合的模式，光路传播不受电磁、温度、湿度、灰尘等恶劣因素的影响，受外界干扰小，可靠性高，生存能力强，而且结构简单，很好地解决了空间平面之间的横摆角度和俯仰角度的精确测量，对角度调整具有指导作用。

说明书

技术领域

本发明属于二自由度测量技术领域，具体涉及一种基于平面镜成像原理实 现二自由度测量的装置及方法。

技术背景

对于煤矿自动化综采而言，其主要设备包括：液压支架组、采煤机和刮板 输送机，一个综采工作面通常有数以百计的液压支架成组使用，为采煤机、刮 板输送机、人员和其他设备提供工作空间，同时根据煤层地质的走势，各个液 压支架间并不是平行、垂直放置，而是在空间上存在一定的错位。由于煤矿井 下坐标少，倾斜的液压支架不容易发现，当倾斜较大时容易发生倒架，进而造 成人员和财产的损失，发生煤矿事故。除此之外，在建筑工程施工过程中也会 涉及在空间上错位或者需要检测二自由度的需求。

但是目前液压支架姿态定性判断主要依靠工作人员观察，其判断准确性差， 不利于高效率综采工作面的实现，目前主要用于一些小煤矿的开采。只有经济 实力雄厚的大煤炭企业才采用机器视觉平面夹角测量方法(基于机器视觉的液 压支架平面夹角测量方法：此方法是在两待测固定板上各标记出一个圆及其圆 心，使用一台已知其内部参数的数字相机，在空间任意位置进行一次拍照，获 得圆心和部分标记圆图像，然后通过最小二乘法拟合出各平面上圆图像的方程 及其圆心的图像坐标，即可确定出各平面上的消隐线方程，进而可以得到各平 面法线方向上的灭点坐标，再根据相机成像方程，利用这两个灭点坐标和已知 的相机内部参数计算出两平面法线夹角值，对其求补角即可得到两平面间的夹 角。)。但是此方法原理复杂，计算过程繁冗，不便于简单、快速测量，且采购 和维护成本高，不利于在煤矿企业或者建筑施工等领域广泛推广和应用。

本发明所介绍的基于平面镜成像的二自由度测量装置，主要利用平面镜成 像原理，通过两个面对面放置的平面镜来进行二自由度的判断和测量。其系统 原理可靠、成本低、使用方便、测量准确、有利于大面积推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种受外界干扰小、可以定量测量并且测量结果准 确、对角度调整具有指导作用的基于平面镜成像的二自由度测量装置。

同时，还提供了一种能够利用上述基于平面镜成像的二自由度测量装置实 现二自由度测量的方法。

本发明所采用的技术方案是：该基于平面镜成像的二自由度测量装置包括 安装在测量基点上的基准固定板和安装在待测目标上且与基准固定板相对的待 测固定板，在基准固定板和待测固定板上分别用紧固连接件固定有基准平面镜 和待测平面镜，基准平面镜与待测平面镜的反射面相对设置，在基准平面镜的 反射面前方设置有可安装摄像头的镜架，在镜架上正对摄像头镜头的位置设置 有标记杆，标记杆与基准平面镜平行，摄像头通过数据线与计算机连接。

上述紧固连接件可以是U形固定架或双头吸盘架或紧固连接螺栓。

上述紧固连接件是U形固定架，所述基准固定板与基准平面镜、待测固定 板与待测平面镜均通过U形固定架紧固，所述U形固定架是由U形架、顶紧 螺杆和接触圆台组成，U形架的两端分布在基准固定板与基准平面镜的两侧或 者是待测固定板与待测平面镜的两侧，接触圆台设置在U形架的一端部并且与 基准平面镜或者待测平面镜接触，顶紧螺杆穿过U形架另一端头的螺孔延伸至 基准固定板或待测固定板上，使顶紧螺杆与接触圆台将基准固定板与基准平面 镜紧固或者待测固定板与待测平面镜紧固。

上述紧固连接件是双头吸盘架，所述基准固定板与基准平面镜通过双头吸 盘架连接，所述双头吸盘架是由中间体、吸盘、弹簧、接头、密封圈、连接轴 以及固定螺母组成，中间体呈中空结构，在其中部侧壁沿着径向开设有通气孔， 在通气孔上连接有接头，中间体的两端通过空心连接轴分别与吸盘连接，形成 抽真空通道，吸盘通过固定螺母和密封圈与连接轴密封连接，在连接轴外壁上 套装有弹簧。

上述中间体的中部沿径向开设有一个通气孔与中间体的空腔形成T形抽真 空通道或者开设有两个相对并贯通的通气孔与中间体的空腔形成十字交叉的抽 真空通道。

上述镜架是由平行设置的安装柱、连接在两个安装柱之间的横梁、设置在 安装柱端部的伸缩杆以及连接在伸缩杆末端的连接杆组成，安装柱的固定端垂 直固定在基准平面镜上，摄像头安装在横梁上，连接杆与横梁平行，标记杆固 定在连接杆的中部。

在伸缩杆的末端与校准架连接，校准架上设置有与基准平面镜平行的校准 平面镜，所述标记杆包括横向标记杆和纵向标记杆，横向标记杆设置在纵向标 记杆的顶部并与纵向标记杆垂直。

利用上述的基于平面镜成像的二自由度测量装置实现二自由度测量方法由 以下步骤组成：

(1)以基准平面镜的中心点为坐标原点，以原点与标记杆的水平连线的延 伸方向为x轴方向、在同一水平面上过原点与x轴垂直的方向为y轴方向、过 原点垂直于x轴和y轴的方向为z轴方向，建立坐标系，并确定出待测平面镜 与标记杆之间的水平距离L₁；

(2)标记杆在基准平面镜和待测平面镜上循环反射形成多个虚像，调整摄 像头镜头正对标记杆，采集标记杆的实像以及呈现在待测平面镜中第一个虚像， 并上传至计算机，计算机根据上传的图像信息进一步分析，提取实像和第一个 虚像在xz面上沿着x轴方向的偏移距离S1和xy面上沿着y轴方向的偏移距离 S2；

(3)利用下式(1)和式(2)计算出待测平面镜相对于基准平面镜的横摆 角度α和俯仰角度β，

$\alpha =arctan\frac{S_2}{2L_1+l}---\left(1\right)$

$\beta =arctan\frac{S_1}{2L_1+l}---\left(2\right)$

其中，l为摄像头与标记杆之间的水平距离，L₁为待测平面镜与标记杆之 间的水平距离。

在步骤(3)之后还包括步骤(4)，根据步骤(3)的横摆角度α和俯仰角 度β以及步骤(2)所采集的实像与第一个虚像的位置关系调整待测平面镜的偏 转角度，若第一个虚像在实像的左侧，则沿z轴负方向顺时针旋转待测平面镜 的角度为α，即可实现待测平面镜与基准平面镜平行；若第一个虚像在实像的 右侧，沿z轴负方向逆时针旋转待测平面镜的角度为α，可实现待测平面镜与 基准平面镜平行；若第一个虚像在实像的下侧，沿y轴负方向顺时针旋转待测 平面镜的角度为β，即可实现待测平面镜与基准平面镜平行；若第一个虚像在 实像的上侧，沿y轴负方向逆时针旋转待测平面镜的角度为β，即可实现待测 平面镜与基准平面镜平行，从而完成待测平面镜的角度调整。

在步骤(1)和步骤(2)之间还包括步骤(a)，具体是：在镜架上安装好 校准平面镜，标记杆在基准平面镜和校准平面镜上成像，调整摄像头镜头正对 标记杆，采集标记杆的实像以及呈现在校准平面镜中第一个虚像，判断实像和 第一个虚像是否重合，若否，则重新检查镜架和基准平面镜，重新安装；若是， 则基准平面镜与校准平面镜平整，镜架与基准平面镜垂直，拆除校准平面镜， 进行下一步骤。

本发明是利用摄像头采集标记杆的实像以及标记杆在基准平面镜和待测平 面镜上所成的虚像，利用实像和虚像之间的偏移距离以及标记杆与待测平面镜 之间的距离、标记杆与摄像头之间的距离，从而通过立体几何关系算出基准平 面镜和待测平面镜之间的俯仰角度和横摆角度，同时还可通过两个方向上的测 量结果，对两个方向上的旋转角度进行判断和调整，以期实现预先的目的，与 现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明应用可靠的平面镜多次成像原理，将光学原理和机械结构相结 合的模式，光路传播不受电磁、温度、湿度、灰尘等恶劣因素的影响，受外界 干扰小，可靠性高，生存能力强，而且结构简单，很好地解决了空间平面之间 的横摆角度和俯仰角度的精确测量，对角度调整具有指导作用。

2)本发明利用高清摄像头可将标记杆的实像与待测平面镜中的虚像在同 一个面上呈现出来，用肉眼即可判断安装基准平面镜和待测平面镜的两个空间 平面是否平行，即可进行初步修正，而且通过计算机对图像进行分析，可以准 确测算出实像与虚像之间的偏差距离，从而准确计算出基准平面镜和待测平面 镜之间的俯仰角度和横摆角度。

3)本发明可适用于不同的应用环境，特别是当应用于液压支架顶梁平衡 检测时，可以安装基准平面镜的液压支架为基准，对调整其他与之并列的液压 支架起监控和协助作用，而且不仅可以适于空间中不同物体之间的二自由度测 量，也可用于同一物体上不同平面的测量，适用范围广，适于推广。

附图说明

图1为实施例1的螺栓固定时的装置结构示意图。

图2为图1的局部结构示意图。

图3为建立的坐标系示意图。

图4～7对应为实施例1的测量方法中实像与第一虚像之间偏移的四种情形。

图8为实施例2的U形固定架9固定时的装置结构示意图。

图9为图8中U形固定架9的结构示意图。

图10为实施例3的双头吸盘架10固定时的装置结构示意图。

图11为图10中双头吸盘架10的结构示意图。

图12为双头吸盘架10的连接轴10-7结构示意图。

图13为校准架11的安装示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

现以测量液压支架之间的二自由度为例，如图1和2所示，本实施例的基 于平面镜成像的二自由度测量装置是由基准固定板1、基准平面镜2、紧固连接 螺栓3、摄像头5、镜架4、横向标记杆6-2、纵向标记杆6-1、待测固定板8、 待测平面镜7以及计算机13组成。

具体是：本实施例的基准固定板1是一个长方形的平板结构，用于安装基 准平面镜2，即在基准固定板1的中部安装有一个长方形的基准平面镜2，作为 测量基准，在基准平面镜2的四个角用紧固连接螺栓3与基准固定板1紧固， 在基准平面镜2的中部开设有两个安装孔，用于固定镜架4，本实施例的镜架4 是由安装柱4-1、横梁4-2、伸缩杆4-3、连接杆4-4组成框架式结构，即两个 安装柱4-1的固定端通过螺纹方式固定在基准平面镜2的安装孔内，并且相互 平行，在两个安装柱4-1的中部垂直连接一个横梁4-2，在安装柱4-1的末端分 别套接有伸缩杆4-3，两个伸缩杆4-3的末端通过连接杆4-4连接，连接杆4-4 与横梁4-2平行。在横梁4-2的中部安装有高清摄像头5，该摄像头5通过数据 线与计算机13连接，将拍摄的图像信息上传至计算机13进一步处理，在摄像 头5的镜头前方连接杆4-4的中部焊接有一个纵向标记杆6-1，纵向标记杆6-1 与连接杆4-4垂直，在纵向标记杆6-1的顶端焊接有一个横向标记杆6-2，该横 向标记杆6-2保持与横梁4-2平行且与纵向标记杆6-1垂直。该横向标记杆6-2 和纵向标记杆6-1组成标记杆6，作为实物可以通过摄像头5采集实物图像并 且可在基准平面镜2和待测平面镜7中成像。待测固定板8安装在待调整的液 压支架顶梁上，与基准固定板1正对，用于安装待测平面镜7，即待测固定板8 的中部用紧固连接螺栓3固定安装有一个待测平面镜7，该待测平面镜7与基 准平面镜2正对。

本实施例的装置不仅可以测量不同物体间两个平面间的夹角，而且还可以 测量同一物体上两个平面间的夹角，该固定方式适用于安装空间较小的场合。

使用时，将基准固定板1固定在一个液压支架顶梁上作为测量基点，将待 测固定板8固定在另一个待调整的液压支架顶梁上作为待测目标，用上述基于 平面镜成像的二自由度测量装置实现液压支架组姿态二自由度测量的方法是由 以下步骤组成：

(1)以基准平面镜2的中心点为坐标原点，以原点与标记杆6的水平连线 的延伸方向为x轴方向、在同一水平面上过原点与x轴垂直的方向为y轴方向、 过原点垂直于x轴和y轴的方向为z轴方向，建立坐标系，参见图3，并确定 出待测平面镜7与纵向标记杆6-1之间的水平距离L₁；

(2)纵向标记杆6-1和横向标记杆6-2组成标记杆6作为实物在基准平面 镜2和待测平面镜7上循环反射形成多个虚像，调整摄像头5镜头正对标记杆 6，采集标记杆6的实像(即实物图像)以及呈现在待测平面镜7中第一个虚像 (即待测平面镜7反射的在实物图像后面的第一个虚像图像)，并上传至计算机 13，计算机13根据上传的图像信息进一步分析，提取实像和第一个虚像在xz 面上沿着x轴方向的偏移距离S1和xy面上沿着y轴方向的偏移距离S2。

通常实像和第一虚像之间的偏移可分为四种情形，通过肉眼即可观察，参 见图4～7，横摆角度α和S₂有关，俯仰角度β和S₁有关，即

(a)S₁≠0，S₂≠0时，即为4～7所示的四种普通情况中任意之一，此时β≠ 0，α≠0；

(b)S₁≠0，S₂＝0时，两平面间不产生横摆角度，此时β≠0，α＝0；

(c)S₁＝0，S₂≠0时，两平面间不产生俯仰角度，此时β＝0，α≠0；

(d)S₁＝0，S₂＝0时，两平面平行，此时β＝0，α＝0。

(3)利用下式(1)和式(2)计算出待测平面镜7相对于基准平面镜2 的横摆角度α和俯仰角度β，

$\alpha =arctan\frac{S_2}{2L_1+l}---\left(1\right)$

$\beta =arctan\frac{S_1}{2L_1+l}---\left(2\right)$

其中，l为摄像头5与纵向标记杆6-1之间的水平距离，L₁为待测平面镜7 与纵向标记杆6-1之间的水平距离。

(4)根据步骤(3)的横摆角度α和俯仰角度β以及步骤(2)所采集的实 像与第一个虚像的位置关系调整待测平面镜7的偏转角度，若第一个虚像在实 像的左侧，则调整待调整的液压支架顶梁沿z轴负方向顺时针旋转待测平面镜 7的角度为α，即可实现待测平面镜7与基准平面镜2平行，保证两个液压支架 保持平行；若第一个虚像在实像的右侧，沿z轴负方向逆时针旋转待测平面镜 7的角度为α，可实现待测平面镜7与基准平面镜2平行；若第一个虚像在实像 的下侧，沿y轴负方向顺时针旋转待测平面镜7的角度为β，即可实现待测平 面镜7与基准平面镜2平行；若第一个虚像在实像的上侧，沿y轴负方向逆时 针旋转待测平面镜7的角度为β，即可实现待测平面镜7与基准平面镜2平行， 从而完成待测平面镜7的角度调整，使待调整的液压支架与基准液压支架保持 平行，满足采煤需要。

实施例2

参见图8，本实施例的基准固定板1与基准平面镜2、待测固定板8与待测 平面镜7均通过U形固定架9紧固，即用U形固定架9替换紧固连接螺栓3， 将基准固定板1与基准平面镜2紧固、待测固定板8与待测平面镜7紧固，本 实施例的固定方式适用于场地开阔、安装空间较大的情形。

本实施例的U形固定架9包括第一U形固定架9和第二U形固定架9，第 一U形固定架9用于固定基准固定板1与基准平面镜2，第二U形固定架9用 于固定待测固定板8与待测平面镜7，参见图9，本实施例的第一U形固定架9 是由U形架9-1、顶紧螺杆9-3和接触圆台9-2组成，U形架9-1的两臂分布在 基准固定板1与基准平面镜2的两侧，在U形架9-1的一端部安装有接触圆台 9-2，另一端部焊接有螺母，接触圆台9-2与基准平面镜2接触，顶紧螺杆9-3 穿过U形架9-1另一端部的螺母螺孔延伸至基准固定板1上，使顶紧螺杆9-3 与接触圆台9-2将基准固定板1与基准平面镜2紧固。

第二U形固定架9的结构与第一U形固定架9的结构完全相同，即第二U 形固定架9的U形架9-1的两臂分布在待测固定板8与待测平面镜7的两侧， U形架9-1端部的接触圆台9-2与待测平面镜7接触，顶紧螺杆9-3穿过U形 架9-1另一端部的螺母螺孔延伸至待测固定板8上，使顶紧螺杆9-3与接触圆 台9-2将待测固定板8与待测平面镜7紧固。

其他的部件及其连接方式与实施例1相同。

用上述基于平面镜成像的二自由度测量装置实现液压支架组姿态二自由度 测量的方法与实施例1相同。

实施例3

参见图10，本实施例的基准固定板1与基准平面镜2、待测固定板8与待 测平面镜7均通过双头吸盘架10紧固，即用双头吸盘架10替换紧固连接螺栓 3，将基准固定板1与基准平面镜2紧固、待测固定板8与待测平面镜7紧固， 本实施例的固定方式无需打孔，对液压支架无损坏。

本实施例的双头吸盘架10共为8个，分为两组，分别分布在基准平面镜2 和待测平面镜7的四个角上。参见图11和12，本实施例的双头吸盘架10是由 吸盘10-1、弹簧10-2、中间体10-3、接头10-4、固定螺母10-5、密封圈10-6 以及连接轴10-7组成，该中间体10-3是中空结构的六棱柱结构，在中间体10-3 的中段侧壁上加工有两个通气孔，两个通气孔相对并且连通，在通气孔上安装 有连接头10-4，可以通过该连接有与真空泵连接。在中间体10-3的两端分别焊 接有空心连接轴10-7，在连接轴10-7的外壁上套装有弹簧10-2，连接轴10-7 通过固定螺母10-5与吸盘10-1的固定端连接，在吸盘10-1的中心孔与连接轴 10-7的中心孔正对并且连通，使吸盘10-1、连接轴10-7、中间体10-3、接头 10-4连接形成十字交叉的抽真空通道，为了保证密封效果，在固定螺母10-5 与吸盘10-1的连接处安装有o形密封圈10-6。

其他的部件及其连接方式与实施例1相同。

用上述基于平面镜成像的二自由度测量装置实现液压支架组姿态二自由度 测量的方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例的双头吸盘架10共为8个，分为两组，分别分布在基准平面镜2 和待测平面镜7的四个角上。本实施例的双头吸盘架10是由中间体10-3、吸 盘10-1、弹簧10-2、接头10-4、密封圈10-6以及固定螺母10-5组成，该中间 体10-3是中空结构的六棱柱结构，在中间体10-3的中段侧壁上加工有1个通 气孔，在通气孔上安装有连接头10-4，在中间体10-3的两端分别焊接有空心连 接轴10-7，在连接轴10-7的外壁上套装有弹簧10-2，连接轴10-7通过固定螺 母10-5与吸盘10-1的固定端连接，在吸盘10-1的中心孔与连接轴10-7的中心 孔正对并且连通，使吸盘10-1、连接轴10-7、中间体10-3、接头10-4连接形 成T形抽真空通道，为了保证密封效果，在固定螺母10-5与吸盘10-1的连接 处安装有o形密封圈10-6。

其他的部件及其连接方式与实施例3相同。

用上述基于平面镜成像的二自由度测量装置实现液压支架组姿态二自由度 测量的方法与实施例1相同。

实施例5

参见图13，本实施例中在镜架4的末端安装有校准架11，校准架11上安 装有与基准平面镜2平行的校准平面镜12，其他的部件及连接方式与实施例 1～4任一个的相同。

本实施例的液压支架组姿态二自由度测量的方法在步骤(1)和步骤(2) 之间还包括步骤(a)，具体是：将校准架11安装在镜架4的末端，并将校准平 面镜12安装在校准架11上，标记杆6在基准平面镜2和校准平面镜12上成像， 调整摄像头5镜头正对标记杆6，采集标记杆6的实像以及呈现在校准平面镜 12中第一个虚像，判断实像和第一个虚像是否重合，若否，则重新检查镜架4 和基准平面镜2，重新安装；若是，则基准平面镜2与校准平面镜12平整，镜 架4与基准平面镜2垂直，拆除校准平面镜12，进行步骤(2)。

该测量方法中其他的步骤与实施例1相同。

同理，如果需要将待测平面镜7与基准平面镜2之间保持一定的偏转角度， 也可以参考上述实施例的调整方式调整待测平面镜7。

本发明的基于平面镜成像的二自由度测量装置不仅限于应用在液压支架之 间的二自由度，还可以应用在建筑或者施工过程中用于任意两个空间平面之间 的二自由度测量，其测量方法与上述实施例相同。