本發(fā)明涉及一種錨桿托盤載荷數(shù)字成像測量技術(shù)，適用于煤礦井下及隧道、邊坡用錨桿錨桿托盤載荷的非接觸式測量法。

背景技術(shù)：

錨桿托盤作為錨桿支護過程中的重要支護構(gòu)件，能夠使巷道圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)到三向應(yīng)力狀態(tài)，改善巷道圍巖的受力狀態(tài)，而且在支護過程中使錨桿中性點位置向巷道表面移動，改善錨桿桿體受力狀態(tài)，提高錨桿的整體抗剪能力，有效測量錨桿托盤的載荷，分析錨桿托盤在預(yù)緊階段和工作階段過程中的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，對于揭示錨桿錨固機理，最大限度發(fā)揮錨桿作用具有重要意義。

目前錨桿托盤載荷測量方法包括液壓枕測量法、應(yīng)變片測量法、傳統(tǒng)光學測量法；其中液壓枕測量法最為常用，由于錨桿托盤、液壓枕長期處于潮濕環(huán)境，銹蝕速度快，銹蝕情況嚴重，液壓枕漏液測量隨即停止，液壓枕的安裝存在偏心等問題，使得測量靈敏度低，精度差；應(yīng)變片測量法雖然測量準確性有所提高，但是在錨桿托盤表面典型位置粘貼足夠多的應(yīng)變片難以實現(xiàn)，缺乏現(xiàn)場測量經(jīng)驗，現(xiàn)階段僅限于實驗室的測量和研究；傳統(tǒng)光學測量法一般埋設(shè)、粘貼光纖傳感器或利用測量杠桿測量，目前應(yīng)用于具備隔振臺的實驗室內(nèi)進行科學研究測量，難以適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜多變的環(huán)境，而且光學測量法對光源的要求比較高，一般要求使用激光作為光源，限制其推廣使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種錨桿托盤載荷數(shù)字成像測量技術(shù)，利用高分辨率單反數(shù)碼相機拍攝得到的錨桿托盤變形前后圖像，采用相關(guān)搜索方法，識別得到同一點，通過對比其坐標的變化，得到該點的應(yīng)變，識別所有標志點坐標變化得到錨桿托盤的應(yīng)變場，和錨桿托盤彎曲剛度得到應(yīng)力場，對應(yīng)力場反算積分即可得到錨桿的實時載荷。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種錨桿托盤載荷數(shù)字成像測量技術(shù)，包括如下步驟：

第一步：錨桿托盤預(yù)處理，在錨桿托盤表面粘貼分布均勻的網(wǎng)格點形成定點或?qū)ζ浔砻嫱扛采咝纬缮邎觯瑢㈠^桿托盤固定在巷道壁面上；

第二步：布設(shè)光源以及架設(shè)相機，在錨桿托盤表面的中軸線兩側(cè)分別布設(shè)第一光源和第二光源，第一光源、第二光源分別與中軸線呈60度角設(shè)置，在中軸線的兩側(cè)還分別布設(shè)有第一相機和第二相機，且第一相機布設(shè)在第一光源與錨桿托盤相反的一側(cè)，第二相機布設(shè)在第二光源與錨桿托盤相反的一側(cè)，第一相機、第二相機均與中軸線呈30度-60度角設(shè)置；

第三步：建立坐標系，同時建立四個坐標系，分別為oxyz坐標系、oxyz坐標系、x′y′坐標系和hv坐標系，其中oxyz坐標系為錨桿托盤的三維參考坐標系，以正對錨桿托盤表面左側(cè)底角為坐標系原點，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向，垂直錨桿托盤表面向外為z軸正方向；oxyz坐標系為相機的三維坐標系，以相機中心為原點，向右為x軸正方向，向前為y軸正方向，向上為z軸正方向；x′y′坐標系為二維錨桿托盤像平面坐標系，以物像左側(cè)底角為坐標系原點，向右為x′軸正方向，向上為y′軸正方向；hv坐標系為計算機上的二維錨桿托盤圖像坐標系，原點、正方向與二維錨桿托盤像平面坐標系相同；

第四步：標定立體攝影系統(tǒng)，將計算機圖像中由第一相機所拍攝到的標定區(qū)域s1m的點(h1m，v1m)定義為第一中心點，然后將計算機圖像中由第二相機所拍攝到的標定區(qū)域s2m的點(h2m，v2m)定義為第二中心點，第一中心點、第二中心點對應(yīng)于錨桿托盤上的同一點(xm，ym，zm)，由已知序列(h1m，v1m)、(h2m，v2m)、(xm，ym，zm)后采用非線性最小二乘方法來分別標定第一相機、第二相機的參數(shù)；其中，粘貼分布均勻的網(wǎng)格點形成定點的錨桿托盤，將左下角第一個網(wǎng)格標定區(qū)域定義為a1，向右為a2，以此類推；對于表面涂覆散斑形成散斑場的錨桿托盤，將左下角第一個1cm見方的方格為標定區(qū)域定義為b1，向右第二個1cm見方方格為標定區(qū)域b2，以此類推；

第五步：：搜索處理，從第一相機或第二相機最原始拍攝得到的計算機圖像中選擇一個圖像標定區(qū)域s1m或s2m，在變形后的第一相機或第二相機拍攝得到的計算機圖像上搜索與之強度分布最相似的圖像子區(qū)s1m′或s2m′；

第六步：變形前參考坐標確定，對第一相機、第二相機首次拍攝標定區(qū)域a1或b1得到的圖像子區(qū)s1、s2作計算，求解出圖像子區(qū)s1內(nèi)標定點p1在計算機圖像上的坐標值，同理得到該點在圖像子區(qū)s2上的對應(yīng)點p2在計算機圖像上的坐標值，利用已知標定點p1在計算機圖像上的坐標(h1，v1)和點p2在計算機圖像上的坐標(h2，v2)來推導(dǎo)出對應(yīng)于p點參考坐標值(x，y，z)；

第七步：變形后參考坐標確定，確定方法同第六步，推導(dǎo)出p′的參考坐標值(x′，y′，z′)；

第八步：應(yīng)變量計算，將變形前后同一坐標對應(yīng)值相減，得到該點的應(yīng)變量，對整幅圖像每個圖像子區(qū)重復(fù)以上過程即可得到一個應(yīng)變場；

第九步：計算載荷，根據(jù)得到的應(yīng)變場，結(jié)合錨桿托盤彎曲剛度得到應(yīng)力場，對應(yīng)力場反算積分求得錨桿錨桿托盤的實時載荷；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的網(wǎng)格點制作采用電腦刻字法，灰度分布為二值化，網(wǎng)格點形狀為點狀或方形，或由計算機生成呈一定灰度分布的網(wǎng)格，將其打印到打印紙上，手工裁剪下網(wǎng)格點；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，粘貼網(wǎng)格點前用速干自噴漆將錨桿托盤表面噴成白色，待速干自噴漆晾曬干后，將網(wǎng)格點均勻牢固的粘貼在錨桿托盤表面；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，用剪刀在坐標紙上裁剪出大小適中，形狀不一，分布雜亂的孔洞，將坐標紙按在錨桿托盤表面，用一種速干自噴漆噴涂，在錨桿托盤表面上留下具有這種顏色的散斑點，待散斑點晾曬干后，將坐標紙移動一定的距離，仍將其按在錨桿托盤表面，再用另一種速干自噴漆噴涂，在錨桿托盤表面留下具有這種顏色的散斑點，若一次不成，可重復(fù)上述噴涂過程，通過多次噴涂，所用的速干自噴漆為三種顏色，白色、黑色和灰色；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，變形前參考坐標的確定首先進行錨桿托盤坐標oxyz坐標系到oxyz坐標系的轉(zhuǎn)換，而后進行oxyz坐標系到x′y′坐標系的轉(zhuǎn)換，最后進行x′y′坐標系到hv坐標系的轉(zhuǎn)換；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，第一相機、第二相機均與中軸線呈45度角設(shè)置；第一光源、第二光源距離錨桿托盤表面直線距離為30cm；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的第一光源、第二光源均由光纖燈照射錨桿托盤形成。

通過以上技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

第一，對光源要求低并且光路簡單，只需要使用普通光纖燈照射錨桿托盤表面即可，不需要使用激光；第二，三維應(yīng)變?nèi)珗鰷y量，兩個相機拍攝到的范圍都會進行識別，不存在典型位置與一般位置之分，錨桿托盤表面所有標志點都進行識別，得到應(yīng)變的三維坐標；第三，非接觸，測量過程不存在直接接觸，不會引入外力，消除外力引入帶來的誤差；第四，分辨率、測量精度高，通過高分辨率單反數(shù)碼相機拍攝，相關(guān)搜索理論上能夠獲得0.01像素的測量精度；第五，對環(huán)境要求低、無需隔振，本發(fā)明能較好適應(yīng)復(fù)雜多變的井下環(huán)境，高濕度、煤塵、粉塵、放炮振動，采煤機械振動，巖層移動都不會對測量結(jié)果造成太大影響；第六，拍攝視場可以調(diào)節(jié)、測量范圍大，適合各種形狀和尺寸的錨桿托盤。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的錨桿托盤表面進行預(yù)處理后的兩種狀態(tài)，其中，1a為在錨桿托盤表面粘貼分布均勻的網(wǎng)格點形成定點，1b為對錨桿托盤表面涂覆散斑形成散斑場；

圖中：1為網(wǎng)格點，2為速干自噴漆，3為散斑場，4為錨桿托盤，5為巷道壁面，6為第一光源，7為第二光源，8為第一相機，9為第二相機，10為圖像采集卡，11為計算機。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1-圖2所示，本發(fā)明的一種錨桿錨桿托盤載荷數(shù)字成像測量技術(shù)，包括如下步驟：

第一步：錨桿托盤預(yù)處理，在錨桿托盤表面粘貼分布均勻的網(wǎng)格點形成定點或?qū)ζ浔砻嫱扛采咝纬缮邎觯瑢㈠^桿托盤固定在巷道壁面上；

第二步：布設(shè)光源以及架設(shè)相機，在錨桿托盤表面的中軸線兩側(cè)分別布設(shè)第一光源和第二光源，第一光源、第二光源分別與中軸線呈60度角設(shè)置，在中軸線的兩側(cè)還分別布設(shè)有第一相機和第二相機，且第一相機布設(shè)在第一光源與錨桿托盤相反的一側(cè)，第二相機布設(shè)在第二光源與錨桿托盤相反的一側(cè)，第一相機、第二相機均與中軸線呈30度-60度角設(shè)置，在錨桿托盤的結(jié)構(gòu)同時還設(shè)有計算機，其上安裝有圖像采集卡；

第三步：建立坐標系，同時建立四個坐標系，分別為oxyz坐標系、oxyz坐標系、x′y′坐標系和hv坐標系，其中oxyz坐標系為錨桿托盤的三維參考坐標系，以正對錨桿托盤表面左側(cè)底角為坐標系原點，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向，垂直錨桿托盤表面向外為z軸正方向；oxyz坐標系為相機的三維坐標系，以相機中心為原點，向右為x軸正方向，向前為y軸正方向，向上為z軸正方向；x′y′坐標系為二維錨桿托盤像平面坐標系，以物像左側(cè)底角為坐標系原點，向右為x′軸正方向，向上為y′軸正方向；hv坐標系為計算機上的二維錨桿托盤圖像坐標系，原點、正方向與二維錨桿托盤像平面坐標系相同；

第四步：標定立體攝影系統(tǒng)，將計算機圖像中由第一相機所拍攝到的標定區(qū)域s1m的點(h1m，v1m)定義為第一中心點，然后將計算機圖像中由第二相機所拍攝到的標定區(qū)域s2m的點(h2m，v2m)定義為第二中心點，第一中心點、第二中心點對應(yīng)于錨桿托盤上的同一點(xm，ym，zm)，由已知序列(h1m，v1m)、(h2m，v2m)、(xm，ym，zm)后采用非線性最小二乘方法來分別標定第一相機、第二相機的參數(shù)；其中，粘貼分布均勻的網(wǎng)格點形成定點的錨桿托盤，將左下角第一個網(wǎng)格標定區(qū)域定義為a1，向右為a2，以此類推；對于表面涂覆散斑形成散斑場的錨桿托盤，將左下角第一個1cm見方的方格為標定區(qū)域定義為b1，向右第二個1cm見方方格為標定區(qū)域b2，以此類推；

第五步：：搜索處理，從第一相機或第二相機最原始拍攝得到的計算機圖像中選擇一個圖像標定區(qū)域s1m或s2m，在變形后的第一相機或第二相機拍攝得到的計算機圖像上搜索與之強度分布最相似的圖像子區(qū)s1m′或s2m′；

第六步：變形前參考坐標確定，對第一相機、第二相機首次拍攝標定區(qū)域a1或b1得到的圖像子區(qū)s1、s2作計算，求解出圖像子區(qū)s1內(nèi)標定點p1在計算機圖像上的坐標值，同理得到該點在圖像子區(qū)s2上的對應(yīng)點p2在計算機圖像上的坐標值，利用已知標定點p1在計算機圖像上的坐標(h1，v1)和點p2在計算機圖像上的坐標(h2，v2)來推導(dǎo)出對應(yīng)于p點參考坐標值(x，y，z)；

第七步：變形后參考坐標確定，確定方法同第六步，推導(dǎo)出p′的參考坐標值(x′，y′，z′)；

第八步：應(yīng)變量計算，將變形前后同一坐標對應(yīng)值相減，得到該點的應(yīng)變量，對整幅圖像每個圖像子區(qū)重復(fù)以上過程即可得到一個應(yīng)變場；

第九步：計算載荷，根據(jù)得到的應(yīng)變場，結(jié)合錨桿托盤彎曲剛度得到應(yīng)力場，對應(yīng)力場反算積分求得錨桿錨桿托盤的實時載荷；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的網(wǎng)格點制作采用電腦刻字法，灰度分布為二值化，網(wǎng)格點形狀為點狀或方形，或由計算機生成呈一定灰度分布的網(wǎng)格，將其打印到打印紙上，手工裁剪下網(wǎng)格點，其后使用速干自噴漆將錨桿托盤表面噴成白色，待速干自噴漆晾曬干后，再將網(wǎng)格點均勻牢固的粘貼在錨桿托盤表面形成標定點，使得網(wǎng)格點與錨桿托盤的背景色形成鮮明的對比；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，粘貼網(wǎng)格點前用速干自噴漆將錨桿托盤表面噴成白色，待速干自噴漆晾曬干后，將網(wǎng)格點均勻牢固的粘貼在錨桿托盤表面；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，用剪刀在坐標紙上裁剪出大小適中，形狀不一，分布雜亂的孔洞，將坐標紙按在錨桿托盤表面，用一種速干自噴漆噴涂，在錨桿托盤表面上留下具有這種顏色的散斑點，待散斑點晾曬干后，將坐標紙移動一定的距離，仍將其按在錨桿托盤表面，再用另一種速干自噴漆噴涂，在錨桿托盤表面留下具有這種顏色的散斑點，若一次不成，可重復(fù)上述噴涂過程，通過多次噴涂，所用的速干自噴漆為三種顏色，白色、黑色和灰色；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，變形前參考坐標的確定首先進行錨桿托盤坐標oxyz坐標系到oxyz坐標系的轉(zhuǎn)換，而后進行oxyz坐標系到x′y′坐標系的轉(zhuǎn)換，最后進行x′y′坐標系到hv坐標系的轉(zhuǎn)換；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，第一相機、第二相機均與中軸線呈45度角設(shè)置；第一光源、第二光源距離錨桿托盤表面直線距離為30cm；

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的第一光源、第二光源均由光纖燈照射錨桿托盤形成，第一光源、第二光源為兩個100w的光纖燈，其光照穩(wěn)定，光場均勻，且可方便調(diào)節(jié)光線方向，能夠充分保證錨桿托盤表面光強達到拍攝要求，而后將兩臺高分辨率單反數(shù)碼相機及第一相機、第二相機架設(shè)在錨桿托盤表面兩端，保證第一相機、第二相機視野開闊，視角良好，聚焦后物像清晰。

其中，在本申請中，為了提高測試精度和運算速度，在相關(guān)計算的程序設(shè)計中引入了十字搜索法、亞像素搜索技術(shù)和小波減噪技術(shù)等。同時可以將測量過程開發(fā)成測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分由光源、高分辨率單反數(shù)碼相機相機、圖像采集卡、控制計算機組成，負責試件變形圖像的采集、保存、計算等工作；軟件部分則是對采集到的散斑圖像進行處理、獲得所需的變形信息。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語）具有與本申請所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本申請中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內(nèi)。

本申請中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。