一种露天矿采高超高检测方法及装置与流程

1.本发明涉及露天矿矿山安全预警技术领域，具体涉及一种露天矿采高超高检测方法及装置。


背景技术：

2.在露天煤矿的开采工作过程中，对于操作人员以及开采设备保护也是一个需要重的问题。
3.目前对于检测采高预警方面，露天矿安全预警资料存在着较大空白，同时意味着设备操作人员在操作过程中存在人身安全存在风险，以及开采设备会进行定期的维护，产生高额的时间成本以及维护成本。
4.目前使用较多的安全预警方法有以下几种：(1)稳定系数预测法。稳定系数预测法是最早的滑坡空间预测方法。该法通过计算滑坡体的安全系数来预测某一具体边坡的稳定性。(2)信息模型法。信息模型法把各种滑坡因素在滑坡过程中所起作用的大小程度用信息量表达。(3)灾变模型预测法。该方法综合考虑了各种边坡要素对边坡稳定性的不同程度的影响，能较真实地描绘边坡系统的状态。
5.在露天采石场安全管理与监督检查规定中，松软矿岩，坡面角不得大于所开采矿岩的自然安息角：较稳固的矿岩，坡面角不得大于五十度：坚硬稳固矿岩，坡面角不得大于七十五度。同时机械开采时，按设备性能确定台阶高度，但一般不超过十五米。对于以上规定，如果机械开采距离过近，不仅操作人员安全造成威胁，开采设备也会有一定的风险造成损坏。
6.基于上述原因，本发明可以通过高清摄像头识别边缘、毫米波雷达测量开采设备与待开采矿山之间距离、陀螺仪所得角度组合使用，计算出待开采矿山的相对高度，以达到判断出开采设备位置是否处于安全位置。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种露天矿采高超高检测方法及装置，旨在解决现有如何对开采设备进行安全检测。
8.本发明使用的技术方案如下：一种露天矿采高超高检测方法，包括如下步骤：步骤一，实时角度信号、实时距离信号以及实时视频数据采集；步骤二，实时视频数据转化为实时图片数据，对实时图片进行图像预处理，得出实时图片的二值图像；步骤三，对实时角度信号、实时距离信号以及实时视频数据采集待开采矿山的相对高度h；步骤四，相对高度h大于等于安全阈值时，进行报警。
9.进一步，上述的步骤三，具体包括如下步骤：实时获取的角度数据与水平面0
°
进行数值比较。
10.如果获取的角度数据等于0
°
，则进行如下数据处理；对二值图像通过边缘算法进行处理，得出采煤矿山与天空的边界分割线，同时对边缘算法得出的数据点集进行保存；以边缘检测处理后的图片左下角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，得到采煤矿山的相对比例k；边缘线与水平线夹角；式中：θ高清摄像头最大广角为已知的定值；m照片的像素高度；采煤矿山的相对比例k；通过以下公式得出待开采矿山的相对高度式中：l毫米波雷达采集的采矿设备与待开采矿山之间的距离；β：边缘线与水平线夹角。
11.进一步，上述的步骤三，如果获取的角度数据不等于0
°
，还包括如下步骤：若获取的角度数据大于0
°
，则进行如下数据处理；如果毫米波雷达数据为无穷或没有返回值，代表采矿设备处于安全情景。
12.如果有返回值，则进行如下数据处理；对二值图像通过边缘算法，得出采煤矿山与天空的边界分割线，同时对边缘算法得出的数据点集进行保存。
13.以边缘检测处理后的图片左下角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，得到采煤矿山的相对比例k；边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角上式中高清摄像头最大广角为已知的定值θ，照片的像素高度为定值m，采煤矿山的相对比例k；通过以下公式得出待开采矿山的相对高度上式l：毫米波雷达测量的距离 ；α：陀螺仪测得与水平面夹角；γ：边缘算法得到的边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角，h开采矿山的相对高度。
14.如果获取的角度数据小于0
°
，则进行如下数据处理；对二值图像通过边缘算法，得出采煤矿山与天空的边界分割线，同时对边缘算法得出的数据点集进行保存。
15.以边缘检测处理后的图片左下角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，得到采煤矿山的相对比例k边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角通过以下公式得出待开采矿山的相对高度上式中l ：毫米波雷达测量的距离 ；α：陀螺仪测得与水平面夹角；γ：边缘算法得到的边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角，h开采矿山的相对高度。
16.进一步，采煤矿山的相对比例k通过如下方式获得：以边缘检测处理后的图片左下
角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，进行求和取平均得出一个数，把这个求取平均的数据当做山与天空分界点；采煤矿山的相对比例。
17.本技术还提出一种露天矿采高超高检测装置，包括：采集模块，用于对实时角度信号、实时距离信号以及实时视频数据采集；预处理模块，用于实时视频数据转化为实时图片数据，对实时图片进行图像预处理，得出实时图片的二值图像；预警数据处理模块，用于对实时角度信号、实时距离信号以及实时视频数据采集待开采矿山的相对高度h；报警模块，用于在相对高度h大于等于安全阈值时，进行报警。
18.本技术还提出，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，可用来实现本发明所述的方法。
19.本技术还提出，一种移动终端，包括移动终端本体和控制器，控制器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明所述的方法的步骤。
20.本发明所达到的有益效果为：本发明对实时视频数据进行边缘检测算法，包括灰度化、二值化处理，计算出边缘分割线的位置，对图像进行比例划分，通过毫米波雷达，以及陀螺仪得到的角度，计算并判断开采设备和操作人员是否处于危险区域。
21.本发明的优势在于：[1]可以大幅度缩小预警检测成本。
[0022]
[2]可以实现实时对操作人员进行安全预警。
[0023]
[3]可以减少对设备维护的成本。
[0024]
[4]可以延长设备定期维护的周期。
[0025]
[5]可以有效降低采矿时对环境对设备的干扰。
附图说明
[0026]
图1是本发明的硬件连接框图。
[0027]
图2是本发明的预警数据处理方法流程图。
[0028]
图3是本发明的采集图片灰度化处理示意图。
[0029]
图4是本发明的采集图片二值化处理示意图。
[0030]
图5是本发明的采集图片进行边缘算法处理示意图。
[0031]
图6是本发明的角度数据等于0
°
时非预警示意图。
[0032]
图7是本发明的角度数据等于0
°
预警示意图。
[0033]
图8是本发明的角度数据大于0时，且毫米波雷达数据为无穷或没有返回值，非预警示意图。
[0034]
图9是本发明的角度数据大于0
°
时非预警示意图。
[0035]
图10是本发明的角度数据大于0
°
时预警示意图。
[0036]
图11是本发明的角度数据小于0
°
时非预警示意图。
[0037]
图12是本发明的角度数据小于0
°
时预警示意图。
具体实施方式
[0038]
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0039]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0040]
图1是本发明的硬件连接框图，详述如下：本专利硬件部分包括终端设备及运算服务器，终端设备与运算服务器通信连接；终端设备包括图像采集硬件（如高清摄像头）、角度采集装置（如陀螺仪）和距离检测装置（如毫米波雷达），图像采集硬件用于采集露天矿现场的视频数据；运算服务器相当于一个多功能容器，视频流的多路并行处理、边缘检测算法的运行、报警信号的发出、控制信号的发出等功能都是在运算服务器中进行的。其中，高精度摄像头和运算服务器之间的通信方式：根据已有的工业摄像头ip地址，图像运算服务器可以直接通过rtsp协议到工业摄像头拉取视频流，从而实现视频流在运算服务器上的管理和播放。
[0041]
角度采集装置检测的角度信号、毫米波雷达检测得到的距离信号，可通过同一局域网内ip关系进行数据传输到运算服务器（高精度组合导航接收机也可使用4g数据传输）。
[0042]
上述实施方式的运算服务器可以用微处理器代替，不同的是微处理器安装在图像采集硬件上，实现的功能与运算服务器相同。
[0043]
如图2所示，本发明提供了一种露天矿采高超高检测方法包括如下步骤：步骤一，数据采集；陀螺仪进行实时角度信号采集，采集陀螺仪与水平面的夹角；毫米波雷达进行实时距离信号测量，得到开采设备与待开采煤矿山之间距离；高清摄像头进行实时视频图像采集通过高清摄像头进行的视频采集；步骤二，图片数据处理；将采集到的视频数据传输到多路实时视频分析系统（如deepstream平台）中进行推流处理，用于加速视频的编解码过程。
[0044]
使用opencv(open source computer vision library)将视频数据转化为图片数据，opencv是指开源计算机视觉库。
[0045]
通过opencv对视频帧的图片数据进行逐帧处理，其中，图片数据处理具体为，首先对每一帧图片进行彩色图像灰度化处理，生成一个黑白灰度化图片，如图3所示；然后对灰度化的图片，进行二值化处理；图片数据处理的目的是将彩色图像转化为二值图像，在这个过程中滤除了图像中的噪声，使图片数据中的采煤矿山与天空的边界更明显；同时把图片中天空部分的一些白云等干扰因素进行过滤（通过设置二值化函数设置阈值，去除部分白云等因素的干扰），如图4所示。
[0046]
步骤三，预警数据处理对采集到的角度数据、开采设备与待开采煤矿山之的间距数据与处理后的二值图像通过如下步骤进行处理：1.陀螺仪获取的角度数据与水平面0
°
进行数值比较。
[0047]
2.1如果获取的角度数据等于0
°
，则进行如下数据处理；如图5所示，对二值图像通过边缘算法进行处理，得出采煤矿山与天空的边界分割线，同时对边缘算法得出的数据点集进行保存；通关边缘检测算法（canny算子）进行识别，其特点是，目前边缘检测算法已经趋向于成熟，同时边缘算法中canny算子对图像边缘识别受噪声干扰较小，且对弱边缘有较强的识别度。
[0048]
以边缘检测处理后的图片左下角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，假如山与天空的分割线在纵坐标范围位于200-400之间，根据数据点集的纵轴保存的数据（也就是边界线纵轴数据）进行求和取平均得出一个数，把这个求取平均的数据当做山与天空分界点；此时可得采煤矿山的相对比例。
[0049]
广角摄像头整个已知广角角度，得出天空高度所占角度，即可得出边缘线（山与天空分界点与摄像头的连线）与摄像头广角角品分线夹角；边缘算法得到的水平状态时，边缘线与水平线夹角式中，k:矿山部分所占图片高度像素点的比例；m/θ：每个像素点映射到弧度所占角度；(1-k)*m:天空部分所占像素点的个数；上式中高清摄像头最大广角为已知的定值θ，照片的像素高度为定值m，采煤矿山的相对比例k。
[0050]
通过以下公式得出待开采矿山的相对高度上式中l：毫米波雷达采集的采矿设备与待开采矿山之间的距离；β：边缘线与水平线夹角。
[0051]
相对高度h与预设的安全阈值,进行数值比较；如果相对高度h小于安全阈值，则代表采矿设备安全；如果相对高度h大于等于安全阈值，代表采矿设备处于危险情景；此时传递信号给报警装置，报警装置接收信号进行报警。
[0052]
图6为陀螺仪角度数据等于0
°
时，相对高度h小于安全阈值，采矿设备安全；图7为陀螺仪角度数据等于0
°
时开采设备与水平面平行的情景，此时相对高度h大于等于安全阈值（图中s为超出阈值部分），代表采矿设备处于危险情景。
[0053]
采矿过程中，是无法保证地面平整的，当地面不平的时候，通过如下方式处理：2.2如果获取的角度数据大于0
°
，则进行如下数据处理；如果毫米波雷达数据为无穷或没有返回值，代表采矿设备处于安全情景，此情形如图8所示。
[0054]
如果有返回值，则进行如下数据处理；对二值图像通过边缘算法，得出采煤矿山与天空的边界分割线，同时对边缘算法
得出的数据点集进行保存。
[0055]
以边缘检测处理后的图片左下角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，进行求和取平均得出一个数，把这个求取平均的数据当做山与天空分界点；此时可得采煤矿山的相对比例。
[0056]
边缘算法得到的向下倾斜状态时，边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角上式中高清摄像头最大广角为已知的定值θ，照片的像素高度为定值m，采煤矿山的相对比例k；m/θ：每个像素点映射到弧度所占角度；(1-k)*m:天空部分所占像素点的个数；。
[0057]
图9-10为开采设备与水平面非平行的情景，边缘线在高清摄像头角平均线上方，且夹角在高清摄像头广角范围内，可通过以下公式得出待开采矿山的相对高度（h）：且夹角在高清摄像头广角范围内，可通过以下公式得出待开采矿山的相对高度（h）：因此，待开采矿山的相对高度上式中l：毫米波雷达采集的采矿设备与待开采矿山之间的距离；l ：毫米波雷达测量的距离 ；α：陀螺仪测得与水平面夹角；γ：边缘算法得到的边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角，h开采矿山的相对高度。
[0058]
图9为陀螺仪角度数据大于0
°
时，相对高度h小于安全阈值，采矿设备安全；图10为陀螺仪角度数据大于0
°
时开采设备与水平面不平行的情景，此时相对高度h大于等于安全阈值（图中s为超出阈值部分），代表采矿设备处于危险情景。
[0059]
2.3如果获取的角度数据小于0
°
，则进行如下数据处理；对二值图像通过边缘算法，得出采煤矿山与天空的边界分割线，同时对边缘算法得出的数据点集进行保存。
[0060]
以边缘检测处理后的图片左下角为原点建立直角坐标系；通过边缘检测算法得出的数据点集进行坐标提取，进行求和取平均得出一个数，把这个求取平均的数据当做山与天空分界点；此时可得采煤矿山的相对比例。
[0061]
边缘算法得到的向下倾斜状态时，边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角 图11-12为开采设备与水平面非平行的情景，边缘线（3）在高清摄像头角平均线（4）夹角在高清摄像头广角范围内，可通过以下公式得出待开采矿山的相对高度（h）：
上式中l：毫米波雷达采集的采矿设备与待开采矿山之间的距离；l ：毫米波雷达测量的距离 ；α：陀螺仪测得与水平面夹角；γ：边缘算法得到的边缘线与高清摄像头广角平分线的夹角，h开采矿山的相对高度。
[0062]
图11为陀螺仪角度数据小于0
°
时，相对高度h小于安全阈值，采矿设备安全；图12为陀螺仪角度数据小于0
°
时开采设备与水平面不平行的情景，此时相对高度h大于等于安全阈值（图中s为超出阈值部分），代表采矿设备处于危险情景。
[0063]
2.3如果获取的角度数据小于0
°
，则进行如下数据处理；步骤四，报警相对高度h与预设的安全阈值,进行数值比较；如果相对高度h小于安全阈值，则代表采矿设备安全；如果相对高度h大于等于安全阈值，代表采矿设备处于危险情景；此时传递信号给报警装置，报警装置接收信号进行报警。
[0064]
上述中如未单独介绍其固定方式，皆使用业内技术人员通用技术手段，焊接，嵌套，或螺纹固定等方式。
[0065]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0066]
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。