一种基于4D光场技术的矿用巡检装置的制作方法

一种基于4d光场技术的矿用巡检装置
技术领域
1.本实用新型涉及智能矿山技术领域，尤其涉及一种基于4d光场技术的矿用巡检装置。


背景技术：

2.井工煤矿巷道狭窄、黑暗、潮湿、有害气体及粉尘多，采用智能巡检机器进行日常巡检、智能化程度，将有效降低井工煤矿人员风险，提高工作效率，降低事故率，减少人员成本。巡检机器寻路系统需要多种传感器采集环境信息，目前道路建模通过激光雷达实现环境感知，但水汽和粉尘对激光雷达有很大影响，且激光雷达存在成本高、获取数据点数少、无颜色信息、目标识别困难等问题，在一定程度上制约了智能巡检系统在井工煤矿的应用。4d光场技术利用单目工业相机实时获取四维矢量信息，并可生成三维点云和二维纹理信息，提供高维度数据，在潮湿和粉尘环境下具有稳定的表现。在分析4d光场技术特点的基础上，对4d光场在井工煤矿巡检系统中的应用进行了探讨，4d光场能提高巡检系统的可靠性、实时性、安全性及降低成本。
3.光场技术是能够采集和还原矢量光线的一种技术。早期光场采集设备主要分为单相机模拟阵列和相机阵列2种方式。单相机模拟阵列是将单个相机和移动装置相结合，通过在移动中设定不同位置，采集相关信息以达到记录光线方向的目的。相机阵列是指将多个相机组成阵列，同时拍摄采集目标场景的光场信息。然而，单相机模拟阵列方式存在耗时长、采集效果差、一致性低等问题；相机阵列方式虽然在一定程度上解决了一致性问题，但体积大、便携性差、功耗大、计算时间长，只能用于静态光场信息采集。
4.光场相机的出现很好地解决了上述问题。光场相机可通过单次拍摄同时记录场景中入射光线的强度和角度信息，还可通过重聚焦得到物体在多个不同深度平面的成像。光场相机在拍摄时直接采样场景的四维光场信息，能够通过进一步计算得到场景的三维和二维信息。光场相机具有以下特点：
5.光场相机是目前唯一一种单目二三维一体化设备。传统技术需要用不同传感器获取二三维信息，然后通过标定和数据融合，实现二三维数据采集，但无法应用于高速运动的场景。而光场相机可通过1次拍摄获取四维信息，同步生成二三维数据，而同源数据无需标定，也不会出现任何匹配误差，后期可重新聚焦，使得快速运动的目标捕捉更加容易。
6.光场相机采集的数据密度高。激光雷达受限于机械旋转结构，目前无人驾驶领域最高仅做到128线，而光场相机可轻松获得1000线的点云数据，角度分辨率也远超激光雷达。数据量级的提升，除了可以提供更清晰的数据，还使得系统的识别距离大大增加，远处的小目标也能够清晰准确识别。
7.由于具备矢量光线信息，光场相机在雨雪雾情况下，具有很强的遮挡消除能力；而激光雷达由于受光线吸收、散射等影响，会产生大量错误数据，给无人驾驶系统的安全性带来巨大隐患。
8.光场相机与激光雷达相比具有很强的价格优势。随着计算机视觉的高速发展，光
场相机主要组成设备(光学传感器和计算单元)的处理能力急速上升，而其价格快速下降；而激光雷达由于需要昂贵的激光发生器，同时还需要复杂的机械结构与之匹配，价格下降空间很有限。


技术实现要素：

9.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
10.为此，本实用新型的目的在于提出一种基于4d光场技术的矿用巡检装置，可有效抵抗恶劣环境的影响，高速稳定地识别远距离的人、设备、障碍物目标，提高系统整体安全性。
11.为达上述目的，本实用新型提出了一种基于4d光场技术的矿用巡检装置，包括：多组灯源、多个光场相机、采样车和无线收发装置，无线收发装置安装在采样车的第一预设位置；灯源和光场相机安装在采样车的第二预设位置；在工作时，无线收发装置接收外部的指令，开启多组灯源与多个光场相机以及运行采样车，采样车对所有矿用路径进行巡检采样，多个光场相机获取所有矿用路径的多维信息数据；无线收发装置将多维信息数据发送到外部处理系统以规划出最优巡检路径。
12.另外，根据本实用新型上述实施例的基于4d光场技术的矿用巡检装置还可以具有以下附加的技术特征：
13.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述多个灯源和所述多个光场相机同时开启/关闭，或按先后顺序依次开启/关闭。
14.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述第一预设位置包括采样车的任一位置。
15.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述第二预设位置至少包括采样车的前后位置。
16.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述光场相机具有预设分辨程度的角分辨率，用于识别预设距离的第一障碍，所述第一障碍至少包括石头、水坑和岩突。
17.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述光场相机，还用于感知输出所述第一障碍的参数数据，所述参数数据包括类别、距离和大小中的多种。
18.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述光场相机，还用于感知第二障碍，所述第二障碍包括烟雾、粉尘中的一种或多种。
19.本实用新型实施例的基于4d光场技术的矿用巡检装置，多组灯源、多个光场相机、采样车和无线收发装置，无线收发装置安装在所述采样车的第一预设位置；灯源和所光场相机安装在采样车的第二预设位置；在工作时，无线收发装置接收外部的指令，开启多组灯源与多个光场相机以及运行采样车，采样车对所有矿用路径进行巡检采样，多个光场相机获取所有矿用路径的多维信息数据；无线收发装置将多维信息数据发送到外部处理系统以规划出最优巡检路径。本实用新型可有效抵抗恶劣环境的影响，高速稳定地识别远距离的人、设备、障碍物目标，提高整体安全性。
20.本实用新型的有益效果为：
21.由于光场相机比相似线数的激光雷达价格便宜，使得无人驾驶系统成本大幅降低，更具经济效益。保证井下巡检环境的建模效果并降级建模成本。为井工矿恶劣环境的机
器人道路巡检奠定基础。
22.本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
23.本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
24.图1为根据本实用新型实施例的基于4d光场技术的矿用巡检装置结构示意图；
25.图2为根据本实用新型实施例的另一基于4d光场技术的矿用巡检装置结构示意图。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
28.下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的基于4d光场技术的矿用巡检装置。
29.图1是本实用新型一个实施例的基于4d光场技术的矿用巡检装置的结构示意图。
30.如图1所示，该装置10包括但不限于：多组灯源100、多个光场相机200、采样车300和无线收发装置400，无线收发装置400安装在采样车300的第一预设位置；灯源100和光场相机200安装在采样车300的第二预设位置；在工作时，无线收发装置400接收外部的指令，开启多组灯源100与多个光场相机200以及运行采样车300，采样车300对所有矿用路径进行巡检采样，多个光场相机200获取所有矿用路径的多维信息数据；无线收发装置400将多维信息数据发送到外部处理系统以规划出最优巡检路径。
31.具体的，可以在井下采样场景中进行采样。
32.作为一种示例，本实用新型的采样车300可以为便携式智能采样车，车体外壳还可以封装涂层，可以在酸碱、高温、高湿等更多的特殊环境中使用。
33.作为一种示例，本实用新型的多组灯源100，可以为led灯、探照灯等具有高度强光的灯源，本领域技术人员可以根据实际需求设定，本实用新型不做具体限制。
34.作为一种示例，根据实际需求多组灯源100可以安装在采样车300的车身前后的位置，也可以安装在车身前后左右等多个位置。可以使得光照充足，为采样车300在行进的过程中提供足够明亮的视野。
35.优选的，根据实际需求光场相机200安装在采样车300车身前后左右的四个位置，光场相机200能够充分采集矿井中所有路径的二三维一体化信息，使得信息采集更加全面。
36.优选的，在开始工作时，多组灯源100和多个光场相机200可以同时开启，保证采集
的顺利工作，或按先后顺序先开启多组灯源100，再开启光场相机200，或先开启光场相机200再开启多组灯源100。结束工作时关闭同理。
37.作为一种示例，该装置还可以设置无线收发装置400，用于接收和输出信号，无线收发装置400，根据实际需求可以设定在采样车300的内部或者外部关键位置等不容易脱落以及不容易与外界环境接触的位置。同时无线收发装置400将光场相机200采集得到的图像数据，发送到外部系统，则外部系统的人员可以根据图像数据进行处理操作，以规划出采样车300的最优巡检路径。
38.作为一种示例，光场相机200用于井工矿环境的道路建模具有很高的角分辨率，有效识别远距离的小石头、设备等障碍物信息。
39.作为一种示例，光场相机200还可以识别激光雷达不易识别的小型障碍物，如石头、水坑、岩突等，并且对例如烟雾粉尘的适应性较强。能够实时感知输出障碍物的类别、距离、大小等详细数据。
40.由此，本实用新型可有效抵抗恶劣环境的影响，高速稳定地识别远距离的人、设备、障碍物目标，提高系统整体安全性。
41.下面结合具体附图2，对本实用新型的实施例进行详细阐述。
42.第一步：部署光场模型采样车如图2所示。在采样车300的前后安装灯源100，保证井下采样场景的亮度需安装多个灯光。
43.在井工煤矿无人巡检机前后各安装1台光场相机200，根据实际需求，最好在采样车300的前后左右都安装光场相机200，使得获取数据面更加广泛，可获取主要行径路线的完整二三维一体化信息，实时解析和判断周围环境，低功耗、高效率地为决策系统提供有价值的感知数据，为井下设备无人化打下坚实基础。
44.第二步：将光场相机200采集到的二三维信息还可与外部系统互联，通过信息的传输实现实时环境更新，以及井下动态大数据存档等功能。
45.第三步：数据出图，生成精确的路径信息，并且引入路径规划方法，可以规划出采样车300最优的巡检道路。
46.通过搭建安装灯源100和光场相机200，采样车300开始道路采样涉及井下所有路线，将采集到的数据传送到外部处理系统，建模人员对数据进行处理确定数据可用性，进行建模以及场景渲染，输入监测点巡检目的地，开始路径规划，进行巡检提高无人化巡检效率。
47.进一步地，光场相机用于井工矿环境的道路建模具有很高的角分辨率，可以获取并有效识别远距离的小石头、设备等障碍物信息，与现有激光雷达相比，具有很大优势，对提高无人化作业的安全性具有重要意义如表所示，可见光场比激光采样点数更多，表1为光场激光对比图，如表1所示。
48.表1
[0049][0050]
进一步地，光场相机还可以识别激光雷达不易识别的小型障碍物，如石头、水坑等，并且对烟雾粉尘的适应性较强。能够实时感知输出障碍物的类别、距离、大小等详细数据，供无人化巡检系统科学规划决策，极大地提高了无人化巡检作业运行的安全性，是矿区真正实现无人化巡检的必要手段之一。
[0051]
根据本实用新型的4d光场技术的矿用巡检建模装置，通过多组灯源、多个光场相机、采样车和无线收发装置，无线收发装置安装在采样车的第一预设位置；灯源和光场相机安装在采样车的第二预设位置；在工作时，无线收发装置接收外部的指令，开启多组灯源与多个光场相机以及运行采样车，采样车对所有矿用路径进行巡检采样，多个光场相机获取所有矿用路径的多维信息数据；无线收发装置将多维信息数据发送到外部处理系统以规划出最优巡检路径。可有效抵抗恶劣环境的影响，高速稳定地识别远距离的人、设备、障碍物目标，提高系统整体安全性。
[0052]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0053]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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实用新型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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0054]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。