基于可見光定位技術的形變監測系統及方法與流程

本發明屬于可見光定位技術領域，具體涉及一種基于可見光的形變監測系統及方法。

背景技術：

在煤礦礦井中，罐道是礦井的垂直運行軌道，是維系地面和地下礦道的重要通道。罐道作為在立體井筒中上下運行的導向裝置，可以限制罐籠前后左右擺動，保障罐籠順暢連續在軌道上運行。然而，在煤礦地下開采過程中，豎井罐道容易發生一定程度的偏斜和變形。罐道變形輕則增加阻力，摩擦罐耳，影響生產；重則發生卡罐、掉罐等重大事故，直接威脅礦工生命安全。目前對煤礦罐道變形的監測方法有：1.人工幾何測量法；2.井筒斷面測量儀等專業測量儀器；3.基于激光測距的罐道位移監測系統。

就人工測量來說，該方法需要人員指揮進行焊接與鋼絲固定，操作復雜且要耗費大量人力物力，成本高昂。而且人為的干擾因素很大，測量結果精確度有限。

專業儀器法對儀器和操作人員要求十分高，而且其分析測試的數據過程不夠智能，計算精度較低，耗時較長，需要大量人員協作完成。

基于激光測距的罐道位移監測系統的問題在于，激光位移傳感器的采樣頻率較低，測量距離有限，適用性有限，設備造價昂貴，線路復雜，不適合在惡劣環境下長期工作。

此外，礦井中大功率電氣設備的頻繁啟動和電力電子器件、牽引網絡的使用，使得井下電磁環境越來越惡劣。其造成的電磁干擾現象會引起設備、傳輸通道或系統性能下降，成為影響井下安全生產的關鍵問題。所以，在這樣一種電磁敏感環境下，也難以使用常規電磁波定位手段實行監測。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于可見光定位技術的形變監測系統及方法，易于實施，且長期有效、成本低廉。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于可見光定位技術的形變監測系統及方法，其特征在于：它包括信號控制模塊、可見光發射模塊、主探測器、次級探測器和信號處理模塊；

所述的可見光發射模塊為在待監測地均布的若干個可見光源；

所述的信號控制模塊用于驅動所述的若干個可見光源按一定的規律點亮，且同一時間只有一個可見光源點亮，每個可見光源均點亮一遍為一個周期；

在待監測地分布有若干個監測點，每個監測點上均設有一個所述的主探測器和一個所述的次級探測器；所述的主探測器包括光電傳感器，所述的次級探測器包括涂黑遮擋物和位于涂黑遮擋物上的光電二極管；

所述的信號處理模塊包括用于將光電傳感器和光電二極管的電信號進行放大和模數轉換的信號調理模塊，用于根據模數轉換后的電信號判斷監測點是否有變形、監測點形變的方位及形變程度的微處理器。

按上述系統，所述的待監測地為待監測段罐道內壁，所述的可見光源為4個，呈對十字交叉分布在待監測段罐道內壁的水平截面上。

按上述系統，所述的可見光源為LED。

按上述系統，所述的信號控制模塊具體用于驅動所述的4個可見光源依次交替點亮。

按上述系統，所述的待監測段罐道內壁為第四系土層底部與基巖交界面上下5m區域。

按上述系統，每間隔4cm²設置一個所述的監測點。

利用所述的基于可見光的煤礦罐道形變監測系統實現的變形監測方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、根據信號控制模塊發出的驅動信號時序，確定當前可見光源，實時讀取各監測點光電傳感器和光電二極管的電信號；

S2、將當前讀取的光電傳感器的電信號，與相同狀態下初始電信號相比較，若當前讀取的電信號無變化則判斷當前罐道正常，若某監測點光電傳感器的電信號發生變化，則令該監測點為可疑監測點，進一步判斷；所述的相同狀態為與當前讀取的光電傳感器的電信號時的點亮的可見光源相同、光電傳感器相同；初始電信號為預存的罐道正常時獲取的電信號；

S3、判斷可疑監測點光電二極管的電信號是否發生與可疑監測點光電傳感器相同或相似的變化，所述的相似的含義為趨勢相同，變化量在一定的誤差范圍內；若是則進入S4；若無則判定可疑監測點發生形變，并經過一個周期的時間，分析出所述的可疑監測點與各可見光源的相對位置變化，從而得出可疑監測點的形變方位和形變程度；

S4、獲取N個周期內所述的可疑監測點光電傳感器和光電二極管的電信號，若獲取的電信號反復波動，則判定可見光源不穩定；若獲取的電信號保持一致，則判定位于可疑監測點的涂黑遮擋物處發生形變。

本發明的有益效果為：利用待監測地本身照明所需要的光源加以調制，并在監測點設置相應的探測器，當監測點發生形變時，探測器接收的光信號會發生改變從而導致輸出電信號有變化，只需要對各監測點的輸出電信號進行處理即可得出監測點是否存在變形，安裝易于實施，且長期有效、成本低廉，尤其適用于煤礦礦井、重工車間或者其他電磁場干擾嚴重的室內區域。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的系統原理示意圖。

圖2為圖1中信號處理模塊的原理圖。

圖3為本發明一實施例的系統安裝示意圖。

圖4為次級探測器的結構示意圖。

圖5為本發明一實施例的方法流程圖。

圖6為本發明一實施例的可見光源驅動信號時序圖。

圖中：1-待監測段罐道內壁，2-1-第一可見光源，2-2-第二可見光源，2-3-第三可見光源，2-4-第四可見光源，3-監測點，3-1-涂黑遮擋物，3-2-光電二極管。

具體實施方式

下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。

本發明提供一種基于可見光定位技術的形變監測系統及方法，如圖1和圖2所示，它包括信號控制模塊、可見光發射模塊、主探測器、次級探測器和信號處理模塊；所述的可見光發射模塊為在待監測段罐道內壁水平截面上均布的若干個可見光源；所述的信號控制模塊用于驅動所述的若干個可見光源按一定的規律點亮，且同一時間只有一個可見光源點亮，每個可見光源均點亮一遍為一個周期；在待監測段罐道內壁分布有若干個監測點，每個監測點上均設有一個所述的主探測器和一個所述的次級探測器；所述的主探測器包括光電傳感器，如圖4所示，所述的次級探測器包括涂黑遮擋物3-1和位于涂黑遮擋物3-1上的光電二極管3-2；所述的信號處理模塊包括用于將光電傳感器和光電二極管的電信號進行放大和模數轉換的信號調理模塊，用于根據模數轉換后的電信號判斷監測點是否有變形、監測點形變的方位及形變程度的微處理器。

根據大量實踐表明，煤礦立井井筒破壞部位幾乎都在第四系土層底部與基巖交界面附近，所以如圖3所示，本實施例中所述的待監測段罐道內壁1為第四系土層底部與基巖交界面上下5m區域。本實施例中可見光源為4個LED，即-第一可見光源2-1、第二可見光源2-2、第三可見光源2-3、第四可見光源2-4，呈對十字交叉分布。每間隔4cm²設置一個所述的監測點3。

本實施例中，所述的信號控制模塊具體用于驅動所述的4個可見光源依次交替點亮，如圖6所示。在本實施例中信號控制模塊包括微控制器、隔離電路與放大電路。首先，根據光源個數及其頻響特性，確定驅動方波信號的占空比、頻率及各光源的延遲時間。其次，編寫驅動信號代碼載入微控制器中，使微控制器P_1.0-P_1.3四個引腳產生如圖6所示的信號。當微控制器開始工作時，四個引腳依次循環出現高電平以驅動四只LED依次交替閃爍，并且因為閃爍頻率較高，不會影響正常照明。由于發光時序的不同，各LED光源能夠彼此區分，故而完成了對光源的ID編號。主探測器、次探測器及其附加電路均采用了TEMT6000環境光傳感器模塊代替。將環境光傳感器輸出的模擬量通過A/D轉換芯片處理為數字量再傳入微處理器，用微處理器完成對信號的處理分析，得出當前罐道情況是“正常”、“發生形變”還是“光源不穩定”，最后把結果通過礦用通信線路反饋給工作人員。

本實施例中，涂黑遮擋物3-1為涂黑立方體薄板，光電二極管3-2固定在涂黑立方體薄板上，涂黑立方體薄板由四個角引出支撐桿與罐壁固定，主探測器設置在涂黑遮擋物3-1的正下方。運用空間幾何投影原理，在初始位置處，涂黑遮擋物3-1在光源照射下的產生陰影沒有落在主探測器光敏面上，所以不會削弱對初始位置可見光的探測。而當監測點位置發生改變時，涂黑遮擋物3-1的陰影面會投射在主探測器的光敏面上，從而放大光信號變化幅度。涂黑遮擋物能夠放大光信號變化幅度。并且，光電二極管3-2能夠提供輔助處理信號，拓展監測感應功能。

如圖5所示，利用所述的基于可見光的煤礦罐道形變監測系統實現的變形監測方法，它包括以下步驟：

S1、根據信號控制模塊發出的驅動信號時序，確定當前可見光源，實時讀取各監測點光電傳感器和光電二極管的電信號；

S2、將當前讀取的光電傳感器的電信號，與相同狀態下初始電信號相比較，若當前讀取的電信號無變化則判斷當前罐道正常，若某監測點光電傳感器的電信號發生變化，則令該監測點為可疑監測點，進一步判斷；所述的相同狀態為與當前讀取的光電傳感器的電信號時的點亮的可見光源相同、光電傳感器相同；初始電信號為預存的罐道正常時獲取的電信號；

S3、判斷可疑監測點光電二極管的電信號是否發生與可疑監測點光電傳感器相同或相似的變化，所述的相似的含義為趨勢相同，變化量在一定的誤差范圍內；若是則進入S4；若無則判定可疑監測點發生形變，并經過一個周期的時間，分析出所述的可疑監測點與各可見光源的相對位置變化，從而得出可疑監測點的形變方位和形變程度；

S4、獲取N個周期內所述的可疑監測點光電傳感器和光電二極管的電信號，若獲取的電信號反復波動，則判定可見光源不穩定；若獲取的電信號保持一致，則判定位于可疑監測點的涂黑遮擋物處發生形變。

基于上述實施例，基于可見光LED的煤礦罐道形變監測系統有如下三個過程：1.通過信號控制模塊對LED進行ID編號，并由可見光發射模塊發出可見光用于罐道照明；2.主探測器和次級探測器實時將探測點的光信號轉化為電信號用于處理；3.信號處理模塊完成對整個罐道情況的分析并反饋給工作人員。

此處僅以待監測段罐道內壁為例，本發明還可適用于其它需要監測形變的地方，基于本發明利用的是可見光，抗電磁干擾能力強，本發明尤其適用于電磁敏感區的形變監測。

以上實施例僅用于說明本發明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容并據以實施，本發明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據本發明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的保護范圍之內。