基于機器視覺和DSP技術的輸煤皮帶跑偏檢測控制器

浙能溫州發(fā)電有限公司 楊明花

西安華控智能系統(tǒng)工程有限公司 高繼嚴

1.引言

Opencv是一個在業(yè)界被廣泛應用的跨平臺機器視覺庫。其擁有強大的跨平臺、多語言支持能力，已經成為機器視覺領域最影響力的研發(fā)工具之一。目前，opencv已經成功應用到多個領域，例如人臉識別、車牌識別、智慧交通、智慧城市等。本文在充分學習與研究opencv視覺庫的基礎上，并結合火電廠輸煤系統(tǒng)輸煤皮帶跑偏檢測的工藝要求，成功將其移植至嵌入式平臺。

目前國內火電廠輸煤系統(tǒng)中，多采用輸煤皮帶機作為煤料運輸的主要工具，且輸煤皮帶的跑偏檢測多采用傳統(tǒng)的機械式跑偏開關。傳統(tǒng)的跑偏開關在使用時，需要鋪設電纜以便將動作信號傳輸至控制室，不僅耗費了大量電纜，而且安裝時的工作量大，隨著使用時間的加長，機械結構的老化，其誤動作的可能性也隨之增大。本文在研究機器視覺有關算法的基礎上，利用DSP嵌入式技術，設計了一種基于機器視覺的輸煤皮帶跑偏檢測裝置，該裝置將目前較為前沿的機器視覺技術應用到了傳統(tǒng)的火電廠輸煤領域，為進一步替代傳統(tǒng)的跑偏檢測開關，奠定了前提基礎。

2.系統(tǒng)軟件設計

基于機器視覺的火電廠輸煤皮帶跑偏檢測控制器，其實現(xiàn)原理是利用兩臺攝像機獲取輸煤皮帶左右兩側的圖像，利用相關邊緣檢測算法，準確識別輸煤皮帶邊緣，設定皮帶邊緣合理的動態(tài)檢測范圍，當皮帶跑偏發(fā)生時，即可控制有關輸出回路，驅動繼電器，實行緊急停車。有效防止跑偏程度的繼續(xù)加重。輸煤現(xiàn)場光照條件較差，為皮帶跑偏的檢測帶來了困難，本文研究了多種機器視覺算法，實現(xiàn)了輸煤皮帶的跑偏的初步檢測。

Canny邊緣檢測的實現(xiàn)原理是：從不同視覺對象中提取有關結構信息，減少對其他非關鍵信息的處理，大大減少需要處理的數據總量。該技術已經成為機器視覺領域主要的邊緣檢測算法之一。不同的視覺對象，其對邊緣檢測的要求卻近乎一致，Canny算子便提供了一種標準化的邊緣檢測技術。

Canny算子一般的實現(xiàn)流程如下：利用高斯濾波器對視覺對象進行平滑處理，濾除其中的噪聲；之后計算視覺對象中每一個像素點的梯級強度和方向；利用雙閾值檢測法來判定邊緣；抑制其中的弱邊緣并最終完成邊緣檢測。

本文總結和分析了輸煤皮帶跑偏的類型和原因，并搜集了有關實際生產活動中，輸煤皮帶跑偏的影像資料，總結了輸煤皮帶跑偏檢測的特點和難點。提出了一種優(yōu)化邊緣檢測算法。該算法具備較高的自適應性，有效克服了現(xiàn)有算法的局限性。

本文中提出的輸煤皮帶邊緣檢測算法主要包含圖像預處理、基于混合高斯的背景建模、canny邊緣檢測等算法組成。具體步驟如下：對原始視頻碼流中的視頻幀進行去噪、二值化處理。利用本文提出的改進型幀間差分法對前序操作處理后的視頻幀做差分處理。將前序操作得到的差分運算結果進行混合高斯建模。模型初始化完成后，判斷差分結果是否與某一時刻建立的高斯背景模型相匹配，若匹配，則設為初始點；不匹配則更新高斯背景模型。形態(tài)學生長以及邊緣檢測。

混合高斯建模完成后，用視頻序列幀逐次與其做差分運算，接著為得到的像素點建立混合高斯模型，在對模型完成初始化之后，選取優(yōu)先級較大的高斯分布作為背景模型合成的依據。經過混合高斯模型的運算處理，便可得到人形目標的二值圖像。為了獲取準確的人形目標，亦可對含有人形目標的相鄰幀進行邏輯運算，并對圖像進行去噪處理以及形態(tài)學生長，結合canny邊緣檢測算法，提高皮帶跑偏準確度。

3.系統(tǒng)硬件設計

該智能檢測裝置采用TMS320F28335為中央處理器，包含DSP最小系統(tǒng)、以太網通信單元、WIFI接口單元以及配套app開發(fā)、緊急制動與告警單元、無線通信單元等。設備初始上電，利用WIFI通信接口以及配套開發(fā)的手機APP，對設備進行有關參數的初始化設定，通過以太網接口將現(xiàn)場2路攝像機的采集的輸煤皮帶邊緣視頻傳輸至DSP最小系統(tǒng)，DSP負責實現(xiàn)相關的機器視覺算法，準確識別出輸煤皮帶邊緣，當檢測到輸煤皮帶跑偏時，立即控制相關控制回路，緊急制動輸煤皮帶機，防止跑偏程度的進一步加重。并利用無線通信單元，將有關設備信息傳輸至控制室。

3.1 DSP最小系統(tǒng)設計

TMS320F28335是TI公司新推出的一款處理芯片，尤其是外設資源較為豐富。其運算能力和外設資源都較TMS320F2812有了很大提高。由于F28335具備較強的運算能力，完全滿足機器視覺有關算法的計算要求。既簡化了軟件開發(fā)的流程，又滿足了嵌入式開發(fā)的要求。

TMS320F28335最小系統(tǒng)包括電源轉換電路、JTAG電路、通訊接口電路等。其中電源電路采用TPS70351電源芯片，該芯片可實現(xiàn)直流5V轉轉換為直流3.3V和1.8V，滿足對TMS320F28335的內核供電。此外，該芯片具備優(yōu)良的散熱性能，滿足了嵌入式開發(fā)的緊湊性要求。

3.2 以太網接口單元

以外網接口單元包含數字攝像機和以太網通信芯片，本文選取海康威視數字攝像機作為現(xiàn)場視頻采集的設備。其中以太網接口電路選用W5500協(xié)議芯片。因本文設計的控制器需用2臺攝像機分別檢測輸煤皮帶左右兩側的視頻，因此，本文設計了2路以太網接口，并在DSP處理器中合理設計了任務調度和中斷處理程序，可并行處理2路攝像機采集的視頻圖像。

此外，在DSP芯片和W5500芯片之間，設置了ADUM1400高速磁耦隔離芯片，該芯片有效隔離了外界干擾源對最小系統(tǒng)的影響。

3.3 WIFI接口單元以及配套APP開發(fā)

輸煤系統(tǒng)智能檢測防護裝置初始安裝完成后，需要進行參數標定和監(jiān)控區(qū)域設置。同時考慮到輸煤現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，本文具備WIFI通信接口并配套開發(fā)了手機APP。WIFI接口選用ESM8266通信模塊，降低了二次開發(fā)的難度，加快了開發(fā)進度。配套開發(fā)的APP可實現(xiàn)識別區(qū)域的設定、識別靈敏度設定、報警閥值設定等功能。

輸煤現(xiàn)場環(huán)境惡劣，粉塵污染嚴重，因此本文采取配套APP來進行參數設定，而未采用設置顯示屏等方案，可有效提高產品的防護等級。

3.4 緊急制動與告警單元

緊急制動單元包含1路24V繼電器輸出，其中1路為常開節(jié)點，1路為常閉接點。上述繼電器輸出接入現(xiàn)場設備的急?？刂苹芈贰．敊z測到有皮帶跑偏發(fā)生時，DSP處理器便控制繼電器輸出，實現(xiàn)輸煤皮帶的緊急停車，防止意外發(fā)生。

3.5 無線通信單元

火電廠輸煤現(xiàn)場設備種類繁雜，管線眾多，如若鋪設通信電纜，需要耗費大量人力物力，故本文設計了基于433MHz的無線通信單元，可實現(xiàn)輸煤皮帶跑偏裝置與控制室的遠程通信。該無線通信接口選用了宇泰U901串口轉433MHz網關，該網關利用RS485接口與DSP最小系統(tǒng)相連接。

DSP最小系統(tǒng)中設計了基于MAX485芯片的串口通信電路，該芯片利用TLP181光耦與DSP引腳相連接，有效避免了通信鏈路對最小系統(tǒng)的干擾。

4.試驗

本文在火電廠輸煤系統(tǒng)中選取了一處輸煤皮帶，認為制造皮帶跑偏，檢測了該輸煤皮帶跑偏檢測控制器的有效性。

5.小結

本文設計的以機器視覺為基礎的輸煤皮帶跑偏檢測裝置，結構緊湊、集成化程度高，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式跑偏開關，大大減少現(xiàn)場施工作業(yè)難度，節(jié)省了大量物料和人力，為機器視覺在輸煤領域的應用開闊了思路，奠定了應用基礎。