基于顏色傳感器定位的線(xiàn)激光罐道結(jié)構(gòu)檢測(cè)精度提高方法

牛偉鋒，宗亮亮，張小康，涂世宇，柳 苗

(1.山西焦煤霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦，山西 霍州 031400；2.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400；3.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

煤礦立井罐道是礦井的重要組成部分和生產(chǎn)活動(dòng)的咽喉要道，它的變形和破壞不僅會(huì)給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。井筒發(fā)生破壞直接會(huì)導(dǎo)致罐道產(chǎn)生形變，而罐道縱向彎曲變形會(huì)影響提升，甚至造成卡罐事故。

剛性罐道結(jié)構(gòu)形變檢測(cè)方法主要分為兩大類(lèi)：靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)(幾何測(cè)量法、專(zhuān)用儀器法)是指在提升機(jī)停止運(yùn)行后，利用直尺、激光等技術(shù)對(duì)罐道的偏斜、彎曲度、外形進(jìn)行檢測(cè)；動(dòng)態(tài)檢測(cè)(振動(dòng)加速度)是指通過(guò)提升機(jī)的加速度輸出響應(yīng)來(lái)判定罐道的運(yùn)行狀態(tài)[1-2].以上方法屬于點(diǎn)式測(cè)量技術(shù)，且測(cè)量的都是相對(duì)變化量，難以及時(shí)、全面跟蹤與評(píng)價(jià)罐道空間幾何形變。因此，對(duì)罐道結(jié)構(gòu)變形的高效、高精度測(cè)量成為煤炭生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。

線(xiàn)激光測(cè)量技術(shù)因其具有非接觸、速度快、精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)勢(shì)，已成為大型機(jī)械結(jié)構(gòu)輪廓測(cè)量的重要手段之一，將其用于罐道結(jié)構(gòu)形變檢測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)場(chǎng)罐道之間的接縫有時(shí)會(huì)塞滿(mǎn)填充物，導(dǎo)致線(xiàn)激光掃描儀容易發(fā)生漏判。因此，采用顏色傳感器輔助線(xiàn)激光罐道結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行罐道接縫精確定位，以提高系統(tǒng)識(shí)別罐道縫隙位置及測(cè)量精度。

1 基本原理

1.1 線(xiàn)激光掃描原理

由激光二極管發(fā)出的高斯光束經(jīng)柱面透鏡放大成一條激光線(xiàn)，激光線(xiàn)投射到被測(cè)物表面發(fā)生漫反射并形成一條激光投射線(xiàn)。線(xiàn)激光測(cè)量坐標(biāo)系X軸、Z軸見(jiàn)圖1，被測(cè)物表面點(diǎn)A、A1、C處的漫反射光透過(guò)高質(zhì)量光學(xué)鏡片組，在敏感感光陣列點(diǎn)B、B1、D處形成漫反射像點(diǎn)光斑[3].

圖1 線(xiàn)激光三角法測(cè)量原理圖

當(dāng)被測(cè)面沿線(xiàn)激光測(cè)量坐標(biāo)系Z軸方向發(fā)生位移Δ時(shí)，入射光在被測(cè)面的投射點(diǎn)A變化到A1.同時(shí)，其漫反射光在感光陣列上的像點(diǎn)從B變化到B1，變化量記為δ，則有：

(1)

(2)

由式(1)和(2)聯(lián)立可得：

(3)

式中，a表示接收透鏡組的物距；b表示接收透鏡組的像距；α表示激光束在被測(cè)面的投射點(diǎn)A和接收透鏡組中心O的連線(xiàn)與激光束平面的夾角；β表示漫反射光像點(diǎn)B和接收透鏡組中心O的連線(xiàn)與感光陣列感應(yīng)平面的夾角；θ表示位移變化前后兩個(gè)反射面的夾角[4].

同理，被測(cè)面上沿線(xiàn)激光測(cè)量坐標(biāo)系X軸方向上任意兩點(diǎn)A、C間距為ε，其漫反射光在感光陣列上的像點(diǎn)分別為B、D，且兩點(diǎn)間距為ζ，則有：

(4)

式中，γ表示激光束在被測(cè)面的投射點(diǎn)A和接收透鏡組中心O的連線(xiàn)與激光束在被測(cè)面上投影線(xiàn)的夾角；ω表示漫反射光像點(diǎn)B和接收透鏡組中心O的連線(xiàn)與感光陣列上投影線(xiàn)在感光陣列上像線(xiàn)的夾角[5].于是，線(xiàn)激光測(cè)量坐標(biāo)系Z軸、X軸方向的位移量Δ和ε可根據(jù)像點(diǎn)光斑位移量δ和ζ求得。

1.2 顏色傳感器工作原理

顏色傳感器的主要功能是用來(lái)識(shí)別顏色，也就是用來(lái)判斷測(cè)量到的顏色與所期望的顏色是否一致。顏色傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括光電二極管與專(zhuān)用半反射鏡。其工作原理見(jiàn)圖2，將入射光源通過(guò)專(zhuān)用反射鏡所測(cè)得的顏色分解成RGB值，然后通過(guò)光電二極管分別檢測(cè)各色的強(qiáng)度[6-7].當(dāng)判別到待測(cè)物體的RGB值與所設(shè)定的RGB值接近時(shí)，顏色傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。

圖2 顏色傳感器工作原理圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

線(xiàn)激光罐道結(jié)構(gòu)形變檢測(cè)系統(tǒng)主要由高頻線(xiàn)激光傳感器、感光陣列CCD、多線(xiàn)程編碼器、顏色傳感器、中央控制處理器和PC機(jī)組成。其系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3.

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中，高頻線(xiàn)激光傳感器用來(lái)對(duì)待測(cè)物體表面進(jìn)行線(xiàn)掃描；感光陣列CCD以超快的速度對(duì)待測(cè)物體表面進(jìn)行拍攝得到輪廓圖；多線(xiàn)程光電編碼器用來(lái)計(jì)算里程信息；顏色傳感器用來(lái)定位和識(shí)別罐道接縫；中央控制處理器負(fù)責(zé)對(duì)拍攝的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、儲(chǔ)存和傳輸；PC機(jī)完成對(duì)罐道結(jié)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)的深度分析、濾波處理、數(shù)據(jù)展示及儲(chǔ)存。

該系統(tǒng)和裝置克服了傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足，具有檢測(cè)速度快、操作便捷、測(cè)量點(diǎn)連續(xù)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)遺漏待測(cè)結(jié)構(gòu)潛在病害處，尤其適合剛性提升罐道結(jié)構(gòu)健康定期檢測(cè)與診斷。

2.2 線(xiàn)激光傳感器

激光二極管發(fā)出的高斯光束經(jīng)柱面透鏡放大成一條激光線(xiàn)，激光線(xiàn)投射到被測(cè)物表面發(fā)生漫反射并形成一條激光投射線(xiàn)，激光器發(fā)出的光線(xiàn)投射到被測(cè)物體表面，經(jīng)過(guò)反射由接收透鏡組接收后傳遞給CCD，當(dāng)被測(cè)物體表面位置發(fā)生改變時(shí)，導(dǎo)致入射點(diǎn)的光軸位置發(fā)生移動(dòng)，被測(cè)物體表面光線(xiàn)在 CCD 成像面的位置發(fā)生改變。通過(guò)檢測(cè)位置、形狀的變化來(lái)測(cè)量位移和形狀。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4 線(xiàn)激光器結(jié)構(gòu)圖

2.3 顏色傳感器

發(fā)射器透鏡和接收器透鏡分別接收光源和反射光源，發(fā)射器使用了光纖，能夠產(chǎn)生單一光點(diǎn)，同時(shí)還縮小了傳感頭的體積。光線(xiàn)接收回路內(nèi)置在傳感頭中，提高了檢測(cè)能力和檢測(cè)穩(wěn)定性。

2.4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)試前，在每根罐道接縫處標(biāo)記一種特定顏色，以便顏色傳感器掃描時(shí)能夠準(zhǔn)確識(shí)別。在提升系統(tǒng)牽引罐道運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)顏色傳感器來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別罐道接縫處，上位機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，立刻啟動(dòng)罐道縫隙的相關(guān)參數(shù)計(jì)算，通過(guò)特定算法準(zhǔn)確獲得罐道縫隙寬度、錯(cuò)位值以及罐道表面磨損值，并以報(bào)表的形式展現(xiàn)出來(lái)。其工作流程見(jiàn)圖5.

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3 系統(tǒng)軟件算法

3.1 縫隙識(shí)別算法

未加入顏色傳感器時(shí)，通過(guò)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值處理來(lái)識(shí)別縫隙，容易產(chǎn)生誤判或漏判。加入顏色傳感器后，通過(guò)顏色傳感器掃描縫隙處特定顏色產(chǎn)生脈沖信號(hào)，即可準(zhǔn)確識(shí)別縫隙位置，然后由上位機(jī)進(jìn)行標(biāo)志位處理，將此處標(biāo)記為縫隙。其流程圖見(jiàn)圖6.

圖6 縫隙識(shí)別流程圖

3.2 縫隙寬度及錯(cuò)位算法

罐道縫隙X、Y方向的錯(cuò)位以及縫隙寬度Z的表示方法見(jiàn)圖7.X方向錯(cuò)位代表罐道縫隙處上、下兩根罐道的水平方向差值，可以根據(jù)水平方向激光點(diǎn)的有效個(gè)數(shù)計(jì)算出來(lái)；Y方向錯(cuò)位代表縫隙處上、下兩根罐道之間前后差值，可以通過(guò)線(xiàn)激光掃描儀距離罐道的距離計(jì)算得到；縫隙寬度Z表示兩根罐道之間垂直間隙，可以通過(guò)縫隙之間的垂直方向無(wú)效激光點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算得到。

圖7 縫隙錯(cuò)位及寬度示意圖

罐道縫隙寬度及錯(cuò)位算法流程見(jiàn)圖8，在縫隙識(shí)別算法檢測(cè)到縫隙所在物理位置后，迅速處理線(xiàn)激光掃描儀傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換和計(jì)算后，統(tǒng)計(jì)出有效和無(wú)效激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)，通過(guò)一定的算法即可準(zhǔn)確獲得縫隙寬度和錯(cuò)位值，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 mm.

圖8 縫隙寬度及錯(cuò)位算法流程圖

4 實(shí)驗(yàn)及分析

為了模擬罐道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，在室內(nèi)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，分別測(cè)試罐道縫隙填塞和未填塞時(shí)的情況。使用鋼尺測(cè)量罐道的X、Y方向的錯(cuò)位值以及縫隙寬度Z分別為3 mm、5 mm和7 mm.

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，輸出結(jié)果見(jiàn)圖9.

圖9 罐道輪廓和2D圖

4.1 縫隙識(shí)別

為了驗(yàn)證顏色傳感器對(duì)罐道縫隙識(shí)別的準(zhǔn)確度，特在罐道縫隙處模擬填塞和未被填塞工況，對(duì)罐道縫隙分別進(jìn)行32次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 識(shí)別縫隙數(shù)量表

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)罐道縫隙處有填塞時(shí)，線(xiàn)激光可能會(huì)掃描不到縫隙的存在，于是存在數(shù)據(jù)缺失的情況，見(jiàn)圖10.

圖10 縫隙掃描情況圖

4.2 錯(cuò)位精確測(cè)量

在有、無(wú)顏色傳感器輔助縫隙識(shí)別的情況下，對(duì)未填塞的罐道縫隙進(jìn)行4次測(cè)量，見(jiàn)圖11.

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

將4次有、無(wú)顏色傳感器系統(tǒng)檢測(cè)罐道錯(cuò)位值匯總,見(jiàn)表2.

4.3 結(jié)果分析

從表1可以看出，當(dāng)縫隙沒(méi)有填塞時(shí)，有、無(wú)顏色傳感器作為輔助手段，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果一樣，識(shí)別率為100%；當(dāng)縫隙有填塞時(shí)，未加入顏色傳感器時(shí)識(shí)別率為90.6%，而加入顏色傳感器時(shí)識(shí)別率為100%.從表2可以看出，加入顏色傳感器后，X方向錯(cuò)位、Y方向錯(cuò)位和縫隙寬度Z的相對(duì)誤差均有一定幅度的改善，其測(cè)量精度顯著提高。

表2 罐道錯(cuò)位測(cè)量值表

由此可知，顏色傳感器可以明顯提高系統(tǒng)識(shí)別縫隙的準(zhǔn)確度，對(duì)罐道錯(cuò)位和縫隙寬度的測(cè)量精度上有一定的積極作用，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 mm.

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)將顏色傳感器與線(xiàn)激光掃描技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了罐道縫隙的準(zhǔn)確定位與精確測(cè)量，其縫隙識(shí)別率達(dá)到100%，測(cè)量精度達(dá)到0.1 mm.實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、可移植性強(qiáng)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，對(duì)掌握罐道的形變程度、及時(shí)排除可能存在的安全隱患具有重要意義。