基于機(jī)器視覺(jué)的帶式輸煤機(jī)智能糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

劉吉喬，李敬兆，石晴，劉繼超，胡迪

（1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；2.淮北合眾機(jī)械設(shè)備有限公司，安徽 淮南 232001）

皮帶運(yùn)輸機(jī)是散裝物料的主要運(yùn)輸設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)包括適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸送距離遠(yuǎn)、節(jié)能高效。但是皮帶運(yùn)輸機(jī)在工作過(guò)程中，會(huì)在裝料、轉(zhuǎn)料、卸料過(guò)程中發(fā)生物料散落和揚(yáng)塵現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)皮帶運(yùn)輸機(jī)還會(huì)發(fā)生跑偏現(xiàn)象，降低生產(chǎn)效益的同時(shí)也加大了維護(hù)與檢修的難度。傳統(tǒng)方式為采用人力進(jìn)行維護(hù)與檢修，提高了維修難度、增加了成本。

隨著近年來(lái)技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，視頻監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)日益發(fā)展成熟，視頻監(jiān)控技術(shù)在智能家居、中小型企業(yè)、金融領(lǐng)域、城市交通、野外工程、缺陷檢測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。黃濤等[1]運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)城市的軌道交通的列車進(jìn)行測(cè)速與定位；陳曉鵬[2]通過(guò)CCD 相機(jī)采集對(duì)帶式輸煤機(jī)的堆煤現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，提高了系統(tǒng)檢測(cè)效率與可靠性；滕悅等[3]運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)皮帶跑偏進(jìn)行檢測(cè)，但是皮帶跑偏后，沒(méi)有進(jìn)行糾偏；郭繼輝[4]分析了井下皮帶運(yùn)輸機(jī)跑偏原因。將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)運(yùn)用到監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)輸機(jī)工作狀況中，有助于當(dāng)皮帶跑偏時(shí)及時(shí)進(jìn)行智能糾偏，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行具有重大意義。

采用線陣CCD 相機(jī)對(duì)輸煤皮帶跑偏位置進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)帶式輸煤機(jī)運(yùn)行狀況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 帶式輸煤機(jī)糾偏系統(tǒng)框架

1 輸送帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

基于機(jī)器視覺(jué)的輸送帶檢測(cè)系統(tǒng)主要是利用機(jī)器視覺(jué)獲取輸送帶運(yùn)動(dòng)圖像，再利用圖像分析處理技術(shù)完成是否跑偏監(jiān)測(cè)。輸送帶跑偏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、系統(tǒng)標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、圖像處理模塊、跑偏分析模塊與顯示報(bào)警模塊組成，流程如圖2所示。

圖2 基于機(jī)器視覺(jué)輸煤皮帶跑偏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程圖

圖像采集模塊用于采集輸送帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的樣本，系統(tǒng)標(biāo)定模塊用于反映CDD 攝像機(jī)圖像和樣本圖像的比例關(guān)系，監(jiān)控相機(jī)將采集到的圖像形成視頻文件數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)端進(jìn)行圖像處理，圖像處理完畢后，將分析結(jié)果與皮帶跑偏的閾值進(jìn)行比較。若沒(méi)有超過(guò)輸送帶跑偏閾值則進(jìn)行圖像刪除；若超過(guò)輸送帶跑偏閾值，則按規(guī)定進(jìn)行顯示與報(bào)警，并保存數(shù)據(jù)。

輸送帶工作時(shí)，時(shí)常跑偏故障類型如下：①輸送帶本身發(fā)生扭曲。正常情況下輸送帶中心線垂直于托輥組中心線，當(dāng)輸送帶跑偏時(shí)，CCD 相機(jī)采集的圖像中輸送帶中心線與未輸送帶跑偏時(shí)形成跑偏角，分析處理圖像，可得到輸送帶跑偏方向及跑偏角的大小。本系統(tǒng)將輸送帶跑偏角的閾值大小設(shè)置為5°，即當(dāng)輸送帶，跑偏角大于5°時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并顯示當(dāng)前跑偏位置。②輸送帶整體發(fā)生偏移現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)視頻圖像中輸送帶兩側(cè)的邊緣進(jìn)行提取，并與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)定界限進(jìn)行比較，即可得到輸送帶偏移方向與偏移的距離，將跑偏距離的大小設(shè)置為輸送帶寬度的10%。③輸送帶張緊度過(guò)小引起皮帶跑偏。輸送帶的張力大小與它下垂的程度有關(guān)，為了保證輸送帶能正常運(yùn)行，必須限制其下垂程度，以防止輸送帶跳動(dòng)幅過(guò)大和出現(xiàn)煤料灑落現(xiàn)象。

本系統(tǒng)通過(guò)CDD 相機(jī)記錄輸送帶空載時(shí)所在位置，并標(biāo)定基準(zhǔn)線作輸送帶下垂測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，如圖3 所示。監(jiān)測(cè)輸送帶運(yùn)送煤料時(shí)根據(jù)其下垂程度來(lái)判斷輸送帶的張緊度，設(shè)置輸送帶下垂度閾值，當(dāng)輸送帶下垂度超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，系統(tǒng)語(yǔ)音報(bào)警，并將下垂偏移量數(shù)據(jù)傳遞給可編程控制箱，根據(jù)傳遞數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行糾偏。

圖3 機(jī)器視覺(jué)輸煤皮帶跑偏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)示意圖

2 圖像分析處理

2.1 灰度化處理

相較于彩色圖像，轉(zhuǎn)換為灰度圖像的意義如下：相較于彩色圖像，灰度圖像所占內(nèi)存更小，運(yùn)算速度更快；轉(zhuǎn)化為灰度圖像后可以在視覺(jué)上增加對(duì)比，突出輸送帶目標(biāo)區(qū)域。

2.2 圖像濾波

由于皮帶運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，容易新入一些噪聲，利用圖像濾波技術(shù)可以有效消除一些噪聲。圖像濾波包括均值濾波、中值濾波和高斯濾波。

2.2.1 均值濾波

均值濾波是一種線性濾波器，處理思路也很簡(jiǎn)單，用該像素點(diǎn)周圍像素點(diǎn)的平均值替代當(dāng)前的像素值。該方法思路簡(jiǎn)單、效率高，但會(huì)丟失掉圖像的邊緣特征。

2.2.2 中值濾波

處理非線性信號(hào)，中值濾波具有很好的效果，尤其是脈沖噪聲及椒鹽噪聲。缺點(diǎn)是對(duì)快速變化的參數(shù)處理不理想，影響圖像的連續(xù)性。

2.2.3 高斯濾波

高斯濾波器是一種線性濾波器[5]，能夠有效抑制噪聲，平滑圖像。高斯濾波的優(yōu)點(diǎn)可以集中在高斯函數(shù)的特點(diǎn)上表現(xiàn)出來(lái)，具體公式如下：

式中：（x，y）為點(diǎn)坐標(biāo)；σ為標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值。

高斯函數(shù)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，并且每個(gè)方向上的平滑程度相同。在頻域上，濾波過(guò)程中不會(huì)被高頻信號(hào)污染，所以選擇高斯濾波處理圖像。

2.3 圖像二值化

將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，并將感興趣區(qū)域（Region Of Interest，ROI）與背景分離，以便更好分析輸送帶跑偏輪廓，簡(jiǎn)化圖像后期處理，提高處理速度。其中最常用的是采用閾值法進(jìn)行二值化，0 代表全黑，1 代表全白。

2.4 邊緣檢測(cè)

邊緣保存了圖像大量的特征信息，而且邊緣檢測(cè)也是最近機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的重要研究課題，運(yùn)用也越來(lái)越廣泛[6]。最優(yōu)邊緣檢測(cè)的特征，應(yīng)保證所有的邊緣都能被找到，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤響應(yīng)，邊緣點(diǎn)還應(yīng)被很好定位和出現(xiàn)最小的響應(yīng)。相比較其他的邊緣檢測(cè)算法，Canny 算子在識(shí)別圖像邊緣的準(zhǔn)確度方面要高得多。

3 輸送帶糾偏系統(tǒng)

利用可編程控制箱對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到輸送帶糾偏的目的。本系統(tǒng)設(shè)置了三級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)，一級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)由輸送帶兩側(cè)的托輥組組成，當(dāng)輸送帶跑偏量超過(guò)5 cm 時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)它進(jìn)行糾偏，主要是改變托輥組一側(cè)高度或者對(duì)托輥與輸送帶之間的運(yùn)行角度進(jìn)行糾偏，如圖4 所示。

圖4 托輥糾偏

本系統(tǒng)設(shè)置3 條調(diào)心托輥為一組，以提高糾偏效率，如圖5 所示，每隔30 m 設(shè)置一組。一級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)糾偏程度較小，適合小范圍糾偏。二級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)由滾筒組成，如圖6 所示。

圖5 托輥組

圖6 滾筒糾偏

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)跑偏量超過(guò)10 cm 時(shí)，一級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后不足以糾偏時(shí)，啟動(dòng)二級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)被動(dòng)滾筒進(jìn)行糾偏，且當(dāng)輸送帶工作時(shí)，下垂度超過(guò)閾值，可編程控制箱通過(guò)控制滾筒來(lái)控制輸送帶張緊度。

三級(jí)糾偏機(jī)構(gòu)中當(dāng)輸送帶偏移量超過(guò)20 cm 時(shí)，可編程控制箱控制電機(jī)停機(jī)，并進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。輸送帶糾偏流程如圖7 所示。

圖7 輸送帶糾偏流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，機(jī)器視覺(jué)具有智能化、檢測(cè)精度高和非接觸的優(yōu)勢(shì)，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)輸送機(jī)輸送帶進(jìn)行跑偏監(jiān)測(cè)，運(yùn)用圖像處理技術(shù)能有效解決圖像中井下粉塵污染嚴(yán)重的問(wèn)題，提高圖像的清晰度，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一套輸送機(jī)輸送帶跑偏智能糾偏系統(tǒng)，能快速有效地處理輸送帶跑偏問(wèn)題。另外該裝置還可以用于檢測(cè)輸送帶異物。由于井下輸送帶工作環(huán)境復(fù)雜，可以引入深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)輸送帶在井下的不同場(chǎng)景中的圖像進(jìn)行訓(xùn)練識(shí)別，對(duì)于研究輸送帶智能化跑偏也具有重要意義。