基于機(jī)器視覺和模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)

摘要：闡述了PLC裝車接口、外圍輔助設(shè)備連接等方面的定量裝車系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，從多階定量裝車指令、機(jī)器視覺定量裝車主程序模塊等方面，分析機(jī)器視覺和模塊化定量裝車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?；跈C(jī)器視覺和模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)，對(duì)該定量裝車系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析。研究結(jié)果表明：本文所述基于機(jī)器視覺和模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)，具有定量裝車速度快、效率高、安全性和適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：煤礦運(yùn)輸；機(jī)器視覺；模塊化設(shè)計(jì)；定量裝車系統(tǒng)

0" "引言

煤礦公路運(yùn)輸工作較為復(fù)雜，尤其是在煤炭裝車時(shí)，受到周圍外部環(huán)境及特定因素的影響，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。為盡量消除安全隱患，研究人員綜合煤礦挖掘及煤炭運(yùn)輸?shù)臈l件、要求，設(shè)計(jì)了各種不同類型的汽車定量裝車系統(tǒng)[1]。

汽車定量裝車系統(tǒng)的針對(duì)性和穩(wěn)定性要求較強(qiáng)，可綜合煤礦生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)和計(jì)算出最佳的煤炭裝車量，同時(shí)可排除周圍的不穩(wěn)定因素和安全威脅，促使煤炭裝車施工作業(yè)更為靈活、合理，還能提升煤炭運(yùn)輸能力[2]。但是由于煤礦覆蓋面積較大，需求變動(dòng)頻繁，造成汽車定量裝車系統(tǒng)的識(shí)別判定效果受到影響[3]。

為此，本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺和模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)，并進(jìn)行了驗(yàn)證分析。通過機(jī)器視覺技術(shù)與模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以提升煤炭定量裝車精度，強(qiáng)化裝車效率和質(zhì)量，改善安全生產(chǎn)環(huán)境，為煤礦后續(xù)技術(shù)改進(jìn)和升級(jí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[6]。

1" "定量裝車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所謂機(jī)器視覺技術(shù)，就是人工智能發(fā)展的分支，主要指的是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷[4]。將該項(xiàng)技術(shù)與模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)進(jìn)行融合與構(gòu)建，在一定程度上擴(kuò)大了定量裝車覆蓋范圍，形成更加靈活、適用的智能化、模塊化的裝車系統(tǒng)[5]。

1.1" "PLC裝車接口設(shè)計(jì)

定量裝車系統(tǒng)硬件具有零件數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、針對(duì)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，其裝車接口是較為關(guān)鍵且重要的內(nèi)置管控設(shè)備[7]。與裝車接口關(guān)聯(lián)的裝置，可設(shè)置在后磅房、筒倉下部以及前磅房等3個(gè)部位。需要先將PLC（可編程控制器）機(jī)柜放在后磅房的機(jī)柜之中，同時(shí)將接線板與工控機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過顯示器以及狀態(tài)面板來觀測(cè)當(dāng)前硬件的基礎(chǔ)運(yùn)行狀態(tài)。

另外，需要在機(jī)柜上配備另一個(gè)控制裝置，通過接口實(shí)現(xiàn)交互通信。并需設(shè)置PLC設(shè)備輔助控制輸出輸入接口。PLC設(shè)備輔助控制輸出輸入接口如表1所示。

根據(jù)表1提供的安裝位置，完成PLC設(shè)備輔助控制輸出輸入接口的安裝。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車需求，調(diào)整接口的覆蓋范圍，強(qiáng)化整體裝車硬件程序，完成基礎(chǔ)設(shè)置。

1.2" "外圍輔助設(shè)備連接設(shè)計(jì)

外圍設(shè)備起到一定的輔助作用，具體如下：可限制定量裝車環(huán)境，形成可控的約束條件；可降低整體設(shè)備的應(yīng)用壓力，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)前基礎(chǔ)的連接多通過串口，設(shè)定一個(gè)RS-485通信口（集線器）與工控機(jī)搭建行成雙工通信程序，接入稱重儀表，定期接收稱重儀表顯示的數(shù)據(jù)信息。外圍輔助設(shè)備管理結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

根據(jù)圖1，完成對(duì)外圍輔助設(shè)備管理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析。以此為基礎(chǔ)，安裝紅外柵欄及報(bào)警燈。當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常或者影響時(shí)，報(bào)警燈便會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的警示，此時(shí)的外圍設(shè)備將會(huì)輔助主硬件裝置進(jìn)行定量裝車，完成基礎(chǔ)性的任務(wù)。

需要注意的是，設(shè)定的紅外柵欄所識(shí)別覆蓋的范圍并不是固定的，而是隨著煤礦實(shí)際挖掘進(jìn)度及煤炭裝車需求作出調(diào)整，因此具有較強(qiáng)的靈活性與針對(duì)性，可以逐步強(qiáng)化裝車效率，平衡系統(tǒng)硬件的應(yīng)用運(yùn)行。

2" "機(jī)器視覺和模塊化定量裝車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1" "多階定量裝車指令設(shè)計(jì)

通常情況下，煤礦的定量裝車需要多個(gè)輔助程序來進(jìn)行處理。組合式的控制和管理，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化裝車的效率，再加上機(jī)器視覺技術(shù)的輔助，可強(qiáng)化系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果。

可以先明確當(dāng)前的定量裝車程序。依據(jù)煤礦的運(yùn)輸需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，設(shè)置對(duì)應(yīng)的目標(biāo)，進(jìn)行裝車目標(biāo)的轉(zhuǎn)換及處理。通過機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計(jì)指令與目標(biāo)之間的輔助映射，并計(jì)算出多階定量裝車的限值。多階定量裝車限值的計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中：D表示多階定量裝車的限值，λ表示定向識(shí)別距離，η表示裝車單元量，e表示裝車次數(shù)，l表示視覺誤差。結(jié)合當(dāng)前的測(cè)定需求，完成對(duì)多階定量裝車的限值。根據(jù)該限值，設(shè)計(jì)多個(gè)定量裝車階段，并利用映射匹配，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的處理控制指令。

需要注意的是，多階的控制指令相對(duì)應(yīng)的匹配標(biāo)準(zhǔn)也是多層級(jí)的，在對(duì)煤礦汽車進(jìn)行定量裝車處理時(shí)，從多個(gè)角度進(jìn)行指令的下達(dá)及應(yīng)用，可以最大程度提升指令的應(yīng)用速度及效率，營造更加穩(wěn)定、安全的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。

2.2" "機(jī)器視覺定量裝車主程序模塊設(shè)計(jì)

組合式模塊形式可以強(qiáng)化當(dāng)前的定量裝車效率及速度，擴(kuò)展系統(tǒng)的覆蓋范圍，進(jìn)而強(qiáng)化對(duì)應(yīng)的控制效率。主程序模塊主要包括：初始控制模塊、自檢測(cè)模塊、通訊模塊、定量裝車監(jiān)測(cè)模塊以及主控制模塊。汽車定量裝車機(jī)器視覺主程序模塊結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

根據(jù)主程序模塊結(jié)構(gòu)示意圖，完成汽車定量裝車機(jī)器視覺主程序模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析。初始控制模塊、自檢測(cè)模塊、通訊模塊一般是針對(duì)基礎(chǔ)的系統(tǒng)調(diào)動(dòng)以及管控設(shè)置的，能夠完成日常的控制目標(biāo)。定量裝車監(jiān)測(cè)模塊以及主控制模塊則更加貼近于實(shí)際的定量裝車需求，會(huì)對(duì)裝車的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^上述設(shè)計(jì)的指令作為引導(dǎo)，推動(dòng)各個(gè)模塊的應(yīng)用，過程中結(jié)合煤炭裝車需求，通過模塊隨時(shí)進(jìn)行特定調(diào)整，強(qiáng)化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

3" "定量裝車系統(tǒng)測(cè)試

3.1" "測(cè)試目的和方法

系統(tǒng)測(cè)試的目的，主要是對(duì)基于機(jī)器視覺和模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證?？紤]到最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，采用對(duì)比測(cè)試方法。為此選定某煤礦的輔助裝車系統(tǒng)作為主要測(cè)試對(duì)象，使用專業(yè)設(shè)備和裝置對(duì)其基礎(chǔ)測(cè)定數(shù)值及指標(biāo)作出分析，然后在機(jī)器視覺技術(shù)的輔助下，進(jìn)行基礎(chǔ)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建。

3.2" "測(cè)試準(zhǔn)備

應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)煤礦模塊化汽車定量裝車系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行搭建與關(guān)聯(lián)。基于當(dāng)前煤礦挖掘情況，設(shè)置基于機(jī)器視覺技術(shù)構(gòu)建的裝車量化控制程序，并調(diào)整控制指標(biāo)和參數(shù)。煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)控制指標(biāo)和參數(shù)如表2所示。

完成對(duì)煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)控制指標(biāo)和參數(shù)的設(shè)定后，繼續(xù)應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)調(diào)整當(dāng)前控制模塊，并在系統(tǒng)中重新設(shè)計(jì)一個(gè)汽車定量裝車控制程序，完成對(duì)基礎(chǔ)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建，然后進(jìn)行實(shí)際測(cè)試和分析。

3.3" "測(cè)試過程及結(jié)果分析

3.3.1" "設(shè)計(jì)汽車定量裝車系統(tǒng)測(cè)試程序

在完成對(duì)基礎(chǔ)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建后，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)選定的該煤礦的輔助裝車系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。在當(dāng)前的系統(tǒng)中導(dǎo)入5項(xiàng)獨(dú)立的煤炭定量裝車任務(wù)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的定量裝車系統(tǒng)測(cè)試程序。煤礦模塊化汽車定量裝車系統(tǒng)測(cè)試程序如圖3所示。

3.3.2" "計(jì)算定量裝車單元耗時(shí)

根據(jù)圖3所示煤礦模塊化汽車定量裝車系統(tǒng)測(cè)試程序，依據(jù)機(jī)器視覺技術(shù)計(jì)算出煤礦模塊化定量裝車單元耗時(shí)。煤礦模塊化定量裝車單元耗時(shí)計(jì)算公式如下：

（2）

式（2）中：G表示煤礦模塊化定量裝車單元耗時(shí)，g表示定向轉(zhuǎn)換均值，v表示可控煤礦數(shù)量，d表示牽引范圍，u表示控制頻次，" 表示裝車精度。

3.3.3" "定量裝車的測(cè)試與分析

選擇5輛汽車作為5個(gè)區(qū)域進(jìn)行定量裝車測(cè)試。結(jié)合當(dāng)前計(jì)算得出的測(cè)試結(jié)果，與實(shí)際得出的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比照分析。煤礦模塊化定量裝車單元耗時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，對(duì)選定的5個(gè)煤礦定量裝車區(qū)域，分為3個(gè)階段進(jìn)行進(jìn)行了測(cè)試。其中定量裝車階段1和定量裝車階段2為計(jì)算得出的測(cè)試結(jié)果，定量裝車階段3為實(shí)際定量裝車操作得出的測(cè)試結(jié)果。

定量裝車階段3得出的煤礦模塊化定量裝車單元耗時(shí)被較好地控制在0.25s以下，這說明在機(jī)器視覺的輔助和模塊化程序運(yùn)行條件下，定量裝車速度得到了明顯的提升。

4" "結(jié)束語

通過對(duì)本文所述基于機(jī)器視覺和模塊化設(shè)計(jì)的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)的檢驗(yàn)和分析，驗(yàn)證了該定量裝車系統(tǒng)具有計(jì)量精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定、跟蹤靈活、工作效率高等特點(diǎn)。通過應(yīng)用該定量裝車系統(tǒng)，可以預(yù)測(cè)煤礦最佳裝車量，可以縮短定量裝車耗時(shí)，可以提升煤礦運(yùn)輸質(zhì)量，可以促進(jìn)煤礦運(yùn)輸安全，可以助力煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)向更高層次發(fā)展。

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