機(jī)器視覺支持下的帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)設(shè)計研究

［摘 要］隨著時代的發(fā)展，當(dāng)前我國的電力需求愈發(fā)迫切，煤炭作為我國現(xiàn)階段電力生產(chǎn)的主要來源，能夠?yàn)槲覈I(yè)發(fā)展、民眾生活提供必要的電力支持。但是在當(dāng)前煤炭生產(chǎn)階段，仍舊存在粗放式的特點(diǎn)，安全生產(chǎn)管理相對較差，提升煤礦智能化水平勢在必行。文章以帶式運(yùn)輸機(jī)煤量檢測工作為研究對象，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，對機(jī)器視覺支持下的帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究，并對其中的帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、基于體積檢測的自動調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，以期為提升現(xiàn)代煤礦帶式輸送機(jī)工作質(zhì)量提供一定理論支持。

［關(guān)鍵詞］機(jī)器視覺；帶式輸送機(jī)；煤量檢測

［中圖分類號］V275.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0151–03

我國煤礦95% 以上的生產(chǎn)場景為地下，具有環(huán)境惡劣、安全形勢復(fù)雜等特點(diǎn)。同時，我國煤礦企業(yè)長期屬于從業(yè)要求較低的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，具有技術(shù)水平低、勞動效率低等特點(diǎn)與劣勢，以上諸多因素綜合導(dǎo)致了我國煤礦生產(chǎn)質(zhì)量相對較差。在“十三五”期間，國家著重強(qiáng)調(diào)應(yīng)該將高新技術(shù)應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域，并提出了“智慧礦山”這一概念，要求有關(guān)單位利用計算機(jī)、通信、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)對礦山作業(yè)進(jìn)行更新，其最終目標(biāo)在于達(dá)到對礦山生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控和管理。文章對其中的帶式輸送機(jī)煤量檢測進(jìn)行研究。

1 機(jī)器視覺支持下的帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 基本原理

文章以激光雙目立體檢測方法為基礎(chǔ)進(jìn)行帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)基本功能設(shè)計。具體而言：①采用激光雙目立體檢測方法對傳送帶上煤料的表面輪廓信息進(jìn)行測量與收集，并根據(jù)激光線條紋中心線提取與雙目視差匹配，獲取條紋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨后采用體積計算算法即可獲取體積流量[1]。②技術(shù)人員可通過體積流量，結(jié)合密度常數(shù)等即可完成煤量具體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確計算。③可根據(jù)體積檢測得到的結(jié)果，結(jié)合調(diào)速控制系統(tǒng)劃分具體的速度等級，借助 PLC 控制電機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的根本目標(biāo)。

1.2 帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)整體設(shè)計

帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)整體流程如圖1 所示。

整個系統(tǒng)的基本流程為：①線激光發(fā)射器、雙目立體相機(jī)固定在傳送帶上，承擔(dān)具體的測量工作，在測量過程中，整個系統(tǒng)保持靜止，線激光垂直于傳送帶，形成固定的掃描區(qū)域。②在測量過程中，先對雙目相機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，在帶式輸送機(jī)聯(lián)同物料共同運(yùn)動后，經(jīng)過掃描區(qū)域時，雙目相機(jī)開始正常工作，記錄測量對象的左視圖、右視圖，并對圖像的激光條紋中心線進(jìn)行提取。提取完成后，在視差匹配原理指引下，根據(jù)標(biāo)定好的相機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，求取激光條紋中心線所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即可得到反映實(shí)際物料表面信息的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。③在上位機(jī)位置，對數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建設(shè)計，實(shí)現(xiàn)三維信息可視化表達(dá)，結(jié)合圖像時間對物料體積大小進(jìn)行計算，最后根據(jù)檢測的體積大小調(diào)節(jié)運(yùn)行速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)調(diào)速運(yùn)行。

2 帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 槽型帶式輸送機(jī)設(shè)計

文章設(shè)計的帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)硬件主要包括帶式輸送機(jī)、線激光發(fā)射器、雙目立體相機(jī)、相機(jī)固定架、計算機(jī)、PLC 可編程控制器、變頻器等，由于槽型帶式輸送機(jī)具有一定特殊性，因此對其進(jìn)行獨(dú)立分析[3]。

為向我國煤礦運(yùn)輸提供普適性解決辦法，決定采用最常見的槽型帶式元數(shù)據(jù)，文章選擇的具體型號為ZHGD–127 槽型帶式輸送機(jī)。ZHGD–127 槽型帶式輸送機(jī)參數(shù)見表1。

2.2 帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)核心硬件設(shè)計

（1）線激光發(fā)射器。該設(shè)備是信息獲取的重要依托，線激光具有較強(qiáng)的方向性，且具有高亮度、高識別性，能夠較為精準(zhǔn)地進(jìn)行輪廓信息獲取。文章選擇采用一字型線激光發(fā)射器作為測量光源，該設(shè)備具有較高的安全等級，且功能較為完美，能夠基本滿足實(shí)際工作需求[4]。

（2）雙目立體相機(jī)。該設(shè)備是機(jī)器視覺測量系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，能夠?yàn)楹笃诘臄?shù)據(jù)處理、算法分析提供核心的數(shù)據(jù)支持。文章決定采用300 萬像素的工業(yè)CCD 攝像頭作為雙目立體相機(jī)的核心結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，為了提供數(shù)據(jù)傳輸支持，本系統(tǒng)雙目相機(jī)集成了千兆網(wǎng)線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）變頻器。該設(shè)備的基本功能為控制交流驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，是該系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，文章決定采用高性能矢量型變頻器，具體型號為JF1800G–5.5KWG–3。在實(shí)際功能方面，該設(shè)備能夠幫助帶式運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)較好的啟停、變向、調(diào)速等功能[5]。

（4）PLC。該設(shè)備是工控領(lǐng)域的重要數(shù)字化控制系統(tǒng)，在煤礦運(yùn)輸領(lǐng)域，帶式輸送機(jī)集控系統(tǒng)也可由該設(shè)備實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用西門子S7–300PLC 作為具體的集控設(shè)備，其電源型號為PS 307 5A_1、CPU 型號為CPU 313C–2 DP。

（5）人機(jī)交互設(shè)備。文章決定選擇觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，其具體設(shè)備為昆侖通態(tài)觸摸屏，型號為TPC7062Ti，其基本性質(zhì)為電阻式觸摸屏，具有較強(qiáng)的圖像顯示能力及數(shù)據(jù)處理功能，同時，該設(shè)備還支持多種通訊模式與連接模型，能夠滿足基本工作需求[6]。

3 帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)基本流程

帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)流程如圖2 所示。

軟件工作的基本思路為3 大模塊：①在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方面進(jìn)行激光條紋提取，并根據(jù)立體匹配算法進(jìn)行點(diǎn)云三維坐標(biāo)計算。②進(jìn)行體積計算，具體需要根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、表面輪廓進(jìn)行體積計算算法開發(fā)。③在上位機(jī)位置，需要通過Qt 編寫界面，進(jìn)行體積檢測整體操作及數(shù)據(jù)顯示，并將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)處進(jìn)行可視化操作，此外，還要結(jié)合三維軟件重建煤料表面輪廓。

3.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

帶式輸送機(jī)煤量檢測系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)組成主要包括以下6 大模塊。

（1）圖像采集模塊。該模塊的基本功能為圖像采集，其具體功能包括：①采集標(biāo)定棋盤的圖像信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，以此獲取有效的系統(tǒng)參數(shù)。②對帶式輸送機(jī)傳送帶的輪廓圖像相關(guān)信息進(jìn)行采集，并識別表面信息[7]。③在檢測之后獲取激光線條紋圖像，從而為后續(xù)工作的正常開展提供必要支持。

（2）相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定模塊。該模塊的功能為相機(jī)系統(tǒng)標(biāo)定，文章決定采用張氏標(biāo)定法作為雙目相機(jī)標(biāo)定算法，該方法具有較強(qiáng)的成熟性，只需通過二維棋盤圖像即可獲取高質(zhì)量的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，從而為傳送帶上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供支持，在標(biāo)定過程中，軟件還需要提供立體矯正、消除畸變影響等功能，從而保證標(biāo)定參數(shù)的精準(zhǔn)性。

（3）圖像預(yù)處理模塊。該模塊的功能為消除采集獲取激光輪廓圖像上存在的一些不利干擾，并通過濾波器進(jìn)行平滑降噪處理，從而獲取最真實(shí)的激光線圖像，進(jìn)而為后期體積計算等工作提供重要支持。

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取模塊。該模塊的基本功能為獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，在軟件層面，需要先采用迭代預(yù)制重心法對激光條紋中心線進(jìn)行高精度提取。還需要基于雙目攝像頭視差原理，進(jìn)行點(diǎn)云三維坐標(biāo)的計算，立體匹配采用半全局匹配SGBM 算法，該算法具有較強(qiáng)的匹配精度與匹配速度。

（5）煤料體積計算模塊。其基本功能為進(jìn)行煤料橫向截面積、煤料體積的計算，文章需要根據(jù)運(yùn)輸時的橫向截面輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)及空載時的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行煤料橫向截面積的算法設(shè)計。

（6）上位機(jī)界面顯示模塊。上位機(jī)顯示界面需要根據(jù)Qt 進(jìn)行顯示界面組態(tài)設(shè)計，具體軟件功能包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、ROI 區(qū)域設(shè)定、采集畫面顯示、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲、三維可視化重建、體積計算結(jié)果輸出，整個軟件應(yīng)當(dāng)具有操作便捷的特點(diǎn)，便于人機(jī)互動的正常進(jìn)行。

此外， 為實(shí)現(xiàn)上述軟件功能， 需要在VisualStudio 2017 開發(fā)平臺下，基于C++ 編程語言，結(jié)合Qt 進(jìn)行相關(guān)軟件功能設(shè)計。同時，為了適應(yīng)機(jī)器視覺的需求，文章決定引進(jìn) OpenCV 技術(shù)，該技術(shù)為經(jīng)典的市局算法庫，能夠?yàn)椴杉瘓D像、雙目相機(jī)標(biāo)定等功能提供算法模板。另外，為了滿足圖像渲染需求，決定引進(jìn)OpenGL 技術(shù)，該技術(shù)可進(jìn)行二維、三維圖像繪制工作，同時，隨著時代的發(fā)展，該技術(shù)還在不斷發(fā)展與演進(jìn)，本系統(tǒng)使用Qt OpenGL 模塊對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。

3.3 基于體積檢測的自動調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)

在體積檢測結(jié)束后，需要根據(jù)體積檢測的結(jié)果進(jìn)行自動調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)。調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個功能，即帶式輸送機(jī)的啟停控制與需要根據(jù)煤量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)速控制?；隗w積檢測的自動調(diào)速流程如圖3所示。

基于體積檢測的自動調(diào)速控制還需依托程序設(shè)計實(shí)現(xiàn)，文章中調(diào)速系統(tǒng)控制程序通過 TIA Portal 軟件進(jìn)行編寫，具體設(shè)計思路如下。

（1）兩級帶式輸送機(jī)啟停程序設(shè)計。啟停設(shè)計手動、自動兩種模式，手動模式指可通過工作人員手動進(jìn)行啟?？刂?，在自動模式下，根據(jù)逆煤流順序啟動原則設(shè)計一鍵啟動，二級帶式輸送機(jī)運(yùn)行3 s 后，一級帶式輸送機(jī)運(yùn)行，停機(jī)流程為：二級帶式輸送機(jī)停機(jī)3 s 后，一級帶式輸送機(jī)停機(jī)。

（2）帶式輸送機(jī)調(diào)速程序設(shè)計。將運(yùn)行速度分為1、2、3、4 等級，PLC 調(diào)速程序根據(jù)不同計算結(jié)果設(shè)定2 個繼電器組合，其中，繼電器1、2 均斷開表示1 級速度，繼電器1、2 均閉合表示4 級速度，繼電器1 閉合但2 斷開表示2 級速度，繼電器1 斷開但2 閉合表示3 級速度。

4 結(jié)束語

文章提出了一種基于機(jī)器視覺的帶式輸送機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用線激光雙目立體檢測法，能夠?qū)崿F(xiàn)對槽型帶式輸送機(jī)煤料運(yùn)輸?shù)捏w積檢測，且系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，操作西門子 PLC 控制器調(diào)整輸送速度。文章雖取得了一定成果，具有一定現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值，但仍舊存在一定的發(fā)展與優(yōu)化空間，例如，機(jī)器視覺檢測的關(guān)鍵在于相機(jī)檢測系統(tǒng)的標(biāo)定精度，未來相關(guān)人員可以選擇標(biāo)定精度更高的相機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，以此消除標(biāo)定誤差。

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