雙目相機(jī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)研究

摘 要：常規(guī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模糊定位多為定點(diǎn)處理，檢測(cè)的范圍較小，導(dǎo)致單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次降低，因此本文提出基于雙目相機(jī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)目前檢測(cè)需求，進(jìn)行圖像采集和預(yù)處理，以邊緣檢測(cè)為引導(dǎo)，擴(kuò)大檢測(cè)的范圍，完成撕裂點(diǎn)邊緣模糊定位。進(jìn)而設(shè)計(jì)雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模型，采用自適應(yīng)持續(xù)標(biāo)定的方式進(jìn)行撕裂檢測(cè)處理。測(cè)試結(jié)果表明，與深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法、無線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)相比，本文設(shè)計(jì)的雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次相對(duì)較高，說明在雙目相機(jī)的輔助和支持下，設(shè)計(jì)方法更靈活、穩(wěn)定，檢測(cè)效率有所提升，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：雙目相機(jī)；輸煤皮帶機(jī)；皮帶撕裂；異常標(biāo)定" " " 中圖分類號(hào)：TD528" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

輸煤皮帶機(jī)是煤炭運(yùn)輸工作的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系煤礦生產(chǎn)的安全與效率。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，在應(yīng)用頻繁和外部因素的影響下，皮帶機(jī)的皮帶發(fā)生損壞，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷[1]。

為了解決上述問題，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法，針對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障，訓(xùn)練模型在大量源域數(shù)據(jù)上進(jìn)行學(xué)習(xí)，將知識(shí)遷移至目標(biāo)域的少量數(shù)據(jù)上，以準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷[2]。也有相關(guān)研究采用無線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合無線測(cè)溫測(cè)振傳感器，監(jiān)測(cè)碼頭皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)狀況，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并識(shí)別異常狀態(tài)，使碼頭皮帶機(jī)能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。上述方法雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期檢測(cè)目標(biāo)，但是靈敏度低、檢測(cè)滯后，無法滿足現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)對(duì)安全性的要求。因此，本文進(jìn)行了基于雙目相機(jī)的輸煤皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的研究，旨在提升檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性，保障煤礦生產(chǎn)的安全。

1 輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂雙目相機(jī)檢測(cè)技術(shù)

1.1 圖像采集和預(yù)處理

由于輸煤皮帶機(jī)在運(yùn)行的過程中一直處于振動(dòng)狀態(tài)，因此本文結(jié)合雙目相機(jī)，進(jìn)行多周期比較，完成圖像采集，并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。本文使用安裝在輸煤皮帶機(jī)兩側(cè)的雙目相機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行圖像采集。雙目相機(jī)能夠同時(shí)捕捉同一場(chǎng)景的2個(gè)視角圖像，利用視差原理計(jì)算深度信息。設(shè)IL（x，y）和IR（x，y）分別為左、右相機(jī)在同一時(shí)刻捕捉的圖像，其中（x，y）為基礎(chǔ)的圖像坐標(biāo)[4]。設(shè)雙目相機(jī)的基線距離和焦距為已知參數(shù)，采用立體匹配算法標(biāo)定左、右圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并利用三角測(cè)量計(jì)算深度，如公式（1）所示。

式中：Z為圖像采集深度；d為左右圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的視差；B為基線距離；f為焦距。

基于目前的深度標(biāo)準(zhǔn)，從多個(gè)角度拍攝皮帶機(jī)皮帶的情況，并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。由于輸煤皮帶機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，因此圖像傳感器采集的原始圖像通常包括大量噪聲和干擾信息，例如煤塵、光線變化等[5]。需要采用空間域增強(qiáng)法，以灰度映射變換突出激光線等關(guān)鍵特征[6]。再采用中值濾波調(diào)整方式處理圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)，以其鄰域內(nèi)的像素值中值代替原像素值，以去除圖像中的噪聲，完成基礎(chǔ)處理。

1.2 撕裂點(diǎn)邊緣模糊定位

針對(duì)上文獲取的撕裂圖像，結(jié)合雙目相機(jī)技術(shù)，對(duì)皮帶機(jī)上的皮帶撕裂點(diǎn)進(jìn)行邊緣模糊定位處理。應(yīng)用雙目相機(jī)獲取撕裂區(qū)域的左、右圖像，便于后續(xù)半角[7]。一般情況下，撕裂區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)深度的不連續(xù)或突變[8]。為了定位撕裂點(diǎn)的邊緣，可以采用梯度計(jì)算的方式標(biāo)定撕裂位置的各個(gè)點(diǎn)，撕裂點(diǎn)模糊定位如圖1所示。

基于當(dāng)前的撕裂位置，建立初始模糊定位坐標(biāo)。進(jìn)而去除非邊緣像素，利用坐標(biāo)來連接邊緣像素，形成連續(xù)的邊緣線，撕裂點(diǎn)邊緣定位如圖2所示。

值得注意的是，需要以膨脹、腐蝕的形式來增強(qiáng)或平滑部分模糊邊緣，提高定位的準(zhǔn)確性，進(jìn)而根據(jù)撕裂邊緣的深度信息和位置信息，調(diào)整相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)，進(jìn)行撕裂點(diǎn)的模糊定位。

1.3 雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模型

本文結(jié)合雙目相機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模型。基于上述處理好的圖像，采用撕裂點(diǎn)位置模糊標(biāo)定，以立體匹配的方式進(jìn)行視差計(jì)算，如公式（2）所示。

式中：J為視差；?為圖像撕裂點(diǎn)水平距離；ξ為感應(yīng)點(diǎn)；d為可匹配范圍；?為基線距離。

根據(jù)當(dāng)前測(cè)定，對(duì)撕裂位置進(jìn)行視差分析，如圖3所示。

在視差的位置點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)合撕裂位置的形態(tài)變化，增強(qiáng)撕裂特征，基于邊緣長(zhǎng)度、寬度和深度變化等的變動(dòng)，進(jìn)行撕裂點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別和定位處理。進(jìn)一步鎖定撕裂位置，并設(shè)計(jì)模型的執(zhí)行表達(dá)式，如公式（3）所示。

式中：N為撕裂檢測(cè)結(jié)果；o為模糊標(biāo)定范圍；?為邊緣值；τ為可擴(kuò)展檢測(cè)區(qū)域。

結(jié)合多周期數(shù)據(jù)處理，對(duì)撕裂檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行具體分析，輸出一個(gè)基礎(chǔ)的皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)結(jié)果。需要注意的是，當(dāng)前輸出的撕裂檢測(cè)結(jié)果并不是最終結(jié)果，由于皮帶機(jī)的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，易受外部環(huán)境和定向因素的影響，因此該結(jié)果僅代表同一時(shí)段的檢測(cè)結(jié)果，具有較強(qiáng)的針對(duì)性。

1.4 自適應(yīng)持續(xù)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)撕裂檢測(cè)處理

由于輸煤皮帶機(jī)工作環(huán)境惡劣，相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)易受振動(dòng)、溫度變化和煤塵等因素影響而發(fā)生漂移，因此需要進(jìn)行自適應(yīng)持續(xù)標(biāo)定來動(dòng)態(tài)調(diào)整相機(jī)參數(shù)。將模型輸出的結(jié)果作為引導(dǎo)，提取實(shí)時(shí)圖像中的特征點(diǎn)，計(jì)算特征點(diǎn)連續(xù)幀的位置變化，如公式（4）所示。

式中：U為特征點(diǎn)連續(xù)幀的位置變化差；θ和?分別為相機(jī)兩個(gè)點(diǎn)位間的間距；v為閾值。

結(jié)合特征點(diǎn)連續(xù)幀的位置變化差，分析此時(shí)相機(jī)參數(shù)的穩(wěn)定性變化。當(dāng)特征點(diǎn)位置變化超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，即認(rèn)為相機(jī)參數(shù)發(fā)生顯著漂移，此時(shí)應(yīng)觸發(fā)標(biāo)定程序，以使特征點(diǎn)的重投影誤差最小化。設(shè)標(biāo)定前、后的相機(jī)參數(shù)分別為Pold和Pnew，特征點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)為R，則重投影誤差如公式（5）所示。

式中：E為重投影誤差；e為重投次數(shù)；r為特征點(diǎn)坐標(biāo)。

結(jié)合誤差變化，對(duì)初始點(diǎn)和變化點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，將新的相機(jī)參數(shù)更新到檢測(cè)系統(tǒng)中，用于后續(xù)撕裂檢測(cè)處理。

2 試驗(yàn)

本文利用雙目相機(jī)，對(duì)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)實(shí)際測(cè)試效果進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，考慮最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)與可靠，以對(duì)比方式進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)將H煤礦工程作為測(cè)試對(duì)象，比較對(duì)象為深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法、無線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)以及本文設(shè)計(jì)的雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)。匯總、整合往期的歷史應(yīng)用數(shù)據(jù)和信息，完成預(yù)處理后，將其存儲(chǔ)在預(yù)設(shè)位置上，以便后續(xù)使用。進(jìn)而在雙目相機(jī)的輔助與支持下進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)主要是對(duì)雙目相機(jī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行設(shè)定與部署。預(yù)設(shè)基礎(chǔ)的仿真環(huán)境，配置RTX 3080 GPU顯卡的Linux系統(tǒng)服務(wù)器，隨機(jī)選定H煤礦中的4臺(tái)輸煤皮帶機(jī)作為測(cè)試對(duì)象，預(yù)設(shè)4個(gè)定向的檢測(cè)周期，并且每一個(gè)皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中都需要設(shè)置一定數(shù)量的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間互相搭接，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后設(shè)定循環(huán)測(cè)試背景。進(jìn)而基于雙目相機(jī)的輔助，設(shè)定基礎(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)集信息，見表1。

通過攝像頭獲得RGB實(shí)時(shí)圖像，并利用Labelme軟件對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，標(biāo)定出此時(shí)圖像內(nèi)部皮帶的位置框，以便于后續(xù)對(duì)撕裂位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別。利用皮帶機(jī)設(shè)定的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息，為后續(xù)的撕裂檢測(cè)提供參考，至此完成測(cè)試環(huán)境部署。

2.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

在上文搭建的測(cè)試環(huán)境中，設(shè)定權(quán)值衰減系數(shù)為0.004，采用Batchsize訓(xùn)練、處理圖片的分辨率，數(shù)據(jù)處理的速度為32.5幀～36.5幀，置信度為0.85。利用雙目相機(jī)對(duì)皮帶的裂縫位置進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)定，如圖4所示。

在上述基礎(chǔ)上，利用相機(jī)將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)位置上，并對(duì)皮帶的撕裂情況進(jìn)行具體分析。進(jìn)而與預(yù)設(shè)的測(cè)試集進(jìn)行比較，測(cè)定不同環(huán)境下的撕裂位置平均檢測(cè)精準(zhǔn)率，如圖5所示。

根據(jù)當(dāng)前的撕裂位置檢測(cè)精度，分析其檢測(cè)效果，并根據(jù)當(dāng)前的置信度變化，計(jì)算單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次，如公式（6）所示。

式中：F為單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次；?1和?2分別為不同周期學(xué)習(xí)檢測(cè)次數(shù)；Y為檢測(cè)精度；?為初始學(xué)習(xí)次數(shù)；?為預(yù)設(shè)測(cè)試集數(shù)量。

當(dāng)前測(cè)定結(jié)果見表2。由表2可知，與深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法、無線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)相比，本文設(shè)計(jì)的雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次相對(duì)較高，說明在雙目相機(jī)的輔助和支持下，本文設(shè)計(jì)的方法更靈活、穩(wěn)定，效率進(jìn)一步提升，撕裂檢測(cè)效果較好。

3 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際的皮帶撕裂檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了更靈活、多變的檢測(cè)模式，不僅提高了皮帶撕裂檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性的同時(shí)，而且對(duì)撕裂故障進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)警與定位，能夠?yàn)槊旱V企業(yè)提供更可靠的安全保障。隨著雙目相機(jī)的配置與優(yōu)化，還需要進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)際的撕裂檢測(cè)精度與速度，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)與行業(yè)邁入新的發(fā)展臺(tái)階。

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