CN101059338A - 基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法 - Google Patents

Abstract

基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法，在与煤焦炉炭化室炉门相对应的炉体上设置基准物，在机车上设置一字线激光发射器和摄像机，采集基准物激光图像信息，依据激光线在图像中的垂直坐标与炉体表面凹凸尺寸之间的对应关系识别基准物，依据基准物在图像中的水平像素坐标计算机车与目标炭化室炉门之间的位置偏差；另一方案是采用立体条形码代替基准物，根据采集到的立体条形码激光图像解读其中的编码信息，根据编码识别炭化室炉门编号，还可同时根据条形码在图像中的水平像素坐标来计算机车与炭化室炉门之间的位置偏差。本发明的检测方法，属于非接触绝对位置检测技术，对焦炉生产环境的适应性强，实现了炉号识别和炉门对位偏差的精确测量。

Description

基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法

技术领域

本发明属于结构光图像测量技术领域，涉及一种煤焦炉炭化室位置的光学检测方法，具体涉及一种以激光图像三角测量原理为基础的目标识别和位置偏差检测方法。

背景技术

在焦炭生产过程中，装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车和消烟除尘车等移动机车需要在煤焦炉不同的炭化室位置上工作。为了实现机车的自动走行和生产机械的自动化操作，需要对机车与焦炉之间的相对位置进行检测。

机车与焦炉之间的定位分为“炉号识别”与“炉门对位”两个问题。

在进行生产操作前，工作机车需要确定下一步操作的炭化室编号，并自动走行到相应的炭化室附近。这个问题称为“炉号识别”问题。

在工作机车进行摘炉门、推焦、装煤和关炉门等工艺操作时，需要将摘门器、推焦杆和装煤底板等机械装置与被操作的炭化室炉门精确对正，这个问题称为“炉门对位”问题。

目前常用的“炉号识别”与“炉门对位”技术有以下几种：

1、编码电缆技术(也称为感应无线位置检测技术)，该技术利用固定于地面的感应电缆与机车上检测天线之间的电磁感应作为机车位置检测手段。对于长距离的焦炉机车轨道，编码电缆的分辨率只能够满足炉号识别的要求，无法满足炉门对位毫米级的精度要求。而且编码电缆在焦炭生产的工业环境中容易被损坏，易受电磁干扰影响发生误读现象。

2、射频识别(RFID)技术利用无线射频方式在读卡器和电子标签间进行非接触双向通讯，从而达到目标识别和数据交换的目的。将读卡器安装于焦炉机车，将电子标签固定在与炭化室对应的支架上，即可实现炉号的自动识别。RFID技术可以识别一定距离范围内的标签编号，但无法精确测量标签的位置，不能满足炉门对位的要求。由于电子标签内有电子元件，对环境温度有着严格要求，一般不能直接安装在焦炉炉体上，需要另设安装支架。

3、旋转编码器技术，该技术将旋转编码器安装在机车传动轴上，使其与车轮同步转动，通过对编码器的输出脉冲进行计数和运算，即可测量机车的走行距离和当前位置。由于机车在走行过程中车轮和轨道经常发生“打滑”现象，容易导致计数错误。而且该技术属于增量式检测方法，可能发生误差累积现象，从而导致较大的测量误差。

4、开关式对位检测技术，这类技术通过在焦炉上安装定位装置，在机车上采用激光开关、电磁感应开关或机械接触开关等手段检测机车是否与定位装置对正，从而确定机车与炉门的对位关系。然而这类技术只能输出是否对正的开关量，无法向机车走行控制系统提供连续的偏差距离信息，难以实现对位的自动控制。而且定位装置与检测开关的相对位置会因焦炉和轨道变形而发生变化，严重时会导致检测失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种以激光图像测量为基础的煤焦炉炭化室位置检测方法，该方法可以连续输出高精度的位置偏差信号，用于移动机车与煤焦炉炭化室的自动对位控制，解决了现有炉门对位检测技术中存在的检测精度差的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法，采用激光图像测量技术识读立体条码，解决了煤焦炉炭化室的炉号识别问题，用于移动机车的自动走行控制。

本发明采用图像检测技术识别煤焦炉上的基准物，根据基准物在图像中的像素坐标来计算移动机车与目标炭化室之间的位置偏差；由于煤焦炉的图像特征易受污损和光照干扰，难以可靠检测，本发明利用激光三角测量原理将焦炉表面的凹凸起伏转化为图像平面的坐标位置进行识别和测量，提高了检测的适应性与可靠性；本发明还采用条形码对炭化室进行编号，同时以条形码作为偏差检测的基准物；出于同样的抗污损目的和激光三角测量原理，本发明采用立体条码代替颜色条码作为编码信息的载体和定位基准物。

本发明所采用的技术方案是，基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法，在与煤焦炉炭化室相对应的炉体上设置基准物，在机车上设置激光发射器和摄像机采集基准物激光图像，利用激光图像中的位置信息识别基准物，并根据基准物在图像中的像素坐标来判断机车与目标炭化室炉门之间的位置偏差，该方法按以下步骤进行，

a.在与煤焦炉炭化室相对应的炉体上设置一突出的基准物，作为定位基准，

b.在机车上水平安装一字线激光发射器，使激光线水平照射在基准物上，且激光器轴线与基准物平面相互垂直，在机车上，激光器上方安装摄像机，摄像机轴线倾斜向下，激光器轴线和摄像机轴线共面且相交，使基准物、激光发射器和摄像机构成三角形测量结构，

c.水平发射一字线激光，采集激光线投射在基准物上的图像，

d.在上述采集到的图像中，依据激光线在图像中的垂直坐标与炉体表面凹凸尺寸之间的对应关系识别基准物，

e.依据基准物上激光线图像，对该激光图像进行二值化处理，提取激光线信息，

f.检测图像激光线信息中最下方平直线的中心坐标，根据坐标值来判断与炉门的位置偏差。

本发明所采用的另一技术方案是，基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法，通过给每一个炭化室炉门编号，在每一个炭化室炉门的相应位置设置与其编号相对应的条形码，在机车上设置激光发射器和摄像机，采集条形码图像，解读条形码图像中的编码信息，识别炭化室炉门编号，以及根据条形码在图像中的像素坐标来判断机车与目标炭化室炉门之间的位置偏差，该方法按以下步骤进行，

a.给每一个炭化室炉门编号，在每一个炭化室炉门的相应位置设置条形码编码板，使炉门编号与条形码编码相对应，

b.在机车上水平安装一字线激光发射器，使激光线水平照射在作为基准物的立体条码上，且激光器轴线与立体条码平面相互垂直，在机车上，激光器上方安装摄像机，摄像机轴线倾斜向下，激光器轴线和摄像机轴线共面且相交，激光发射器、摄像机和基准物的位置形成三角形测量结构，

c.水平发射一字线激光，采集激光线投射在编码板上的图像，

d.在上述采集到的图像中，依据激光线在图像中的垂直坐标与炉体表面凹凸尺寸之间的对应关系识别编码条，并结合编码条宽度解读出立体条形码中的编码信息，

e.对激光图像进行二值化处理，提取激光线信息，

f.依据编码板上激光线的水平位置判断机车与炉门的位置偏差。

本发明的有益效果是：

1、通过激光三角测量原理将煤焦炉表面的机械位置关系转化为激光图像特征进行测量，由于机械位置不易受污损影响，解决了焦炉表面普通光学图像随污损和光照情况变化不易可靠识别和测量的问题。

2、采用激光三角测量技术识读立体条码，解决了普通条码(以颜色区分编码信息的条码技术)在焦炭生产现场易受污损的问题。

3、本发明以煤焦炉炭化室之间的支撑柱或煤焦炉炉体上的其它附着物作为测量基准，由于支撑柱或其它附着物随煤焦炉的老化而同步变形，解决了因煤焦炉老化变形引起的测量偏差问题。

4、该检测方法属于非接触绝对位置检测技术，测量结果不受机车车轮打滑的影响，机车轨道的水平间隙和垂直沉降对测量结果的影响也不大，因而对焦炉生产环境的适应性强。

5、本发明利用同一技术构思，使用同一套设备，同时解决了对位检测和炉号识别两个技术问题。

6、可以连续输出高精度的位置偏差信号，方便实现自动对位控制。

附图说明

图1为基准物、激光器和摄像机的相互位置示意图；

图2为以一定夹角拍摄的煤焦炉表面立体线激光图像示意图；

图3为立体条码示意图，其中，a为仰视图，b为主视图；

图4为垂直方向的立体条码线激光图像示意图；

图5为以一定夹角拍摄的立体条码线激光图像示意图；

图6为立体条码图像区域分割与测量结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明基于激光图像测量技术，提供了两种技术方案，用于解决煤焦炉的炉门对位检测和炉号识别问题。

方案一、直接以煤焦炉炭化室之间的支撑柱作为测量基准物，在机车上安装一字线激光发射器和摄像机采集激光图像，根据基准物在图像中的像素坐标来计算机车与目标炭化室之间的位置偏差。

a.以煤焦炉炭化室之间的支撑柱作为定位基准。

b.在机车上水平安装一字线激光发射器，使激光线水平照射在基准物上，且激光器轴线与基准物平面相互垂直，在机车上，激光器上方安装摄像机，摄像机轴线倾斜向下，激光器轴线和摄像机轴线共面且相交，使基准物、激光发射器和摄像机构成三角形测量结构，如图1所示。

c.水平发射一字线激光，采集激光线投射在基准物上的图像。

d.水平激光线照射在焦炉上形成的亮线具有相同的垂直高度，但是由于摄像机以一定角度向下倾斜拍摄，根据光路的几何关系可知，投射在凸出物表面的亮线将位于像平面下方，投射在凹陷物表面的亮线将位于像平面上方。根据此三角测量原理可以将焦炉的表面的深度信息转化为图像的坐标信息，根据坐标信息可以识别出焦炉表面的凸出物。

e.依据基准物上激光线图像，对该激光图像进行二值化处理，提取激光线信息，

f.由于炉门支撑柱比煤焦炉上其它部件凸出，且表面有较宽的平整区域，因此受一字线激光照射的煤焦炉在摄像机上所成的图像如图2所示，图中最下方的平直线即为焦炉支撑柱上的激光线图像。检测图像中最下方平直线的中心坐标，根据坐标值就可计算位置偏差。算法如下：

(1)定义图像左下角为像素坐标原点，向右x坐标增加，向上y坐标增加。在图像中搜索激光线的最小y坐标，记为Ymin。在y坐标处于{Ymin，Ymin+Δy}的区间内搜索像素连通阈，Δy为可调整的激光线区域宽度。其值小于炉门支撑柱上激光线与其他激光线在像平面上的像素距离。

(2)求解连通阈中心点的x坐标为Xcenter，设图像水平分辨率为Pn则中心点x坐标为Pn/2，位置偏差定义为δ＝Xcenter-Pn/2。获得像素偏差δ后，可根据每个像素对应的几何尺寸K计算距离偏差L＝Kδ。

(3)根据支撑柱与炉门的相对尺寸、摄像机与操作机械的相对尺寸以及距离偏差L，计算炉门与操作机械的对位偏差。

如果焦炉支撑柱不够突出或表面不够平整，可以在其上安装附加的定位板作为测量基准。

方案二、采用立体条形码对每一孔炭化室炉门进行编号，将条形码固定在与炉门相对应的炉体上。在机车上设置激光发射器和摄像机，采集条形码的激光图像。通过解读条码图像中的编码信息，识别不同的目标炉门。同时根据条形码在图像中的像素坐标来计算机车与目标炭化室炉门之间的位置偏差。

a.对每一孔炭化室炉门进行编号，在与炭化室炉门相对应的突出位置设置条形码编码板，炉门编号与条形码编码信息一一对应，可以将编码板安装于炭化室之间突出的支撑柱上。

由于普通条码(以颜色区分编码信息的条码技术)在煤焦炉上易受烟尘和煤焦油污损，所以，本发明采用了立体条码，采用编码条的高、低位置代替普通条码的黑、白颜色作为编码的“条”和“空”表达编码信息，其结构示意如图3所示。

b.在机车上水平安装一字线激光发射器，使激光线水平照射在作为基准物的立体条码上，且激光器轴线与立体条码平面相互垂直，在机车上，激光器上方安装摄像机，摄像机轴线倾斜向下，激光器轴线和摄像机轴线共面且相交。此时，激光发射器、摄像机和基准物的位置形成三角形测量结构，如图1所示。

c.水平发射一字线激光，采集激光线投射在编码板上的图像。

d.水平激光线照射在立体条码上形成的亮线具有相同的垂直高度，沿与激光平行的方向观测到的图像如图4所示。由于摄像机以一定角度向下倾斜拍摄，根据光路的几何关系可知，投射在凸出物表面的亮线将位于像平面下方，投射在凹陷物表面的亮线将位于像平面上方。

根据三角测量原理可以将立体条码的深度信息转化为图像的坐标信息，由于立体条码安装在突起的支撑柱上，且条码板上有高低起伏的编码信息，所以在摄像机上所观测到的图像如图5所示。

e.计算位置偏差前先对激光图像进行二值化处理，提取激光线信息。

f.依据编码板上激光线的水平位置判断机车与炉门的位置偏差。算法如下：

(1)处理算法以立体条码凸起部分的激光图像作为检测依据，该部分图像位于像平面的最下方。算法定义图像左下角为像素坐标原点，向右x坐标增加，向上y坐标增加。在图像中搜索激光线的最小y坐标，记为Y_min。在y坐标处于{Y_min，Y_min+Δy}的图像区间内搜索像素连通阈，Δy为可调整的激光线区域宽度，其值小于立体条码凹、凸条在像平面上的像素距离。

(2)由于编码条高低起伏，在{Y_min，Y_min+Δy}的图像区间内搜索将形成多个独立的连通阈。求解连通阈中心点x坐标X_i，和连通阈水平长度L_i其中i＝1...n，n为连通阈个数。

(3)利用连通域的水平长度过滤干扰信息，保留有效长度范围内的连通域作为有效连通域。根据有效连通阈的水平间距、水平长度和x坐标位置将图像信息解读为二进制序列，再根据二进制序列和相应的编码规则识读编码信息，区分不同的炉门编号。

(4)立体条码两侧最宽的凸起部分为编码的“静区”，作为编码信息的起始和结束标记。求解最左侧起始连通阈的中心x坐标X_L和最右侧结束连通阈的中心x坐标X_R，取条码中心坐标X_center＝(X_L+X_R)/2。

(5)设图像水平分辨率为P_n则中心点x坐标为P_n/2，位置偏差定义为δ＝X_center-P_n/2。获得像素偏差δ后，可根据每个像素对应的几何尺寸K计算距离偏差L＝Kδ。

(6)根据立体条码与炉门的相对尺寸、摄像机与操作机械的相对尺寸以及距离偏差L，计算炉门与操作机械的对位偏差。

如果仅需要测量机车与焦炉炭化室炉门的对位偏差，可以采用方案一，如果还需要在煤焦炉上固定立体条码板识别炉门号，可采用方案二。

以下提供一实施例来说明本发明的具体操作步骤。

制作立体条码。条码采用Code-B编码规则，宽窄条之比为2比1，窄条宽度6mm，起始和停止位为凸条，宽度等于3倍窄条宽度。立体条码采用铝材制作，凸条表示0，凹槽表示1，凸凹条高度差为20mm。编码位数为3位，表示范围为000～999。为每一个炭化室设置一个对应的编码，将编码板固定于煤焦炉炭化室之间的支撑柱上。

按图1所示位置关系，在移动机车上安装一字线激光发射器和摄像机，使编码板、激光发射器和摄像机构成直角三角形关系。

激光器距离焦炉1.50米，此距离上使激光线长度大于1.00米。摄像机向下倾斜安装，轴线与水平线的夹角为30度。摄像机与激光器的垂直高度差为0.866米，摄像机与条形码的直线距离约为1.73米，使编码板在垂直高度上基本处于图像中心。

摄像机采用广角镜头，视场角为60度，水平方向的视野范围为1.00米。摄像机分辨率为1024×768，像素与距离之间的对应系数K＝1000/1024＝0.9766mm/pix。

发射一字线激光照射立体条形码，摄像机向下30度倾斜拍摄图像，凸凹条高度差为20mm的编码条所形成的两行激光线在图像上的像素差为20×cos(60°)/0.9766≈10pix。

对激光图像进行阈值二值化，阈值取为图像最高亮度的90％，大于阈值的像素置为1作为有效像素，反之置为0作为背景。

对每一列图像自下向上搜索有效像素，设激光线的最小y坐标Y_min等于379，取可调整的激光线区域宽度Δy为5。则算法在y坐标范围为{379，384}的图像区间内搜索像素连通阈。

以图5所示的立体条码激光图像为例，在限定范围内搜索后形成的连通区域如图6所示。图中从左至右共可搜索出10个独立的连通域，连通域长度分别为18 6 6 6 6 12 6 6 6 18(单位为像素)，连通域间距分别为12 6 12 126 6 6 12 12(单位为像素)。根据条码尺寸规格，设定区域长度小于9为“0”；大于9且小于15为“00”；大于15为“000”，设定连通域间距小于9为“1”；大于9为“111”。

按以上编码规则，图6表示的二进制序列为：

000 1101011 0 1101001 0 1011011 000，根据Code-B编码规则解码后的炉门编号为“128”。

若立体条码最左侧起始连通阈的中心x坐标X_L＝450，最右侧结束连通阈的中心x坐标X_R＝606，则条码中心坐标

    X_center＝(450+606)/2＝528

图像水平分辨率为1024，中心点x坐标为512，位置偏差为：

    δ＝528-512＝16pix

根据像素与距离之间的对应系数K＝0.9766mm/pix，距离偏差测量结果：

    L＝0.9766×16≈15.6mm。

Claims (5)

1.基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法，在与煤焦炉炭化室相对应的炉体上设置基准物，在机车上设置激光发射器和摄像机采集基准物激光图像，利用激光图像中的位置信息识别基准物，并根据基准物在图像中的像素坐标来判断机车与目标炭化室炉门之间的位置偏差，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

a.在与煤焦炉炭化室相对应的炉体上设置一突出的基准物，作为定位基准，

b.在机车上水平安装一字线激光发射器，使激光线水平照射在基准物上，且激光器轴线与基准物平面相互垂直，在机车上，激光器上方安装摄像机，摄像机轴线倾斜向下，激光器轴线和摄像机轴线共面且相交，使基准物、激光发射器和摄像机构成三角形测量结构，

c.水平发射一字线激光，采集激光线投射在基准物上的图像，

d.在上述采集到的图像中，依据激光线在图像中的垂直坐标与炉体表面凹凸尺寸之间的对应关系识别基准物，

e.依据基准物上激光线图像，对该激光图像进行二值化处理，提取激光线信息，

f.检测图像激光线信息中最下方平直线的中心坐标，根据坐标值来判断与炉门的位置偏差。

2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤f中，是采用以下方法，

(1)定义图像左下角为像素坐标原点，向右x坐标增加，向上y坐标增加，在图像中搜索激光线的最小y坐标，记为Ymin，在y坐标处于{Ymin，Ymin+Δy}的区间内搜索像素连通阈，Δy为可调整的激光线区域宽度，其值小于炉门支撑柱上激光线与其他激光线在像平面上的像素距离；

(2)求解连通阈中心点的x坐标为Xcenter，设图像水平分辨率为Pn则中心点x坐标为Pn/2，位置偏差定义为δ＝Xcenter-Pn/2，获得像素偏差δ后，可根据每个像素对应的几何尺寸K计算距离偏差L＝Kδ；

(3)根据支撑柱与炉门的相对尺寸、摄像机与操作机械的相对尺寸以及距离偏差L，计算炉门与操作机械的对位偏差。

3.基于激光图像测量的煤焦炉炭化室位置检测方法，通过给每一个炭化室炉门编号，在每一个炭化室炉门的相应位置设置与其编号相对应的条形码，在机车上设置激光发射器和摄像机，采集条形码图像，解读条形码图像中的编码信息，识别炭化室炉门编号，以及根据条形码在图像中的像素坐标来判断机车与目标炭化室炉门之间的位置偏差，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

a.给每一个炭化室炉门编号，在每一个炭化室炉门的相应位置设置条形码编码板，使炉门编号与条形码编码相对应，

b.在机车上水平安装一字线激光发射器，使激光线水平照射在作为基准物的立体条码上，且激光器轴线与立体条码平面相互垂直，在机车上，激光器上方安装摄像机，摄像机轴线倾斜向下，激光器轴线和摄像机轴线共面且相交，激光发射器、摄像机和基准物的位置形成三角形测量结构，

c.水平发射一字线激光，采集激光线投射在编码板上的图像，

d.在上述采集到的图像中，依据激光线在图像中的垂直坐标与炉体表面凹凸尺寸之间的对应关系识别编码条，并结合编码条宽度解读出立体条形码中的编码信息，

e.对激光图像进行二值化处理，提取激光线信息，

f.依据编码板上激光线的水平位置判断机车与炉门的位置偏差。

4.按照权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤f中，是采用以下方法，

(1)以立体条码凸起部分的激光图像作为检测依据，该部分图像位于像平面的最下方，定义图像左下角为像素坐标原点，向右x坐标增加，向上y坐标增加，在图像中搜索激光线的最小y坐标，记为Y_min，在y坐标处于{Y_min，Y_min+Δy}的图像区间内搜索像素连通阈，Δy为可调整的激光线区域宽度，其值小于立体条码凹、凸条在像平面上的像素距离；

(2)由于编码条高低起伏，在{Y_min，Y_min+Δy}的图像区间内搜索将形成多个独立的连通阈，求解连通阈中心点x坐标X_i，和连通阈水平长度L_i其中i＝1...n，n为连通阈个数；

(3)利用连通域的水平长度过滤干扰信息，保留有效长度范围内的连通域作为有效连通域，根据有效连通阈的水平间距、水平长度和x坐标位置将图像信息解读为二进制序列，再根据二进制序列和相应的编码规则识读编码信息，区分不同的炉门编号；

(4)立体条码两侧最宽的凸起部分为编码的“静区”，作为编码信息的起始和结束标记，求解最左侧起始连通阈的中心x坐标X_L和最右侧结束连通阈的中心x坐标X_R，取条码中心坐标X_center＝(X_L+X_R)/2；

(5)设图像水平分辨率为P_n则中心点x坐标为P_n/2，位置偏差定义为δ＝X_center-P_n/2，获得像素偏差δ后，可根据每个像素对应的几何尺寸K计算距离偏差L＝Kδ；

(6)根据立体条码与炉门的相对尺寸、摄像机与操作机械的相对尺寸以及距离偏差L，计算炉门与操作机械的对位偏差。

5.按照权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述的条形码为立体条码，以高、低位置作为编码的条、空来表达编码信息。

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