CN103308127B

CN103308127B - 基于图像技术的皮带称重方法

Info

Publication number: CN103308127B
Application number: CN201310219919.5A
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 伍云霞
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: CN103308127A

Abstract

本发明公开了一种基于图像技术的皮带称重方法，包括皮带转速传感器、激光源、CCD成像系统、预装有软件的计算机及连接CCD成像系统和计算机的传输光缆；称重方法是：激光源投射一组平行激光束将大小为w×v×Δt的称重区域离散成Δt×v×W_i个小区块，计算机控制CCD成像系统每隔Δt时间采集一幅称重区域上的光斑图像，对光斑图像进行处理得到每个光斑处的物料高度，根据光斑处的物料高度计算每个小区块的物料高度h_i，再计算称重区域物料重量ΔG，累加称重区域重量ΔG即得到当前采样时刻皮带上的总的物料量，该方法称重区域大小可调整，还可查询任意时段的皮带运料量。

Description

基于图像技术的皮带称重方法

技术领域

本发明总体涉及传送带散装物料称重领域，尤其涉及利用图像技术的皮带称重方法。

背景技术

有多种可用来对传送带输送的散状物料进行称重的方法。然而，目前没有已知皮带称重设计是基于图像技术的。在皮带称重领域，主流设计是利用重力检测原理，另一种设计是基于射线吸收原理。

重力称重有一些内在的问题，皮带上物料的重量必须通过称重架和拉紧的皮带来称重，称重架受力状态和皮带张力直接影响着称重精度，由于称重架受力状态和皮带张力随着皮带的运动在不断改变，要保持稳定的测量精度，必须经常性的维护使皮带维持张力恒定、不跑偏、称架不积灰、托辊校准好、称重传感器参数匹配等，因此，重力称重的维护工作很频繁，维护工作量很大。

利用射线吸收原理的称重方法，称重精度易受物料特性变化的影响，如品种、成分、含水量、在皮带上断面形状的变化等都对测量精度有很大影响，如称重物料由煤改为矿石甚至煤矸石时，需要重新进行校准才能称重，而校准往往很复杂，耗力大，耗时长，另外，放射源需要配置辐射剂量专用测量设备，工作人员享受特殊保健并需要定期检查身体等。

这些原因都导致了企业生产成本的增加，经济效益的缩小。

需要一种解决或至少改善现有技术中固有的一个或多个问题的皮带称重方法。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种基于图像技术的皮带称重方法，该方法成本低，装置组件少，安装简单，维护工作量小，并且安装灵活，测量精度满足需求。

根据一种实施例形式，提供一种基于图像技术的皮带称重方法，该称重方法装置由皮带转动传感器、激光源、CCD成像系统、预装有软件的计算机及连接CCD成像系统和计算机的光缆组成；皮带转动传感器提供皮带转速；激光源和CCD成像系统均在皮带上方，激光源向称重区域至少投射2条平行激光束，平行激光束与皮带面有大于0度小于90度的夹角，平行激光束将称重区域离散成多个小块，计算机控制CCD成像系统每隔Δt时间摄取一幅称重区域光斑图像，根据光斑图像中光斑像点的位置计算每个小区块的物料高度h_i，进而得到称重区域的物料重量ΔG，累加每次称重区域物料重量ΔG即得到当前时刻皮带上总的重量G_t，具体包括如下步骤：

A.测量装置安装完毕后，首先对测量系统光斑像点位置与光斑相对于皮带面来说的高度之间的等量关系进行拟合；

B.计量开始后，计算机控制CCD成像系统每隔Δt时间摄取一幅称重区域光斑的图像，并将图像信号传送给计算机；

C.计算机对光斑图像进行处理，得到光斑像点位置，依据步骤A拟合的等量关系计算光斑处物料的高度；

D.计算由光斑将称重区域离散成的每个小区块的物料高度h_i；

E.由下式计算称重区域物料的重量ΔG，并将其存贮；

ΔG = Σ_{i = 1}^{N} h_{i} \cdot w_{i} \cdot v \cdot Δt \cdot ρ

其中：其中w_i为小区块的宽度，v为皮带转动速度，Δt为CCD成像系统摄取图像间隔，ρ为物料的体密度；

F.累加每次E的结果，即为从计量开始到当前采样时刻皮带上总的重量G_t，G_t＝G_t-1+ΔG，G_t-1为t-1时刻时皮带上物料的总重量。

在进一步特定的但非限制性的形式中，称重区域面积大小为w×v×Δt，其中，w为皮带宽度。

优选地，称重区域位于下方有托辊支撑的皮带面处。

在进一步特定的但非限制性的形式中，小区块面积大小为Δt×v×w_i，w_i为相邻两激光器间的间距。

在进一步特定的但非限制性的形式中，步骤A等量关系由下式描述：

h = \frac{ad}{d + b}

其中，h为光斑所在处的物料相对于皮带面的高度，a，b为测量系统参数，d为光斑像点相对于参考像点的像素偏移量，其中，参考像点为光斑位于皮带面时的像点。

有利的是，测量系统参数a＝H₀，其中，f为镜头焦距，L为光斑与光轴与皮带面交点连线的距离，H₀为镜头光心到皮带面的垂直距离，θ为激光束与皮带面夹角。

优选地，测量系统参数a，b由最小二乘法拟合得到。

在进一步特定的但非限制性的形式中，步骤D小区块的物料高度为该区块相邻两光斑物料高度的平均值；步骤D小区块的物料高度为该区块相邻光斑在前一采样时刻和当前采样时刻物料高度的平均值，其中前一采样时刻为t-1时刻，当前时刻为t时刻，时间差为Δt即采样间隔。

有利的是，称重区域大小可动态调整，当皮带速度改变时，可调整采样间隔时间来保持称重区域大小不变，也可根据精度要求调整称重区域大小。

有利的是，根据步骤E的存贮，可以查询从计量开始后到当前计量时刻任意时间段内的皮带物料运送量，并可生成运料报表。

附图说明

通过以下说明，附图实施例变得显而已见，其仅以结合附图描述的至少一种优选但非限制性实施例的示例方式给出。

图1示出了一种基于图像技术的皮带称重方法装置结构原理图；

图2示出了一种基于图像技术的皮带称重方法光斑处物料高度测量原理示意图；

图3示出了一种基于图像技术的皮带称重方法小区块物料高度计算示意图；

图4示出了一种基于图像技术的皮带称重方法小区块物料高度计算示意图；

具体实施方式

图1示出了一种基于图像技术的皮带称重方法装置结构原理图。如图1所示，至少2个以上的激光器103在皮带宽度范围内成直线排列在皮带上方并与皮带宽度线平行，向皮带面102投射平行激光束104且当皮带为空时在其上形成相应光斑106(如图1a所示)；每束激光束104与皮带面102有大致相等的夹角θ，且θ小于90度。CCD成像系统105位于皮带上方中线位置其光轴垂直皮带面，所有光斑均在摄像机视场内，CCD为面阵型的，优选方阵。当皮带上有物料时，光斑位于物料上(如图1b所示)，此时光斑离CCD镜头中心的距离发生改变，光斑在CCD上的成像点位置也发生改变，通过光斑在CCD上成像点位置的改变可以确定光斑点处物料的高度。

图2示出了一种基于图像技术的皮带称重方法光斑点处物料高度测量原理示意图。如图2所示，当皮带为空时，激光器103发射的激光束在皮带面202形成光斑201，在CCD面阵上的像点为204，当皮带上有物料时，激光束发射单元103发射的激光束则在物料面上形成激光光斑207，在CCD面阵上的像点为205，由激光光斑位置和CCD成像系统的几何位置关系，根据成像原理，光斑点207处的物料高度h为：

h = \frac{ad}{d + b},

a＝H₀，

b = fctgθ + \frac{fL}{H_{0}}

其中，d为像点204与像点205的距离，f为镜头焦距，L为光斑201到光轴与皮带面交点206的连线距离，H₀为镜头光心203到皮带面的垂直距离，即203与206之间连线距离。

将每个激光器发射的激光束在空皮带时形成的光斑距光轴与皮带面交点206的连线距离代入式中即得该激光器所发射的激光束形成的光斑所在处的物料高度测量模型。

当摄像机以Δt时间间隔采样光斑图像时，采样间隔时间Δt内对应皮带上大小为w×v×Δt区域，其中v为皮带转动速度，w为皮带宽度，此即为称重区域，此时光斑像点位置反映了称重区域物料高度信息，通过光斑图像计算出称重区域物料的高度即可计算出采样间隔Δt时间内称重区域物料重量，由于称重区域物料表面是起伏的，意味着物料表面高度是变化的，因此用平行光束将称重区域离散成多个小块来计算，每个小块的大小为Δt×v×w_i，其中w_i为相邻两激光器间的间距，连续采样并累加每个采样间隔时间Δt内物料的重量，即可得到从计时开始到当前时刻皮带上的物料总重量。

称重区域皮带在物料重力作用下会下沉，为减小皮带下沉给称重带来的误差，称重区域优选在下方有托辊支撑的皮带面处。

为提高计量精度并且避免精确定位光斑在空皮上的位置和CCD光轴的位置以及CCD镜头精确聚焦，测量装置安装后对每个激光器所产生的光斑的物料高度测量模型中的参数a和b用实际的物理位置进行拟合，拟合步骤如下：

A1.对于每个光斑，先摄像取光斑位于皮带面上时的光斑图像，再获取位于测量范围内至少3个不同高度位置处的光斑图像，优选地，为5个高度位置；

A2.基于步骤A1获取的图像，确定不同高度位置处光斑像点位置；

A3.以位于皮带面上的光斑像点位置为参考点，计算其它光斑像点与之的像素偏移量；

A4.用最小二乘法求解得到参数a和b；

测量装置标定后，即可进行称重。

具体称重过程包括如下步骤：

A.首先用最小二乘法拟合光斑像点位置与光斑相对于皮带面来说的高度之间的等量关系；

D.计算由光斑将称重区域离散成的每小区块的物料高度h_i；

E.由下式计算称重区域物料的重量ΔG，并将其加以存贮，

ΔG = Σ_{i = 1}^{N} h_{i} \cdot w_{i} \cdot v \cdot Δt \cdot ρ

其中：ρ为物料的体密度；

F.累加每次E的结果，即为从计量开始到当前采样时刻皮带上总的运料量G_t，G_t＝G_t-1+ΔG，G_t-1为t-1时刻时皮带上物料的总重量。

采样间隔Δt大小可根据测量精度来选取，在满足测量精度的前提下，应尽可能选大，以避免系统处理数据量过大，另外，当皮带速度改变时，可通过调整Δt来维持称重区域恒定。

步骤E数据保存的好处在于，可以利用其查询任一时间段内的物料重量并形成运送量报表等。

小区块的物料高度可为该区块当前采样时刻相邻两光斑处物料高度的平均值，图3示出了这种计算示意图。小区块1的煤位高度为光斑301的煤位高度和光斑302的煤位高度的平均，小区块2的煤位高度为光斑302的煤位高度和光斑303的煤位高度的平均，依此类推。

为进一步提高测量精度，小区块的物料高度可为该区块相邻光斑在前一采样时刻和当前采样时刻物料高度的平均值；其中前一采样时刻为t-1时刻，当前时刻为t时刻，时间差为Δt即采样间隔。图4示出了这种计算示意图。小区块1的煤位高度为光斑302、光斑304、光斑301和光斑3034个点的煤位高度的平均值，依此类推其后小区块的煤位高度。

Claims

1.一种基于图像技术的皮带称重方法，包括皮带转动传感器、激光源、CCD成像系统、预装有软件的计算机及连接CCD成像系统和计算机的传输光缆，激光源和CCD成像系统均在皮带上方，其特征在于：激光源向称重区域至少投射2条平行激光束，平行激光束与皮带面有大于0度的夹角，平行激光束将称重区域离散成多个小块，计算机控制CCD成像系统每隔Δt时间摄取一幅称重区域光斑图像，根据光斑图像中光斑像点的位置计算每个小区块的物料高度h_i，进而得到称重区域的物料重量ΔG，累加每次称重区域物料重量ΔG即得到当前时刻皮带上总的重量G_t，具体包括如下步骤：

A.测量装置安装完毕后，首先对测量系统光斑像点位置相对于参考像点位置的像素偏移量与光斑相对于皮带面来说的高度之间的等量关系进行拟合，所述等量关系式为：

h = \frac{ad}{d + b}

其中，h为光斑所在处的物料相对于皮带面的高度，a，b为测量系统参数，d为光斑像点相对于参考像点的像素偏移量，其中，参考像点为光斑位于皮带面时的像点；

E.由下式计算称重区域物料的重量ΔG，并将其存贮；

ΔG = Σ_{i = 1}^{N} h_{i} \cdot w_{i} \cdot v \cdot Δt \cdot ρ

其中：w_i为小区块的宽度，v为皮带转动速度，Δt为CCD成像系统摄取图像间隔，ρ为物料的体密度；

F.累加每次E的结果，即为从计量开始到当前采样时刻皮带上总的重量G_t，G_t＝G_t-1+ΔG，G_t-1为t-1时刻皮带上物料的总重量。

2.根据权利要求1所述方法，测量系统参数a，b用最小二乘法拟合得到。

3.根据权利要求1所述方法，步骤D小区块的物料高度为相邻两光斑物料高度的平均值。

4.根据权利要求1所述方法，步骤D小区块的物料高度为相邻两光斑在前一采样时刻和当前采样时刻物料高度的平均值。

5.根据权利要求1所述方法，称重区域大小是可调整的。

6.根据权利要求1所述方法，称重区域位于下方有托辊支撑的皮带面处。

7.根据权利要求1所述方法，根据步骤E的存贮，可以查询从计量开始后到当前计量时刻任意时间段内的皮带物料运送量，并可生成运料报表。

8.根据权利要求1所述方法，称重区域面积大小为w×v×Δt，其中，w为皮带宽度。

9.根据权利要求1所述方法，测量系统参数a＝H₀，其中，f为镜头焦距，L为光斑与光轴与皮带面交点连线的距离，H₀为镜头光心到皮带面的垂直距离，θ为激光束与皮带面夹角。