CN105059868A - 一种矿用带式输送机断带检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用带式输送机断带检测装置以及检测方法，装置包括图像采集模块、防爆外壳、超微计算机模块和本安型电源，所述图像采集模块为矿用防爆摄像头，防爆摄像头的拍摄方向朝向皮带张紧滚筒。本发明中检测装置与张紧滚筒之间没有相对运动，无论带式输送机处于何种状态，摄像头拍摄到的滚筒位置不变，提高了检测参数的准确性和可靠性，且仅需一个装置，避免了多检测装置之间的数据冗余与矛盾。本发明中的检测方法通过对图像进行边缘检测，将实时监测到的皮带边缘点坐标与划定的带式输送机正常运行区域范围进行比较，判断是否断带；并对图像进行了滤波、压缩和去噪处理，因此判断精度更高，判断速度更快。

Description

一种矿用带式输送机断带检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种矿用带式输送机断带检测装置及检测方法，具体涉及一种基于图像的矿用带式输送机断带检测装置及方法，属于矿用带式输送机断带保护技术领域。

背景技术

矿用带式输送机断带情况时有发生，造成的后果极为严重。目前已有多种断带保护系统、方法及装置，断带保护就是通过检测装置检测到带式输送机断带之后，利用机械或者液压抓捕装置进行抓捕，防止带式输送机整体垮落，造成更大的煤矿安全事故。

断带检测装置需要准确、快速地判断带式输送机是否发生断带故障，然后发出相应动作指令；现有技术中常用的断带检测方法包括拉力传感器检测法、超声波检测法、X光检测法等，这些检测方法均需要在带式输送机沿线布置多个检测装置，但是多个监测装置检测到的数据经常存在冗余或矛盾的情况，且只要其中一个检测装置发生故障，整个系统就无法可靠工作，需要停止生产检修故障，费工费时，成本高昂，可靠性低。

中国专利CN203283810U、CN100594375C、CN102951426B、CN103910181A分别公开了四种基于图像的矿用皮带机巡检系统，通过在皮带上方或者下方安装皮带运行图像获取装置，并进行计算，判断当前皮带机的运行状况。但是这几个专利都存在以下缺陷：1.检测装置安装在皮带上方或者下方，当皮带发生断带时，如果检测装置不在断带点附近，往往无法第一时间判断皮带断带，由此可能造成灾难性后果；2.这些专利中所涉及的断带判断算法，没有考虑到皮带在准备运行、正常运行、准备停机以及停机情况下，以及带式输送机的不同张紧情况和不同负载情况下的运行情况，算法的可靠性不高；3.图像信号未能进行除噪和压缩处理，因此判断精度与判断速度大受影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种矿用带式输送机断带检测装置及检测方法，无需布置多个检测装置，系统简单，可以有效避免多个检测装置的传感数据之间存在的数据冗余或矛盾，检测准确性高；可以第一时间判断皮带断裂，判断速度快，方法可靠。

为了实现上述目的所采用的技术方案：一种矿用带式输送机断带检测装置，包括图像采集模块，其特征在于，还包括防爆外壳、超微计算机模块和本安型电源，所述图像采集模块为矿用防爆摄像头，矿用防爆摄像头、超微计算机和本安型电源均设置在防爆外壳内，防爆壳体通过支架安装在皮带张紧滚筒的支撑座上；超微计算机与带式输送机的主控制系统相连。

所述矿用防爆摄像头将带式输送机张紧滚筒处的情况实时拍摄，并将拍摄到的图像传输到超微计算机模块中；所述超微计算机模块对图像进行深度处理，根据带式输送机断带前后张紧滚筒处图像画面的不同，检测带式输送机是否发生断带，并将判断结果传输到带式输送机的主控制系统；所述矿用本安型电源采用AC127V/DC24V本安电源，将煤矿井下运用广泛的127V交流电转换成24V直流电，为上述矿用防爆摄像头和超微计算机模块供电。

所述超微计算机模块是基于SoC平台的片上计算机系统。计算机模块中设有核心处理器、RAM、ROM、网络通信接口等元件；所述网络通信接口是基于TCP/IP协议的数据传输接口，用于将超微计算机对图像的处理结果传输给带式输送机的主控制系统。

防爆壳体上与矿用防爆摄像头拍摄面相对应的面为防爆透明玻璃，其余面为钢板；防爆壳体上至少有两个喇叭口。矿用防爆摄像头透过防爆壳体一侧的防爆透明玻璃，将张紧滚筒附近的情况进行实时拍摄；防爆壳体上的喇叭口用于供电或者数据传输。

一种矿用带式输送机断带检测方法，包括以下步骤：

第一步、建立坐标系，以张紧滚筒的圆心为坐标原点，以张紧力的方向为x轴正方向，垂直于x轴向上的方向为y轴正方向，建立起平面二维坐标系；

第二步、设定带式输送机正常运行时，矿用防爆摄像头的拍摄区域范围；

第三步、图像除噪与压缩，

a、对现场采集到的图像进行二维小波包分解，获取图像的最优小波基；b、对图像进行小波包分解之后，利用小波包工具箱对信号进行压缩和去噪，获取压缩和去噪之后图像的近似部分；c、对图像进行重构；

第四步、边缘检测，在对信号进行除噪和压缩之后，利用乘性梯度算子进行图像边缘检测；

第五步、断带判断，将实时监测的边缘点x、y坐标与第二步中划定的带式输送机正常运行区域进行比较，若边缘点的x或y轴坐标中分别有至少10个点的坐标值超出上述区域，即判断为断带，否则即未断带。

所述小波包工具包是安装在超微计算机上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包。

本发明中的检测装置与张紧滚筒之间没有相对运动，因此无论带式输送机处于准备启动、正常运行、准备停机、停机或者张紧滚筒处于不同张紧位置时，摄像头拍摄到的滚筒位置不变，大大提高了检测参数的准确性和可靠性；且本发明中的检测方法通过对图像进行边缘检测，并对图像进行了滤波、压缩和去噪处理，因此判断精度更高，判断速度也得到了进一步提升。

附图说明

图1是本发明中矿用带式输送机断带检测装置的安装位置示意图；

图2是矿用带式输送机断带检测装置示意图；

图3是小波包分解示意图；

图4是本发明中矿用带式输送机断带检测方法的流程控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种矿用带式输送机断带检测装置，包括图像采集模块，其特征在于，还包括防爆外壳、超微计算机模块和本安型电源，所述图像采集模块为矿用防爆摄像头，矿用防爆摄像头、超微计算机和本安型电源均设置在防爆外壳内，防爆壳体通过支架安装在皮带张紧滚筒的支撑座上；超微计算机与带式输送机的主控制系统相连。

张紧滚筒1为皮带的张紧装置，因此将矿用带式输送机断带检测装置2安装在张紧滚筒1的支撑座上，使其与皮带滚筒无相对运动，摄像头拍摄到的滚筒位置不变。

所述矿用防爆摄像头将带式输送机张紧滚筒处的情况实时拍摄，并将拍摄到的图像传输到超微计算机模块中；所述超微计算机模块对图像进行深度处理，根据带式输送机断带前后张紧滚筒处图像画面的不同，检测带式输送机是否发生断带，并将判断结果传输到带式输送机的主控制系统；所述矿用本安型电源采用AC127V/DC24V本安电源，将煤矿井下运用广泛的127V交流电转换成24V直流电，为上述矿用防爆摄像头和超微计算机模块供电。

所述超微计算机模块是基于SoC平台的片上计算机系统。计算机模块中设有核心处理器、RAM、ROM、网络通信接口等元件；所述网络通信接口是基于TCP/IP协议的数据传输接口，用于将超微计算机对图像的处理结果传输给带式输送机的主控制系统。

防爆壳体上与矿用防爆摄像头拍摄面相对应的面为防爆透明玻璃，其余面为钢板；防爆壳体上至少有两个喇叭口。矿用防爆摄像头透过防爆壳体一侧的防爆透明玻璃，将张紧滚筒附近的情况进行实时拍摄；防爆壳体上的喇叭口用于供电或者数据传输。

一种矿用带式输送机断带检测方法如图4所示，包括以下步骤：

第一步、建立坐标系，以张紧滚筒的圆心为坐标原点，以张紧力的方向为x轴正方向，垂直于x轴向上的方向为y轴正方向，建立起平面二维坐标系；

第二步、设定带式输送机正常运行时，矿用防爆摄像头的拍摄区域范围；正常运行状态下，检测到的图像边缘大致贴合滚筒边缘，即使带式输送机负载突变或者正常抖动，滚筒与皮带的位置区域也应在正常区域范围；如果带式输送机在断带之后，盘绕在张紧滚筒上的皮带必然会发生松动超出上述范围区域。如图1所示，I为皮带正常运转状态，II为皮带断裂状态。

如图1所示，设张紧滚筒半径为r，当x<0时，规定正常运行区域为0.95r≤|y|≤1.05r；当x>0时，规定正常区域为r²≤x²+y²≤1.05r²。以张紧滚筒的圆心为坐标原点，x<0为其左侧的皮带检测区域，x>0为其右侧的皮带检测区域。

第三步、图像除噪与压缩，

a、对现场采集到的图像进行二维小波包分解，获取图像的最优小波基；小波包分解是在小波分解的基础上演变而来的，小波包变换不仅可以对图像信号的低频部分进行很好的分解，还能对高频部分做深入的分解，小波包分解算法如公式(1)所示。

$\begin{array}{c}{\&PartialD;}_{i,l}^j=\underset{k,m}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_1(k-2i)h_0(m-2l)s_{k,m}^{j-1}\\ {\mathrm{\&beta;}}_{i,l}^j=\underset{k,m}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_0(k-2i)h_1(m-2l)s_{k,m}^{j-1}\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{i,l}^j=\underset{k,m}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_1(k-2i)h_1(m-2l)s_{k,m}^{j-1}\\ s_{i,l}^j=\underset{k,m}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_0(k-2i)h_0(m-2l)s_{k,m}^{j-1}\end{array}---\left(1\right)$

如图3所示，本发明采用Db4小波包对图像进行3层分解，并利用Shannon熵作为信息代价函数，获取图像的最优小波基。

b、对图像进行小波包分解之后，利用小波包工具箱对信号进行压缩和去噪，获取压缩和去噪之后图像的近似部分；所述小波包工具包是安装在超微计算机上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包。

c、对图像进行重构；按照公式(2)进行图像重构。

$\begin{array}{c}{s}_{k,m}^{j-1}=\underset{i,l}{\mathrm{\&Sigma;}}{s}_{i,l}^j{h}_0(k-2i)h_0(m-2l)+\underset{i,l}{\mathrm{\&Sigma;}}{\&PartialD;}_{i,l}^j{h}_1(k-2i)h_0(m-2l)\\ +\underset{i,l}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&beta;}}_{i,l}^j{h}_0(k-2i)h_1(m-2l)+\underset{i,l}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&gamma;}}_{i,l}^j{h}_1(k-2i)h_1(m-2l)\end{array}---\left(2\right)$

其中，上标j、m表示x、y方向上的尺度，下标k、n表示x、y方向对应尺度下的位移；h₀和h₁分别表示为小波函数的低通和高通滤波器；i∈N。

第四步、边缘检测，在对信号进行除噪和压缩之后，利用乘性梯度算子进行图像边缘检测；乘性梯度算子是一种非牛顿微积分，受乘性导数概念的启发，设f为一幅二维图像，则f在(i,j)处的乘性偏导数为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&eta;}}_{x}f(i,j)=\frac{f(i+1,j)}{f(i,j)}\\ {\mathrm{\&eta;}}_{y}f(i,j)=\frac{f(x,j+1)}{f(i,j)}\end{array}---\left(3\right)$

定义点(i,j)处的乘性梯度为：

${\&dtri;}_{\mathrm{\&eta;}}f(i,j)=({\mathrm{\&eta;}}_{x}f(i,j),{\mathrm{\&eta;}}_{y}f(i,j))---\left(4\right)$

该梯度的模定义为：

$\left|{\&dtri;}_{\mathrm{\&eta;}}f(i,j)\right|={({\left(\frac{f(i+1,j)}{f(i,j)}\right)}^{\left\{2\right\}}\&CenterDot;{\left(\frac{f(i,j+1)}{f(i,j)}\right)}^{\left\{2\right\}})}^{\{1/2\}}---\left(5\right)$

式中：a^{2}＝a^lna，a>0，b>1。式(5)转变为：

$\left|{\&dtri;}_{\mathrm{\&eta;}}f(i,j)\right|=\exp \left(\sqrt{{\ln }^2\left(\frac{f(i+1,j)}{f(i,j)}\right)+{\ln }^2\left(\frac{f(i,j+1)}{f(i,j)}\right)}\right)---\left(6\right)$

式(6)为乘性梯度边缘检测算子，设定边缘阀值T，将梯度高于阀值的像素点定义为边缘点，否则为非边缘点。

第五步、断带判断，将实时监测的边缘点x、y坐标与第二步中划定的带式输送机正常运行区域范围进行比较，若边缘点的x或y轴坐标中分别有至少10个点的坐标值超出上述区域，即判断为断带，否则即未断带。

在本发明中仅需在带式输送机张紧滚筒处安装一个与张紧滚筒无相对运动的检测装置即可准确、快速、可靠地检测当前带式输送机是否发生断带，避免多个检测装置的传感数据之间存在的数据冗余或矛盾。

利用小波包二维图像分解算法对图像进行分解，并利用小波包工具箱进行去噪，然后利用小波包工具箱进行压缩，减小数据传输量，缩短系统响应时间，去噪和压缩之后利用小波包重构算法对信号进行重构；根据乘性梯度算子对重构后的信号进行边缘点检测，最后根据边缘点坐标值判断是否发生断带。整个算法流程在超微计算机中实现，响应时间短，判断迅速准确，算法可靠。

Claims (6)

1.一种矿用带式输送机断带检测装置，包括图像采集模块，其特征在于，还包括防爆外壳、超微计算机模块和本安型电源，所述图像采集模块为矿用防爆摄像头，矿用防爆摄像头、超微计算机和本安型电源均设置在防爆外壳内，防爆壳体通过支架安装在皮带张紧滚筒的支撑座上，防爆摄像头的拍摄方向朝向皮带张紧滚筒；超微计算机与地面上带式输送机的主控制系统相连。

2.如权利要求1所述的矿用带式输送机断带检测装置，其特征在于，所述超微计算机模块是基于SoC平台的片上计算机系统。

3.如权利要求2所述的矿用带式输送机断带检测装置，其特征在于，防爆壳体上与矿用防爆摄像头拍摄面相对应的面为防爆透明玻璃，其余面为钢板；防爆壳体设有用于供电或者数据传输的喇叭口。

4.如权利要求1至3任一权利要求所述的矿用带式输送机断带检测装置，其特征在于，矿用防爆摄像头上设有自动补光装置。

5.一种矿用带式输送机断带检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、建立坐标系，以张紧滚筒的圆心为坐标原点，以张紧力的方向为x轴正方向，垂直于x轴向上的方向为y轴正方向，建立起平面二维坐标系；

第二步、设定带式输送机正常运行时，矿用防爆摄像头的拍摄区域范围；

第三步、图像除噪与压缩，

a、对现场采集到的图像进行二维小波包分解，获取图像的最优小波基；b、对图像进行小波包分解之后，利用小波包工具箱对信号进行压缩和去噪，获取压缩和去噪之后图像的近似部分；c、对图像进行重构；

第四步、边缘检测，在对信号进行除噪和压缩之后，利用乘性梯度算子进行图像边缘检测；

第五步、断带判断，将实时监测的边缘点x、y坐标与第二步中划定的带式输送机正常运行区域进行比较，若边缘点的x或y轴坐标中分别有至少10个点的坐标值超出上述区域，即判断为断带，否则即未断带。

6.如权利要求5所述的矿用带式输送机断带检测方法，其特征在于，所述小波包工具包是安装在超微计算机上的Matlab软件中自带的图像分析与处理工具包。