CN108593062A - 基于条纹投影的带式输送机在线称重设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于散装物料连续计量技术领域，具体公开了一种基于条纹投影的带式输送机在线称重设备及测试方法，具体技术方案为：包括机械支架系统、条纹投影采集系统、测速系统和数据处理系统。机械支架系统用于放置条纹投影采集系统及布置数据传输线路以连接条纹投影采集系统和数据处理系统进行数据传输，条纹投影采集系统将计算机生成的N帧正弦结构光经数字光投影仪(DLP)以一定帧速度顺序投影于输送机的散料表面，CCD同步拍摄受散料堆积高度调制的变形条纹图，测速系统测量输料皮带平移速度，数据处理系统根据变形条纹、皮带速度、系统参数计算散料重量，并向用户输出测量结果。

Description

基于条纹投影的带式输送机在线称重设备及测试方法

技术领域

本发明属于散装物料连续计量技术领域，具体涉及一种基于条纹投影的带式输送机在线称重设备及测试方法。

背景技术

散装物料的在线称重设备的应用量大、面广，就行业而言，广泛应用于大宗散装物料的加工、利用、储存、运输行业，诸如煤炭、冶金、电厂、焦化厂、水泥厂、药厂、烟厂、建材、化肥、碱厂、盐厂等大量散装物料加工、利用企业以及码头、仓库等大量散装物料运输、储存企业。就应用目的而言，可用于生产管理、指导结算，组成各种配料系统和自动控制系统等。

散装物料的在线称重设备习惯上称为“皮带秤”。目前比较成熟且应用广泛的皮带秤，有“电子皮带秤”和“核子秤”2种。电子皮带秤利用压力传感器，来测定输料皮带上物料的重量，是接触式测量，测量结果不可避免要受皮带张力、刚度、自重、倾斜等多种因素影响，为保证准确性，不得不精细地维护，频繁地校验，所以实际使用时，维护工作十分繁重，而且准确性却并不如标定实验所给出的那么好，它有“伪高精度”的缺陷。核子秤是利用射线透射物料时的减弱规律与物料的质量厚度有关，来实现测量的是不接触式测量有许多优点。但是，核子秤存在“形状误差”缺陷，有人实际测定了2块砖平铺与2块砖叠放在一起两种情况下核子秤的测量结果，发现同样是2块砖，只是堆积形状不同，核子秤给出的结果却不一样，叠放起来时的结果明显比并排放时要小，两者之差高达17％。存在“形状误差”是核子秤测量原理所致，决定了核子秤测量准确性比较差。

此外，电子皮带秤和核子秤是累计型连续称重设备，能比较准确给出长时间内，大批量物料的总重量，无法准确给出短时间内物料的“瞬时量”。显然，难以满足要求能提供物料准确“瞬时量”的应用场合。

发明内容

为解决现有技术“电子皮带秤”和“核子秤”存在的缺陷，本发明提供了一种基于条纹投影的带式输送机在线称重设备及测试方法，它把“在线称重”问题转化成“在线测量堆积体积”问题，利用光学三维传感中基于条纹投影的主动三维面型测量技术，实现输送带上散装物料的体积及重量测量。它的显著有点在于：非接触测量、结构简单、安装简便、故障率低、适应性好、维护工作量小，而且不存在“形状误差”缺陷，即测量结果不会受散装物料堆积形状的影响，因而称量准确性好。另外，还能准确给出短时间内物料的“瞬时量”。本发明是连续计量输送皮带上散装物料重量的理想设备。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于条纹投影轮廓术的一种带式输送机物料输送在线称重设备，其特征在于：包括机械支架系统(1)、条纹投影采集系统(2)、测速系统(3)和数据处理系统(4)；

条纹投影采集系统(2)包括数字光投影仪DLP(21)和CCD相机(22)；

测速系统(3)包括安装在测速滚筒上的测速传感器(31)；

数据处理系统(4)包括基于正弦结构光的实时体积检测模块(41)和重量计算模块(42)；

机械支架系统(1)用于放置条纹投影采集系统(2)及布置数据传输线路以连接投影拍摄系统(2)和数据处理系统(4)进行数据传输，条纹投影采集系统(2)将计算机生成的测量所需光栅像投影于被测物体表面，拍摄受物体高度调制的变形条纹图，测速系统(3)测量输料皮带平移速度，数据处理系统(4)从条纹投影采集系统(2)、测速系统(3)采集变形条纹图像、皮带速度等参数，进行数据处理，向用户输出测量结果。

进一步地，所述机械支架系统(1)包括主体支撑架(11)和投影拍摄集成盒(12)，所述主体支撑架(11)呈塔形，两侧各呈相同角度斜置一支支撑臂(111)、(112)，支撑臂(111)、(112)下布置有脚座(113)、(114)，两支撑臂上端固定支承一矩形槽架(115)，用于放置投影拍摄集成盒(12)；

所述投影拍摄集成盒(12)底面开有DLP开口(121)、CCD开口(122)方便条纹投影采集系统进行投影拍摄，还开有穿线孔(123)、(124)方便数据线及电源线路布置。

进一步地，所述支撑臂(111)、(112)采用侧壁开口方管型材，方便数据线及电源线路布置。

进一步地，所述脚座(113)、(114)同样采用方管型材，脚座(113)、(114)与支撑臂(111)、(112)采用焊接连接，接口处脚座(113)、(114)上开有穿线孔(1131)、(1141)方便布线。

进一步地，所述矩形槽架(115)由三角型材焊接而成，矩形槽架(115)与支撑臂(111)、(112)采用焊接连接，接口处矩形槽架(115)上开有穿线孔(1151)、(1152)方便布线。

本发明保护的另一个技术方案是基于条纹投影的带式输送机在线称重设备的测试方法，测试步骤如下：

步骤1)先以空载皮带为投影参考面，带式输送机5先空载运行，条纹投影采集系统2中DLP21以一定帧速度循环投影5帧正弦条纹图于皮带表面，该5帧正弦条纹图由计算机编码生成，其透过率可表示为：

其中(x′,y′)表示图像坐标系，a、b为常数，f为光栅频率。

控制CCD 22同步获取5帧变形光栅像，具体可表示为：

上式中(x,y)表示摄像系统坐标系，R(x,y)表示物体表面反射率分布，A(x,y)为背景光，B(x,y)为条纹的对比度，其中表示皮带表面条纹的相位分布，f₀为采集到的光栅像基频，φ₀(x,y)为皮带表面产生的相位调制，即皮带“上”表面相位；

皮带表面条纹的相位分布可通过以下公式算得：

步骤2)带式输送机5负载运行，条纹投影采集系统2中DLP21以一定帧速度循环投影公式(A)所述的5帧正弦条纹图于散料表面，控制CCD同步获取的N帧变形光栅像，在某一瞬时时刻，CCD22同步获取的5帧变形光栅像可表示为：

上式中(x,y)表示摄像系统坐标系，R(x,y)表示物体表面反射率分布，A(x,y)为背景光，B(x,y)为条纹的对比度，表示散料表面变形条纹的相位分布，f₀为采集到的光栅像基频，φ(x,y)为堆积散料表面产生的相位调制；

散料表面条纹的相位分布可通过以下公式算得：

散料上下表面的相位差：

散料高度分布函数h(x,y)可通过以下公式得到：

其中a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系统参数，可通过系统标定得到；

步骤3)通过摄像机标定，将h(x,y)中的像素坐标(x,y)转换成世界坐标(X,Y),得到散料的真实高度分布h(X,Y),在被测区域D对高度函数h(X,Y)进行二重积分即可得到被测区域D散料6的体积：

V＝∫∫_Dh(X,Y)dXdY

步骤4)结合从测速系统3获取的皮带速度v、已知的散料6堆积密度ρ和被测区域D在X方向上的长度l进行数据处理，实时向用户输出被测散料6任一时刻的瞬时量Q(单位时间内的输送重量)，

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一、本发明把“在线称重”问题转化成“在线测量堆积体积”问题，利用数字光栅投影这种不接触测量技术，实现输送带上散装物料的称量。

二、本发明不但具有不接触测量方案的优点:结构简单，安装简便，故障率低，适应性好，维护工作量小，而且不存在“形状误差”缺陷，即测量结果不会受散装物料堆积形状的影响，因而称量准确性好。

三、本发明满足能提供物料准确“瞬时量”的应用场合，准确给出短时间内物料的“瞬时量”。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明的立体图。

图2为图1中条纹投影采集系统和机械支架系统的主视图。

图3为图1中投影拍摄集成盒剖视图及其内部放置的条纹投影采集系统立体图。

图4为图1中机械支架系统中槽架的立体图。

图5为图1中机械支架系统中支撑臂的立体图。

图6为图1中机械支架系统中脚座的立体图。

图7为空载皮带的仿真图。

图8为皮带负载后的仿真图。

图9为CCD拍摄到的第一帧空皮带条纹强度分布。

图10为皮带负载后，CCD拍摄到的第一帧散料表面条纹强度分布。

图11为空皮带表面条纹的相位计算结果。

图12为散料表面条纹的相位计算结果。

图13为散料上下表面的相位差(散料高度对条纹的相位调制)。

图中，1为机械支架系统。11为主体支撑架，111、112为支撑臂，113、114为脚座，1131、1141为穿线孔，115为槽架，1151、1152为穿线孔。12为投影拍摄集成盒，121为DLP开口，122为CCD开口，123、124为穿线孔。2为条纹投影采集系统，21为数字光投影仪DLP，22为CCD相机。3为测速系统，31为测速传感器。4为数据处理系统。5为带式输送机，51、52为托辊组，53为皮带。6为输送散料。

具体实施方式

如图1和图2所示，基于条纹投影的带式输送机在线称重设备，包括机械支架系统1、条纹投影采集系统2、测速系统3和数据处理系统4。机械支架系统1用于放置条纹投影采集系统2及布置数据传输线路以连接条纹投影采集系统2和数据处理系统4进行数据传输。投影拍摄系统2将计算机生成的测量所需正弦条纹图投影于堆积散料表面，CCD拍摄受散料表面调制的变形条纹图，测速系统3测量输料皮带平移速度，数据处理系统4从条纹投影采集系统2、测速系统3系统采集变形条纹图像、皮带速度等参数，进行数据处理，向用户输出测量结果。

如图1和图2所示，机械支架系统1包括主体支撑架11和投影拍摄集成盒12，主体支撑架11主要用来支撑放置投影拍摄集成盒12，投影拍摄集成盒12内放置条纹投影采集系统2。

如图3所示，条纹投影采集2包括数字光投影仪(DLP)21和CCD 22，DLP21投影光强分布呈正弦规律变化的条纹图于散料表面，由CCD 22拍摄受散料表面高度调制的变形条纹图。

如图1所示，测速系统3包括安装在测速滚筒上的测速传感器31，测速滚筒安装在回程皮带的上表面，消除了皮带打滑造成的影响。测速系统可实现对带速的实时检测。

数据处理系统4包括基于正弦结构光的实时体积检测模块41和重量计算模块42，体积检测模块41接收条纹投影采集系统2传送的变形条纹图像，采用满周期等步长相移算法计算皮带上散料高度分布，再根据事先标定好的CCD参数及系统参数计算固定条纹投影区域散料体积。重量计算模块42根据散料体积、密度及皮带速度向用户输出散料重量。

如图1所示，条纹投影采集系统2、测速系统3分别与数据处理系统4通过数据线连接进行数据传输，数据处理系统4分别从条纹投影采集系统2、测速系统3获取变形条纹图像和皮带运行速度，数据处理系统4从变形条纹图像中解调物体的高度信息进一步计算得到散料堆积体积，结合已知堆积密度即可得到拍摄有效区域内散料重量，和已获得的运行速度进行数据处理最终得到短时间内的输送量。

如图1、图2、图3和图4所示，机械支架系统1中主体支撑架11呈塔形，两侧各呈相同角度斜置一支支撑臂111、112，支撑臂111、112下布置有脚座113、114，两支撑臂上端固定支承一矩形槽架115，用于放置投影拍摄集成盒12，投影拍摄集成盒12底面开有投影仪开口121、相机开口122方便投影拍摄系统进行投影拍摄，还开有穿线孔123、124方便数据线及电源线路布置。

如图1-8所示，支撑臂111、112采用侧壁开口方管型材，方便数据线及电源线路布置，脚座113、114同样采用方管型材，脚座113、114与支撑臂111、112采用焊接连接，接口处脚座113、114上开有穿线孔1131、1141方便布线，矩形槽架115由三角型材焊接而成，矩形槽架115与支撑臂111、112采用焊接连接，接口处矩形槽架115上开有穿线孔1151、1152方便布线。

如图1所示，机械支架系统1放置于带式输送机5的两组托辊组51、52之间，条纹投影采集系统2中DLP 21和CCD 22的电源线穿过投影拍摄集成盒12的穿线孔123和槽架115的穿线孔1151进入支撑臂111方管内，继续穿过脚座113的穿线孔1131进入脚座113方管内，从脚座113方管内穿出与外部电源连接。条纹投影采集系统2中DLP 21和CCD 22的数据线穿过投影拍摄集成盒12的穿线孔124和槽架115的穿线孔1152进入支撑臂112方管内，继续穿过脚座114的穿线孔1141进入脚座114方管内，从脚座114方管内穿出与数据处理系统4连接。测速系统3中测速传感器31通过数据线与数据处理系统4连接。

如图1、7、8、9和10所示，以空载皮带为投影参考面，带式输送机5先空载运行，条纹投影采集系统2中DLP21以一定帧速度循环投影5帧正弦条纹图于皮带表面，该5帧正弦条纹图由计算机编码生成，其透过率可表示为：

其中(x′,y′)表示图像坐标系，a、b为常数，f为光栅频率。

控制CCD 22同步获取5帧变形光栅像，具体可表示为：

上式中(x,y)表示摄像系统坐标系，R(x,y)表示物体表面反射率分布，A(x,y)为背景光，B(x,y)为条纹的对比度，其中表示皮带表面条纹的相位分布，f₀为采集到的光栅像基频，φ₀(x,y)为皮带表面产生的相位调制，即皮带“上”表面相位。

皮带表面条纹的相位分布可通过以下公式算得：

带式输送机5负载运行，条纹投影采集系统2中DLP21以一定帧速度循环投影公式(A)所述的5帧正弦条纹图于散料表面，控制CCD同步获取的N帧变形光栅像，在某一瞬时时刻，CCD22同步获取的5帧变形光栅像可表示为：

上式中(x,y)表示摄像系统坐标系，R(x,y)表示物体表面反射率分布，A(x,y)为背景光，B(x,y)为条纹的对比度，表示散料表面变形条纹的相位分布，f₀为采集到的光栅像基频，φ(x,y)为堆积散料表面产生的相位调制。

散料表面条纹的相位分布可通过以下公式算得：

散料上下表面的相位差：

散料高度分布函数h(x,y)可通过以下公式得到：

其中a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系统参数，可通过系统标定得到。

通过摄像机标定，将h(x,y)中的像素坐标(x,y)转换成世界坐标(X,Y),得到散料的真实高度分布h(X,Y),在被测区域D对高度函数h(X,Y)进行二重积分即可得到被测区域D散料6的体积：

V＝∫∫_Dh(X,Y)dXdY

再结合从测速系统3获取的皮带速度v、已知的散料6堆积密度ρ和被测区域D在X方向上的长度l进行数据处理，实时向用户输出被测散料6任一时刻的瞬时量Q(单位时间内的输送重量)。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.基于条纹投影的带式输送机在线称重设备，其特征在于：包括机械支架系统(1)、条纹投影采集系统(2)、测速系统(3)和数据处理系统(4)；

条纹投影采集系统(2)包括数字光投影仪DLP(21)和CCD相机(22)；

测速系统(3)包括安装在测速滚筒上的测速传感器(31)；

数据处理系统(4)包括基于正弦结构光的实时体积检测模块(41)和重量计算模块(42)；

机械支架系统(1)用于放置条纹投影采集系统(2)及布置数据传输线路以连接投影拍摄系统(2)和数据处理系统(4)进行数据传输，条纹投影采集系统(2)将计算机生成的测量所需光栅像投影于被测物体表面，拍摄受物体高度调制的变形条纹图，测速系统(3)测量输料皮带平移速度，数据处理系统(4)从条纹投影采集系统(2)、测速系统(3)采集变形条纹图像、皮带速度等参数，进行数据处理，向用户输出测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于条纹投影的带式输送机在线称重设备，其特征在于：所述机械支架系统(1)包括主体支撑架(11)和投影拍摄集成盒(12)，

所述主体支撑架(11)呈塔形，两侧各呈相同角度斜置一支支撑臂(111)、(112)，支撑臂(111)、(112)下布置有脚座(113)、(114)，两支撑臂上端固定支承一矩形槽架(115)，用于放置投影拍摄集成盒(12)；

所述投影拍摄集成盒(12)底面开有DLP开口(121)、CCD开口(122)方便条纹投影采集系统进行投影拍摄，还开有穿线孔(123)、(124)方便数据线及电源线路布置。

3.根据权利要求2所述的基于条纹投影的带式输送机在线称重设备，其特征在于：所述支撑臂(111)、(112)采用侧壁开口方管型材，方便数据线及电源线路布置。

4.根据权利要求2所述的基于条纹投影的带式输送机在线称重设备，其特征在于：所述脚座(113)、(114)同样采用方管型材，脚座(113)、(114)与支撑臂(111)、(112)采用焊接连接，接口处脚座(113)、(114)上开有穿线孔(1131)、(1141)方便布线。

5.根据权利要求2所述的基于条纹投影的带式输送机在线称重设备，其特征在于：所述矩形槽架(115)由三角型材焊接而成，矩形槽架(115)与支撑臂(111)、(112)采用焊接连接，接口处矩形槽架(115)上开有穿线孔(1151)、(1152)方便布线。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于条纹投影的带式输送机在线称重设备的测试方法，其特征在于，测试步骤如下：

步骤1)先以空载皮带为投影参考面，带式输送机5先空载运行，条纹投影采集系统2中DLP21以一定帧速度循环投影5帧正弦条纹图于皮带表面，该5帧正弦条纹图由计算机编码生成，其透过率可表示为：

其中(x′,y′)表示图像坐标系，a、b为常数，f为光栅频率。

控制CCD22同步获取5帧变形光栅像，具体可表示为：

上式中(x,y)表示摄像系统坐标系，R(x,y)表示物体表面反射率分布，A(x,y)为背景光，B(x,y)为条纹的对比度，其中表示皮带表面条纹的相位分布，f₀为采集到的光栅像基频，φ₀(x,y)为皮带表面产生的相位调制，即皮带“上”表面相位；

皮带表面条纹的相位分布可通过以下公式算得：

步骤2)带式输送机5负载运行，条纹投影采集系统2中DLP21以一定帧速度循环投影公式(A)所述的5帧正弦条纹图于散料表面，控制CCD同步获取的N帧变形光栅像，在某一瞬时时刻，CCD22同步获取的5帧变形光栅像可表示为：

上式中(x,y)表示摄像系统坐标系，R(x,y)表示物体表面反射率分布，A(x,y)为背景光，B(x,y)为条纹的对比度，表示散料表面变形条纹的相位分布，f₀为采集到的光栅像基频，φ(x,y)为堆积散料表面产生的相位调制；

散料表面条纹的相位分布可通过以下公式算得：

散料上下表面的相位差：

散料高度分布函数h(x,y)可通过以下公式得到：

其中a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)为系统参数，可通过系统标定得到；

步骤3)通过摄像机标定，将h(x,y)中的像素坐标(x,y)转换成世界坐标(X,Y),得到散料的真实高度分布h(X,Y),在被测区域D对高度函数h(X,Y)进行二重积分即可得到被测区域D散料6的体积：

V＝∫∫_Dh(X,Y)dXdY

步骤4)结合从测速系统3获取的皮带速度v、已知的散料6堆积密度ρ和被测区域D在X方向上的长度l进行数据处理，实时向用户输出被测散料6任一时刻的瞬时量Q(单位时间内的输送重量)，