CN109751962A - 一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
目前皮带机上动态煤体积计量的方法主要有电子皮带秤称重和料流传感器测高度的方法。这两种计量方法都存在误差较大，都存在少量煤时无法检测的问题，电子皮带秤还需要经常进行校准，可见这两种方法在大范围推广上具有局限性。其他煤体积计量方法处于试验研究阶段尚不成熟，故需要一种可行且能大范围应用于皮带机上的精准动态煤体积计量装置及方法。本发明采用激光斜射法三角测距原理得到煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量。本发明具有测量精度高、误差小的特点，能够实现皮带机上的精准动态煤体积计量。
Description
技术领域
本发明属于皮带输送机上动态煤体积计量领域，尤其涉及一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置及方法。
背景技术
目前皮带机上动态煤体积计量的方法主要有电子皮带秤称重和料流传感器测高度的方法。这两种计量方法都存在误差较大，都存在少量煤时无法检测的问题，电子皮带秤还需要经常进行校准，可见这两种方法在大范围推广上具有局限性。其他煤体积计量方法处于试验研究阶段尚不成熟，故需要一种可行且能大范围应用于皮带机上的精准动态煤体积计量装置及方法。
发明内容
为了解决现有技术中皮带机上煤体积无法实现高精度动态计量的问题，本发明采用激光斜射法三角测距原理得到煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量。本发明具有测量精度高、误差小的特点，能够实现皮带机上的精准动态煤体积计量。
本发明提出的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，包括固定支架、隔爆箱、反光板、CCD相机、结构光图案激光器和分析装置；固定支架包括扣件、立柱、滑槽、横梁；固定支架通过扣件扣合安装于皮带两侧圆管上，立柱插接于扣件上，横梁两端固定安装于立柱顶端，滑槽可在横梁上滑动且设置有紧固螺钉；隔爆箱上部箱盖通过螺栓与滑槽相连；隔爆箱一侧设有反光板安装臂，反光板则安装于安装臂上，反光板角度可调节；
CCD相机和结构光图案激光器成90度安装于隔爆箱内，隔爆箱上设置两个钢化玻璃透窗，一个透窗用于激光的透射，光线通过透窗投射到反光板上，调节反光板角度并固定，可改变光线的位置和范围，以使其能在CCD相机上完整成像，另一个透窗用于CCD相机的透视，以便通过其摄取图像，实现对被测目标图像的实时获取；分析装置则通过对目标图像数据的采集与处理得到煤体积。
进一步的，扣件包括扣合结构和套管，扣合结构由通过销钉转动连接的两个半圆柱组成，两个半圆柱开口端具有凸缘，扣合结构扣合后通过设置于凸缘上的螺栓固定；扣合结构上部半圆柱外壁设置有套管；
进一步的，CCD相机画幅宽度1.2-1.3米，帧率60fps，像素为500万，识别精度为1mm，相机采用GiGE数据接口，支持Poe供电；
进一步的，结构光图案激光器能够发出均匀一字线结构光，波长为520nm，出瞳功率为34mW，扇形角为75°，采用数字调制方式；
进一步的，结构光图案激光器发出一字线激光光斑，投射在皮带的煤上，煤轮廓发生变化后，光斑形状也随之改变，CCD相机则实时捕捉激光线条纹的情况；
进一步的，反光板为金属反光板；
进一步的，横梁具有多种长度以适应不同皮带宽度；
进一步的，立柱上方设计有导槽，横梁插入立柱上方导槽后固定；立柱上方导槽可以降低对安装精度的要求且有助于稳定。
本发明的基于机器视觉的煤体积动态计量装置的工作原理为结构光图案激光器发出一字线激光光斑，投射在皮带的煤上，煤轮廓发生变化后，光斑形状也随之改变，CCD相机则实时捕捉激光线条纹的情况，分析装置根据激光斜射法三角测距原理得到煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量。
本发明还提出的一种基于机器视觉的煤体积动态计量方法，其利用如上所述的煤体积动态计量装置，采用激光斜射法三角测距得到皮带上煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量；具体计量方法如下：
当相机垂直于被测物表面，激光器发出的光线与相机镜头光轴之间夹角为β，被测物体上激光线在图像传感器上所成的像距离传感器中心的距离为d，传感器与镜头间的距离为a，镜头与被测物下表面间的高度为H，则被测物高度h的计算公式为：
则煤轮廓面积S的计算公式为：
其中，h(x)表示截面上某点的高度，x0为参与计算的激光线条纹起点横坐标，x1为激光线条纹终点横坐标。
使用分辨率一定的图像传感器，x1-x0是一个固定值，即激光线条对应的像素个数是一定的，设为N，因此式(2)用离散数据形式表示为：
单位时间内煤的体积就是每个截面积的叠加，设皮带机为匀速运行，其速度为v，图像采集频率为f，则一定时间间隔(t0，t1)内体积V计算公式可以表达为：
结合式(3)可以得到V的离散形式为：
其中，M表示相机所采集的图像帧数，S(n)m代表第m帧图像的截面积。
至此，可以得到皮带上某段时间内煤的体积。
本发明具有很好的通用性，可适用于所有的煤矿皮带运输系统，可应用于动态煤体积的精确计量，具有能够对煤体积实时监测、精度高、安装方便的优点。
附图说明
图1激光斜射式结构示意图
图2装置整体结构三视图
图3扣件部分结构三视图
图4隔爆箱结构示意图
图中，1、隔爆箱；2、反光板；3、CCD相机；4、结构光图案激光器；5、扣件；6、立柱；7、滑槽；8、横梁；9、反光板安装臂；10、钢化玻璃透窗；11、扣合结构；12、套管；13、螺栓；14、箱盖。
具体实施方式
为使本领域人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合具体附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-4所示，本发明采用激光斜射法三角测距原理得到煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量。本发明具有测量精度高、误差小的特点，能够实现皮带机上的精准动态煤体积计量。
本发明提出的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，包括固定支架、隔爆箱1、反光板2、CCD相机3、结构光图案激光器4和分析装置；固定支架包括扣件5、立柱6、滑槽7、横梁8；固定支架通过扣件5扣合安装于皮带两侧圆管上，立柱6插接于扣件5上，横梁8两端固定安装于立柱6顶端，滑槽7可在横梁8上滑动且设置有紧固螺钉；隔爆箱1上部箱盖14通过螺栓与滑槽7相连；隔爆箱1一侧设有反光板安装臂9，反光板2则安装于安装臂9上，反光板2角度可调节；
CCD相机3和结构光图案激光器4成90度安装于隔爆箱1内，隔爆箱1上设置两个钢化玻璃透窗10，一个透窗用于激光的透射，光线通过透窗投射到反光板2上，调节反光板2角度并固定，可改变光线的位置和范围，以使其能在CCD相机3上完整成像，另一个透窗用于CCD相机3的透视，以便通过其摄取图像，实现对被测目标图像的实时获取；分析装置则通过对目标图像数据的采集与处理得到煤体积。
进一步的，扣件5包括扣合结构11和套管12，扣合结构11由通过销钉转动连接的两个半圆柱组成，两个半圆柱开口端具有凸缘，扣合结构11扣合后通过设置于凸缘上的螺栓13固定；扣合结构上部半圆柱外壁设置有套管12；
进一步的，CCD相机3画幅宽度1.2-1.3米，帧率60fps，像素为500万，识别精度为1mm，相机采用GiGE数据接口，支持Poe供电；
进一步的，结构光图案激光器4能够发出均匀一字线结构光，波长为520nm，出瞳功率为34mW，扇形角为75°，采用数字调制方式；
进一步的，结构光图案激光器4发出一字线激光光斑，投射在皮带的煤上，煤轮廓发生变化后，光斑形状也随之改变，CCD相机则实时捕捉激光线条纹的情况；
进一步的，反光板2为金属反光板；
进一步的，横梁8具有多种长度以适应不同皮带宽度；
进一步的，立柱6上方设计有导槽，横梁8插入立柱6上方导槽后固定；立柱上方导槽可以降低对安装精度的要求且有助于稳定。
本发明的基于机器视觉的煤体积动态计量装置的工作原理为结构光图案激光器发出一字线激光光斑，投射在皮带的煤上，煤轮廓发生变化后，光斑形状也随之改变，CCD相机则实时捕捉激光线条纹的情况，分析装置根据激光斜射法三角测距原理得到煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量。
本发明还提出的一种基于机器视觉的煤体积动态计量方法，其利用如上所述的煤体积动态计量装置，采用激光斜射法三角测距得到皮带上煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量；具体计量方法如下：
当相机垂直于被测物表面，激光器发出的光线与相机镜头光轴之间夹角为β，被测物体上激光线在图像传感器上所成的像距离传感器中心的距离为d，传感器与镜头间的距离为a，镜头与被测物下表面间的高度为H，则被测物高度h的计算公式为：
则煤轮廓面积S的计算公式为：
其中，h(x)表示截面上某点的高度，x0为参与计算的激光线条纹起点横坐标，x1为激光线条纹终点横坐标。
使用分辨率一定的图像传感器，x1-x0是一个固定值，即激光线条对应的像素个数是一定的，设为N，因此式(2)用离散数据形式表示为：
单位时间内煤的体积就是每个截面积的叠加，设皮带机为匀速运行，其速度为v，图像采集频率为f，则一定时间间隔(t0，t1)内体积V计算公式可以表达为：
结合式(3)可以得到V的离散形式为：
其中，M表示相机所采集的图像帧数，S(n)m代表第m帧图像的截面积。
至此，可以得到皮带上某段时间内煤的体积。
本发明具有很好的通用性，可适用于所有的煤矿皮带运输系统，可应用于动态煤体积的精确计量，具有能够对煤体积实时监测、精度高、安装方便的优点。
Claims (9)
1.一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，计量装置包括固定支架、隔爆箱、反光板、CCD相机、结构光图案激光器和分析装置；固定支架包括扣件、立柱、滑槽、横梁；固定支架通过扣件扣合安装于皮带两侧圆管上，立柱插接于扣件上，横梁两端固定安装于立柱顶端，滑槽可在横梁上滑动且设置有紧固螺钉；隔爆箱上部箱盖通过螺栓与滑槽相连；隔爆箱一侧设有反光板安装臂，反光板则安装于安装臂上，反光板角度可调节；
CCD相机和结构光图案激光器成90度安装于隔爆箱内，隔爆箱上设置两个钢化玻璃透窗，一个透窗用于激光的透射，光线通过透窗投射到反光板上，调节反光板角度并固定，可改变光线的位置和范围，以使其能在CCD相机上完整成像，另一个透窗用于CCD相机的透视，以便通过其摄取图像，实现对被测目标图像的实时获取；分析装置则通过对目标图像数据的采集与处理得到煤体积。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，扣件包括扣合结构和套管，扣合结构由通过销钉转动连接的两个半圆柱组成，两个半圆柱开口端具有凸缘，扣合结构扣合后通过设置于凸缘上的螺栓固定；扣合结构上部半圆柱外壁设置有套管。
3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，CCD相机画幅宽度1.2-1.3米，帧率60fps，像素为500万，识别精度为1mm，相机采用GiGE数据接口，支持Poe供电。
4.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，结构光图案激光器能够发出均匀一字线结构光，波长为520nm，出瞳功率为34mW，扇形角为75°，采用数字调制方式。
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，结构光图案激光器发出一字线激光光斑，投射在皮带的煤上，煤轮廓发生变化后，光斑形状也随之改变，CCD相机则实时捕捉激光线条纹的情况。
6.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，反光板为金属反光板。
7.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，横梁具有多种长度以适应不同皮带宽度。
8.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置，其特征在于，立柱上方设计有导槽，横梁插入立柱上方导槽后固定；立柱上方导槽可以降低对安装精度的要求且有助于稳定。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的基于机器视觉的煤体积动态计量装置的计量方法，其特征在于，采用激光斜射法三角测距得到皮带上煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量；具体计量方法如下：
当相机垂直于被测物表面，激光器发出的光线与相机镜头光轴之间夹角为β，被测物体上激光线在图像传感器上所成的像距离传感器中心的距离为d，传感器与镜头间的距离为a，镜头与被测物下表面间的高度为H，则被测物高度h的计算公式为：
则煤轮廓面积S的计算公式为：
其中，h(x)表示截面上某点的高度，x0为参与计算的激光线条纹起点横坐标，x1为激光线条纹终点横坐标；
使用分辨率一定的图像传感器，x1-x0是一个固定值，即激光线条对应的像素个数是一定的，设为N，因此式(2)用离散数据形式表示为：
单位时间内煤的体积就是每个截面积的叠加，设皮带机为匀速运行，其速度为v，图像采集频率为f，则一定时间间隔(t0，t1)内体积V计算公式可以表达为：
结合式(3)可以得到V的离散形式为：
其中，M表示相机所采集的图像帧数，S(n)m代表第m帧图像的截面积；至此，可以得到皮带上某段时间内煤的体积。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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