CN112209054B - 激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统及其检测方法，激光扫描仪A垂直向下使输送机框架轮廓垂直通过激光扫描扇面；激光扫描仪B垂直向上使回程输送带底部垂直通过激光扫描扇面；激光扫描数据发送至以太网实现远程传输；测速传感器固定在输送带承载段距激光扫描仪B就近位置的一根托辊中心轴上，与该托辊同轴旋转，所测数据由单片机采集并经传输至远程上位机；上位机计算输送带横向偏移角和对比标准范围，若超出范围则由上位机发送信号至报警器。本发明实现了带式输送机输送带横向跑偏实时检测；系统安装简单、效果实用、自动化程度高、实时强，不受粉尘、天气、光线等外界环境因素对输送带跑偏检测的影响。

Description

激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统及其检测方法。

背景技术

带式输送机的应用至今已经近300年的历史，在成本、效率、输送能力等方面较传统车辆运输或厢式运输方式优点更突出，因此，现已成为散状物料运输的主要设备，在矿山、港口等领域得到了广泛的应用。作为带式输送机的关键组成部分，输送带在运行过程中，经常会发生输送带跑偏现象，不仅引起物料倾洒或带边磨损，严重时还会造成输送带断裂、烧损甚至引发火灾。这将直接影响输送带使用寿命，甚至导致煤炭运输线停运，影响安全生产，造成重大经济损失。因此，急需研究输送带跑偏原因，采用输送带跑偏检测技术手段，及时实施输送带自动纠偏对保障带式输送机安全稳定运行具有极其重要的意义。

目前，输送带跑偏检测及纠偏大多采用机械方式，当输送带正常时,输送带边缘未接触矫正装置的侧挡辊,矫正装置维持原状不动作，一旦输送带发生跑偏,输送带边缘挤压呈圆柱体侧挡辊的同时，侧挡辊给输送带的阻挡力起到阻止输送带跑偏或将其推回原位的作用。机械方式结构简单，对于重载输送时跑偏检测和校正作用明显,然而轻载或空载时侧挡辊给皮带的阻挡力较小,无法有效将输送带推回原位。另外，基于红外技术对输送带横向跑偏检测，需要经常清洁红外检测环境,保证检测器与输送带间无杂物，对检测环境要求极为严格，而且针对物品偏出输送带会产生误报纠偏,最终造成输送带跑偏。因此，工作状态不稳定，实时性较差。因此，开发一种带式输送机输送带实时跑偏检测系统对于实现大型带式输送机安全稳定运行具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用激光扫描实现输送带跑偏实时检测、实现带式输送机安全稳定控制的激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统及其检测方法。

本发明的技术解决方案是：

一种激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统，其特征是：包括激光扫描仪A、B，激光扫描仪A安装于输送机水平输送段上方可调支架横梁中心位置，垂直向下使输送机框架轮廓垂直通过激光扫描扇面；激光扫描仪B安装于带式输送机水平输送段下方可调支架横梁中心位置，垂直向上使回程输送带底部垂直通过激光扫描扇面；可调支架高度、宽度依据带式输送机系统结构参数调节；激光扫描数据由串口处理器发送至以太网实现远程传输；测速传感器固定在输送带承载段距激光扫描仪B就近位置的一根托辊中心轴上，与该托辊同轴旋转，所测数据由单片机采集并经GSM/GPRS模块传输至远程上位机；上位机根据突变中心点坐标数据，实时绘制并叠加输送机、输送带中心线图像，并计算输送带横向偏移角和对比标准范围，若超出范围则由上位机发送信号至报警器，实现对输送带跑偏检测及跑偏报警。

一种采用上述激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统的检测方法，其特征是：

步骤1：初始化：令输送带运行方向为Y轴方向，输送带宽度方向为X轴方向，输送机高度方向为Z轴方向，激光扫描仪A、B采集当前帧变量k＝1，N为A、B在单位时间T内采集截面轮廓数量，M为激光扫描仪每帧扫描点数，由单位时间T和激光扫描仪扫描频率f确定其大小(N＝T·f)；从带速检测装置获取实时带速v(t)；

步骤2：启动激光扫描仪A、B工作后，上位机接收并记录单位时间T内的输送机、输送带边缘轮廓信息数据；

步骤3：将输送机边缘轮廓和输送带边缘轮廓激光点云数据进行直角坐标转换，同一帧所有点的X轴坐标相同，P_km(x_k,y_km,z_km)、Q_km(x_k,y’_km,z’_km)分别表示激光扫描仪A、B扫描的第k帧第m个点(m＝1,2,3...，k＝1,2,3...)，扫描一帧所需的时间为

则相邻帧X坐标关系为：

Y坐标与激光扫描仪得出的数据关系为：

Y_km＝±l_km·sinα_km (2)

Z坐标与激光扫描仪得出的数据关系为：

Z_km＝l_km·cosα_km (3)

式(1)中，X_k+1、X_k表示点P_km、Q_km第k+1、k相邻两帧横坐标值，式(2)、(3)中，l_km为激光扫描皮带轮廓角度为α_km的点与扫描中心距离值；式(2)中当扫描仪被测点在Y轴正半轴则为正反之为负；通过测速传感器和激光扫描仪配合得到每帧输送机、输送带边缘轮廓的三维坐标数据；

步骤4：根据当前帧变量k的值，从坐标转换后的输送机、输送带边缘轮廓数据表中读取当前帧k的信息，将单位时间T内所有帧的数据储存并上传；

步骤5：分别从A、B两部分数据找到Z轴方向发生突变临界点的三维坐标数据，根据坐标数据得出突变临界点中点二维坐标，计算公式：

式(4)中，X_k表示为点S_kA,,S_kB当前帧横坐标，S_kA,S_kB分别表示输送机、输送带突变临界点中点，Y_km1、Y_km2分别表示激光扫描仪A扫描出的突变临界点的两个Y坐标，Y’_km、Y’_km2分别表示激光扫描仪B扫描出的突变临界点的两个Y坐标，并计算得出其中点三维坐标数据；

步骤6：根据单位时间T内所有帧的数据中，临界点中点三维坐标数据拟合成二维线性图像，并完成输送机、输送带Z坐标突变临界点中点A、B图像叠加；

步骤7：将叠加图像进行处理，每隔距离S对图像A、B分别取点，设间距为S直线系与输送机中心线H交点为S_ak(x_ak,y_ak)与输送带中心线L交点为S_bj(x_bj,y_bj)，并计算直线L、H与直线系相邻两交点与X轴夹角的锐角部分记为偏移角θ_i,γ_i(i＝1，2，3...)，θ_i,γ_i计算公式为：

经过上述计算公式得到实时夹角θ_i,γ_i，上传数据至报警系统判别是否跑偏；

步骤8：判断θ_i(i＝1,2,3...)是否在(γ_i-α,γ_i+α)范围内，如果超出范围，则判定已经输送带发生跑偏，然后立即发出警报信号，报警器拉响警报。

本发明实现了带式输送机输送带横向跑偏实时检测；系统安装简单、效果实用、自动化程度高、实时强，不受粉尘、天气、光线等外界环境因素对输送带跑偏检测的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明利用激光扫描实现输送带跑偏实时检测系统结构图。

其中有带式输送机(槽式或平直式，含电动机、滚筒、托辊等基本配置)，激光扫描仪A，直流稳压电源A，激光扫描仪B，直流稳压电源B，串口处理器C，服务器D，GSM模块E、F，监控器G，上位机H(具备中心点运算、中心线拟合、偏移量判定及报警等功能)，警报器I，单片机J，测速传感器K。激光扫描仪A安装于输送机水平输送段上方可调支架横梁中心位置，垂直向下使输送机框架轮廓垂直通过激光扫描扇面。激光扫描仪B安装于带式输送机水平输送段下方可调支架横梁中心位置，垂直向上使回程输送带底部垂直通过激光扫描扇面。可调支架高度、宽度可依据带式输送机系统结构参数调节。激光扫描数据可由串口处理器C发送至以太网实现远程传输。测速传感器K固定在输送带承载段距激光扫描仪B就近位置某托辊中心轴上，与托辊同轴旋转，所测数据由单片机J采集并经GSM/GPRS模块传输至远程上位机。上位机H根据突变中心点坐标数据，实时绘制并叠加输送机、输送带中心线图像，并计算输送带横向偏移角和对比标准范围，若超出范围则由上位机发送信号至报警器I，实现对输送带跑偏检测及跑偏报警。

图2是输送带跑偏检测方法组成框图。

采用三大部分数据采集部分、数据通讯部分、图像处理及报警部分。数据采集部分包括输送带边缘轮廓线采集模块、输送机边缘轮廓线采集模块以及带速采集模块；数据通讯部分利用GSM/GPRS模块以及以太网实时传输信号；偏移量判定及报警部分包括中心线拟合模块、偏移量检测及报警模块。

图3是输送带跑偏检测方法流程图。

图4是本发明的一种利用图像处理实现输送带跑偏检测的方法中，激光扫描仪A扫描点的坐标转化以及临界点的选择原理图。

在图中l_akm,α_akm为激光扫描仪A所测扫描中心点与扫描点间的距离以及扫描中心点与扫描点所成的直线和Z轴负方向的夹角，扫描时激光扫描仪A的扫描角度应从大于α'_km的角度开始。临界点为Z坐标由小突变为远大于前一点的扫描点，点P_km(x_k,y_km,z_km)都为扫描范围内的点。

图5是本发明的一种利用图像处理实现输送带跑偏检测的方法中，激光扫描仪B扫描点的坐标转化以及临界点的选择原理图。

在图中l_bkm,α_bkm为激光扫描仪B所测扫描中心点与扫描点间的距离以及扫描中心点与扫描点所成的直线和Z轴负方向的夹角。α'_km为输送带边缘临界点对应的夹角。临界点为Z坐标由小突变为远大于前一点的扫描点。通过三角运算将距离与角度数据转化为三维坐标数据。超出范围点的Z坐标较大处理数据时需要排除，点Q_km(y’_km,z’_km)都为扫描范围内的点。

图6是本发明的一种利用图像处理实现输送带跑偏检测的方法中，图像数据处理部分计算及取点模拟图。

点S_kB1，S_kB2为输送带第k帧边缘临界点，根据点S_kB1，S_kB2实现对直线L的绘制。如图直线H为输送机中心线图像(为了更清晰观察到重叠图像，使结果理想化令H于重合)，直线L为输送带中心线图像，设间距为S直线系与输送机中心线H交点为S_ak(x_ak,y_ak)与输送带中心线L交点为S_bj(x_bj,y_bj)，利用直线L、H与直线系的交点算出偏移角θ_i,γ_i。

具体实施方式

以单托辊式或槽式带式输送机为例，图1是本发明利用激光扫描实现输送带跑偏实时检测系统结构图。其中有带式输送机(槽式或平直式，含电动机、滚筒、托辊等基本配置)，激光扫描仪A，直流稳压电源A，激光扫描仪B，直流稳压电源B，串口处理器C，服务器D，GSM模块E、F，监控器G，上位机H(具备中心点运算、中心线拟合、偏移量判定及报警等功能)，警报器I，单片机J，测速传感器K。激光扫描仪A安装于输送机水平输送段上方可调支架横梁中心位置，垂直向下使输送机框架轮廓垂直通过激光扫描扇面。激光扫描仪B安装于带式输送机水平输送段下方可调支架横梁中心位置，垂直向上使回程输送带底部垂直通过激光扫描扇面。可调支架高度、宽度可依据带式输送机系统结构参数调节。激光扫描数据可由串口处理器C发送至以太网实现远程传输。测速传感器K固定在输送带承载段距激光扫描仪B就近位置某托辊中心轴上，与托辊同轴旋转，所测数据由单片机J采集并经GSM/GPRS模块传输至远程上位机。上位机H根据突变中心点坐标数据，实时绘制并叠加输送机、输送带中心线图像，并计算输送带横向偏移角和对比标准范围，若超出范围则由上位机发送信号至报警器I，实现对输送带跑偏检测及跑偏报警。

图2是输送带跑偏检测方法结构图，此方法分为三大部分数据采集部分、数据通讯部分、图像处理及报警部分。数据采集部分包括输送带边缘轮廓线采集模块、输送机边缘轮廓线采集模块以及带速采集模块；数据通讯部分利用GSM/GPRS模块以及以太网实时传输信号；偏移量判定及报警部分包括中心线拟合模块、偏移量检测及报警模块。

所述方法的工作流程如图3所示，具体包含以下步骤：

步骤1：初始化：令输送带运行方向为Y轴方向，输送带宽度方向为X轴方向，输送机高度方向为Z轴方向，激光扫描仪A、B采集当前帧变量k＝1，N为A、B在单位时间T内采集截面轮廓数量，M为激光扫描仪每帧扫描点数，由单位时间T和激光扫描仪扫描频率f确定其大小(N＝T·f)；从带速检测装置获取实时带速v(t)；

步骤2：启动激光扫描仪A、B工作后，上位机接收并记录单位时间T内的输送机、输送带边缘轮廓信息数据；

步骤3：将输送机边缘轮廓和输送带边缘轮廓激光点云数据进行直角坐标转换，同一帧所有点的X轴坐标相同，P_km(x_k,y_km,z_km)、Q_km(x_k,y’_km,z’_km)分别表示激光扫描仪A、B扫描的第k帧第m个点(m＝1,2,3...，k＝1,2,3...)，扫描一帧所需的时间为

则相邻帧X坐标关系为：

Y坐标与激光扫描仪得出的数据关系为：

Y_km＝±l_km·sinα_km (2)

Z坐标与激光扫描仪得出的数据关系为：

Z_km＝l_km·cosα_km (3)

式(1)中，X_k+1、X_k表示点P_km、Q_km第k+1、k相邻两帧横坐标值，式(2)、(3)中，l_km为激光扫描皮带轮廓角度为α_km的点与扫描中心距离值；式(2)中当扫描仪被测点在Y轴正半轴则为正反之为负；通过测速传感器和激光扫描仪配合得到每帧输送机、输送带边缘轮廓的三维坐标数据；

步骤4：根据当前帧变量k的值，从坐标转换后的输送机、输送带边缘轮廓数据表中读取当前帧k的信息，将单位时间T内所有帧的数据储存并上传；

步骤5：分别从A、B两部分数据找到Z轴方向发生突变临界点的三维坐标数据(如图4，图5只选取突变前最近左右两点)，根据坐标数据得出突变临界点中点二维坐标(去掉Z坐标)计算公式：

式(4)中，X_k表示为点S_kA,,S_kB当前帧横坐标，S_kA,S_kB分别表示输送机、输送带突变临界点中点，Y_km1、Y_km2分别表示激光扫描仪A扫描出的突变临界点的两个Y坐标，Y’_km、Y’_km2分别表示激光扫描仪B扫描出的突变临界点的两个Y坐标，并计算得出其中点三维坐标数据；

步骤6：根据单位时间T内所有帧的数据中，临界点中点三维坐标数据拟合成二维线性图像(拟合时去掉Z坐标，使图像在同一平面内)，并完成输送机、输送带Z坐标突变临界点中点A、B图像叠加；

步骤7：将叠加图像进行处理，每隔距离S对图像A、B分别取点，设间距为S直线系与输送机中心线H交点为S_ak(x_ak,y_ak)与输送带中心线L交点为S_bj(x_bj,y_bj)，并计算直线L、H与直线系相邻两交点与X轴夹角的锐角部分记为偏移角θ_i,γ_i(i＝1，2，3...)，θ_i,γ_i计算公式为：

经过上述计算公式得到实时夹角θ_i,γ_i，上传数据至报警系统判别是否跑偏；

步骤8：判断θ_i(i＝1,2,3...)是否在(γ_i-α,γ_i+α)范围内，如果超出范围，则判定已经输送带发生跑偏，然后立即发出警报信号，报警器拉响警报。

Claims (1)

1.一种激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统的检测方法，其特征是：所述激光扫描的输送带横向跑偏实时检测系统包括激光扫描仪A、B，激光扫描仪A安装于输送机水平输送段上方可调支架横梁中心位置，垂直向下使输送机框架轮廓垂直通过激光扫描扇面；激光扫描仪B安装于带式输送机水平输送段下方可调支架横梁中心位置，垂直向上使回程输送带底部垂直通过激光扫描扇面；可调支架高度、宽度依据带式输送机系统结构参数调节；激光扫描数据由串口处理器发送至以太网实现远程传输；测速传感器固定在输送带承载段距激光扫描仪B就近位置的一根托辊中心轴上，与该托辊同轴旋转，所测数据由单片机采集并经GSM/GPRS模块传输至远程上位机；上位机根据突变中心点坐标数据，实时绘制并叠加输送机、输送带中心线图像，并计算输送带横向偏移角和对比标准范围，若超出范围则由上位机发送信号至报警器，实现对输送带跑偏检测及跑偏报警；

检测方法：

步骤1：初始化：令输送带运行方向为Y轴方向，输送带宽度方向为X轴方向，输送机高度方向为Z轴方向，激光扫描仪A、B采集当前帧变量k＝1，N为A、B在单位时间T内采集截面轮廓数量，M为激光扫描仪每帧扫描点数，由单位时间T和激光扫描仪扫描频率f确定其大小(N＝T·f)；从带速检测装置获取实时带速v(t)；

步骤2：启动激光扫描仪A、B工作后，上位机接收并记录单位时间T内的输送机、输送带边缘轮廓信息数据；

步骤3：将输送机边缘轮廓和输送带边缘轮廓激光点云数据进行直角坐标转换，同一帧所有点的X轴坐标相同，P_km(x_k,y_km,z_km)、Q_km(x_k,y’_km,z’_km)分别表示激光扫描仪A、B扫描的第k帧第m个点(m＝1,2,3...，k＝1,2,3...)，扫描一帧所需的时间为

则相邻帧X坐标关系为：

Y坐标与激光扫描仪得出的数据关系为：

Y_km＝±l_km·sinα_km (2)

Z坐标与激光扫描仪得出的数据关系为：

Z_km＝l_km·cosα_km (3)

式(1)中，X_k+1、X_k表示点P_km、Q_km第k+1、k相邻两帧横坐标值，式(2)、(3)中，l_km为激光扫描皮带轮廓角度为α_km的点与扫描中心距离值；式(2)中当扫描仪被测点在Y轴正半轴则为正反之为负；通过测速传感器和激光扫描仪配合得到每帧输送机、输送带边缘轮廓的三维坐标数据；

步骤4：根据当前帧变量k的值，从坐标转换后的输送机、输送带边缘轮廓数据表中读取当前帧k的信息，将单位时间T内所有帧的数据储存并上传；

步骤5：分别从A、B两部分数据找到Z轴方向发生突变临界点的三维坐标数据，根据坐标数据得出突变临界点中点二维坐标，计算公式：

式(4)中，X_k表示为点S_kA，S_kB当前帧横坐标，S_kA，S_kB分别表示输送机、输送带突变临界点中点，Y_km1、Y_km2分别表示激光扫描仪A扫描出的突变临界点的两个Y坐标，Y’_km、Y’_km2分别表示激光扫描仪B扫描出的突变临界点的两个Y坐标，并计算得出其中点三维坐标数据；

步骤6：根据单位时间T内所有帧的数据中，临界点中点三维坐标数据拟合成二维线性图像，并完成输送机、输送带Z坐标突变临界点中点A、B图像叠加；

步骤7：将叠加图像进行处理，每隔距离S对图像A、B分别取点，设间距为S直线系与输送机中心线H交点为S_ak(x_ak,y_ak)与输送带中心线L交点为S_bj(x_bj,y_bj)，并计算直线L、H与直线系相邻两交点与X轴夹角的锐角部分记为偏移角θ_i,γ_i(i＝1，2，3...)，θ_i,γ_i计算公式为：

经过上述计算公式得到实时夹角θ_i,γ_i，上传数据至报警系统判别是否跑偏；

步骤8：判断θ_i(i＝1,2,3...)是否在(γ_i-α,γ_i+α)范围内，如果超出范围，则判定已经输送带发生跑偏，然后立即发出警报信号，报警器拉响警报。

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