CN112254651B - 基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法 - Google Patents

基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法，将激光扫描仪A垂直向下对准输送带下层，并使输送带运行方向垂直通过激光扫描扇面；可调支架底轮可通过嵌入距输送带纵向方向两边一定距离的平行导轨来保持激光扫描扇面与输送带正交，并采用水准仪、平面仪来保证激光扫描输送带中心线精度；激光扫描数据发送至以太网实现远程传输；测速传感器固定在带式输送机上行托辊中心轴上，与托辊同轴旋转；带速数据传输至远程上位机；上位机实现实时在线输送带横向精准检测。本发明优化了检测系统。造价成本低、辨识度高。激光扫描的实时智能检测，极大提高了检测效率和准确性，有利于生产的安全顺利进行。

Description

基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法。
背景技术
输送带是输送系统的关键设备，它的安全稳定运行直接影响到生产作业。输送带的跑偏是带式输送机的最常见故障，对其及时准确的处理是其安全稳定运行的保障。然而带式输送机在运行过程中，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。
现有技术一般采用人工巡检的方式，巡检人员定期检查皮带跑偏情况。然而这种方式不能够实时监测具有一定的延迟性，检测效率低；同时也存在一些接触式的检测方式，当其应用于如矿场、井下等恶劣的生产环境时，十分容易受到油泥、污泥、煤渣等影响，容易发生漏报、误报等等故障。所以跑偏检测的故障率比较高。为了保证正常运行需要专人对其进行定期维护，从而使用的人力成本较高。
因此，目前急需一种非接触式、运行可靠、使用便捷、维护成本低、抗环境干扰能力强的新型输送带横向跑偏检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高检测效率和准确性的基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法，其特征是：将激光扫描仪A固定安装于可调支架上横梁中心位置，摆放于带式输送机水平输送段，使A垂直向下对准输送带下层，并使输送带运行方向垂直通过激光扫描扇面；支架高度和宽度可依据带式输送机系统结构参数调节；可调支架底轮可通过嵌入距输送带纵向方向两边一定距离的平行导轨来保持激光扫描扇面与输送带正交，并采用水准仪、平面仪来保证激光扫描输送带中心线精度；激光扫描数据可由串口处理器发送至以太网实现远程传输；测速传感器固定在带式输送机上行托辊中心轴上，与托辊同轴旋转；带速数据由测速控制器采集并经由GSM/GPRS模块传输至远程上位机；上位机根据测量数据，经输送带中心测量及误差消除软件实现实时在线输送带横向精准检测；
工作流程包含以下步骤：
步骤1：将输送带内层中心线上喷涂浅色反光喷漆，以此作为激光扫描仪反光标靶，便于进行数据滤波；
步骤2：初始化：令激光扫描仪A采集当前帧变量k＝1，i＝1,2,…,N，N为激光扫描仪A在单位时间T内采集中心线数量，由单位时间T和激光扫描仪频率fspeed确定其大小(N＝T·fspeed)；从带速检测模块获取带速和输送带启动和停止时刻；
步骤3：启动激光扫描仪A工作后，上位机接收并记录单位时间T内的带速数据和中心线位置信息数据；
激光扫描仪记录激光脉冲信号从发射到抵达物体表面后返回扫描仪的时间间隔、扫描角度以及反射强度信息；通过时间间隔和反射角度可以来计算激光落点相对于扫描中心的三维坐标计算公式为：
Figure BDA0002706511900000031
其中，d表示激光落点和扫描中心之间的距离，c表示光在真空中的传播速度，Δt表示激光脉冲信号从发射到物体表面返回扫描仪的时间间隔；
步骤4：扫描数据滤波，测量系统可以快速准确的获取扫描面三维坐标，其反射强度信息可以区别输送带面与中心线，因此可以根据浅色反光中心线与其他输送带表面反射强度的不同进行提取，通过计算强度阈值来提取中心线点云；
步骤5：将带速数据和中心线位置信息数据融合，得到中心线二维激光点云数据；
步骤6：输送带在行进过程中，激光扫描仪每扫描一帧，即可得到扫描角度范围内输送带上反光中心线激光点云数据；计算每帧中激光扫描仪激光发射点与输送带中心线偏移的横向距离；
步骤7：将中心线二维激光点云数据通过上位机进行二维直角坐标转换，得到中心线的二维坐标数据；
步骤8：将获取的二维坐标数据通过以太网传输至上位机进行跑偏量计算；
偏移量计算公式为：
Figure BDA0002706511900000041
Figure BDA0002706511900000042
其中θi是扫描到的中心线偏移点与水平线的夹角，βi是中心线偏移点与垂线的夹角，li是中心线偏移点到激光扫描仪的距离，Xi是扫描单帧的偏移量；
步骤9：实际上在检测判断输送带跑偏情况时，不能够单纯通过某一帧计算的偏移量来确定输送带偏移量，如此具有极大误差。因此得到当前帧中心线偏移距离后，统计单位时间T内N帧的中心线偏移距离，即可得到激光扫描仪在单位时间T内扫描的N帧中心线偏移距离；
步骤10：通过激光扫描单位时间T内的N帧中心线偏移距离进行数据修正。计算公式为：
S＝∫0 TV(t)dt (4)
N＝T×fspeed (5)
Figure BDA0002706511900000043
其中S是输送带在单位时间T内运行的距离，V(t)是输送带运行速度，N为扫描仪在T内扫描的帧数，XAVG是平均偏移量作为输出结果,Xi是扫描单帧的偏移量，t是时间；
步骤11：将修正后的输送带横向偏移数据XAVG与警报器设定的预警范围进行比较：(0，X1]，(X1，X2]，(X2，X3]，(X3，)，输出不同警示灯颜色分别为绿，黄，橙，红，同时伴随警报声；
步骤12：输出当前单位时间T内修正后的输送带横向偏移数据XAVG；同时在上位机输送带跑偏量检测软件上添加三维可视化模块，可以实时直观显示输送带横向跑偏距离，并自动提示操作人员注意并及早做出应急决策。
所述应急决策包括紧急制动、调速节能。
本发明采用非接触式且扫描设备安装位置为输送带内部，以达到不受粉层、天气、光线等外界环境的目的。安装方式简便同时提供多种安装方式适用多种输送带。系统结构简单、自动化程度高、实时性强。可自动识别输送带跑偏程度以及跑偏量并实时显示在显示屏同时传输到相关设备，优化了检测系统。造价成本低、辨识度高。激光扫描的实时智能检测，极大提高了检测效率和准确性，有利于生产的安全顺利进行。
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是本发明检测方法的工作流程图。
图2是本发明中偏移量计算原理图。
图3是本发明通过单位时间T内扫描仪扫描N帧均值进行数据修正的原理图。
图4是本发明基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法采用的部件组成示意图。
具体实施方式
如图4所示。其中有带式输送机，激光扫描仪A，直流稳压电源B，串口处理器C，服务器D，测速传感器I，测速控制器(单片机或FPGA)F，GSM模块G、H，上位机E。激光扫描仪A固定安装于可调支架上横梁中心位置，摆放于带式输送机水平输送段，使A垂直向下对准输送带下层，并使输送带运行方向垂直通过激光扫描扇面。支架高度和宽度可依据带式输送机系统结构参数调节。可调支架底轮可通过嵌入距输送带纵向方向两边一定距离的平行导轨来保持激光扫描扇面与输送带正交，并采用水准仪、平面仪来保证激光扫描输送带中心线精度。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I固定在带式输送机上行托辊中心轴上，与托辊同轴旋转。带速数据由测速控制器(单片机或FPGA)F采集并经由GSM/GPRS模块传输至远程上位机。上位机E根据检测系统测量数据，经输送带中心测量及误差消除软件实现实时在线输送带横向精准检测。
所述系统的工作流程如图1所示，包含以下步骤：
步骤1：将输送带内层中心线上喷涂浅色反光喷漆，以此作为激光扫描仪反光标靶，便于进行数据滤波；
步骤2：初始化：令激光扫描仪A采集当前帧变量k＝1，i＝1,2,…,N，N为激光扫描仪A在单位时间T内采集中心线数量，由单位时间T和激光扫描仪频率fspeed确定其大小(N＝T·fspeed)；从带速检测模块获取带速和输送带启动和停止时刻；
步骤3：启动激光扫描仪A工作后，上位机接收并记录单位时间T内的带速数据和中心线位置信息数据；
激光扫描仪记录激光脉冲信号从发射到抵达物体表面后返回扫描仪的时间间隔、扫描角度以及反射强度信息；通过时间间隔和反射角度可以来计算激光落点相对于扫描中心的三维坐标计算公式为：
Figure BDA0002706511900000071
其中，d表示激光落点和扫描中心之间的距离，c表示光在真空中的传播速度，Δt表示激光脉冲信号从发射到物体表面返回扫描仪的时间间隔；
步骤4：扫描数据滤波，测量系统可以快速准确的获取扫描面三维坐标，其反射强度信息可以区别输送带面与中心线，因此可以根据浅色反光中心线与其他输送带表面反射强度的不同进行提取，通过计算强度阈值来提取中心线点云；
步骤5：将带速数据和中心线位置信息数据融合，得到中心线二维激光点云数据；
步骤6：输送带在行进过程中，激光扫描仪每扫描一帧，即可得到扫描角度范围内输送带上反光中心线激光点云数据；计算每帧中激光扫描仪激光发射点与输送带中心线偏移的横向距离；
步骤7：将中心线二维激光点云数据通过上位机进行二维直角坐标转换，得到中心线的二维坐标数据；
步骤8：将获取的二维坐标数据通过以太网传输至上位机进行跑偏量计算；
偏移量计算公式为：
Figure BDA0002706511900000081
Figure BDA0002706511900000082
其中θi是扫描到的中心线偏移点与水平线的夹角，βi是中心线偏移点与垂线的夹角，li是中心线偏移点到激光扫描仪的距离，Xi是扫描单帧的偏移量；
步骤9：实际上在检测判断输送带跑偏情况时，不能够单纯通过某一帧计算的偏移量来确定输送带偏移量，如此具有极大误差。因此得到当前帧中心线偏移距离后，统计单位时间T内N帧的中心线偏移距离，即可得到激光扫描仪在单位时间T内扫描的N帧中心线偏移距离；
步骤10：通过激光扫描单位时间T内的N帧中心线偏移距离进行数据修正。计算公式为：
S＝∫0 TV(t)dt (4)
N＝T×fspeed (5)
Figure BDA0002706511900000083
其中S是输送带在单位时间T内运行的距离，V(t)是输送带运行速度，N为扫描仪在T内扫描的帧数，XAVG是平均偏移量作为输出结果,Xi是扫描单帧的偏移量，t是时间；
步骤11：将修正后的输送带横向偏移数据XAVG与警报器设定的预警范围进行比较：(0，X1]，(X1，X2]，(X2，X3]，(X3，)，输出不同警示灯颜色分别为绿，黄，橙，红，同时伴随警报声；
步骤12：输出当前单位时间T内修正后的输送带横向偏移数据XAVG；同时在上位机输送带跑偏量检测软件上添加三维可视化模块，可以实时直观显示输送带横向跑偏距离，并自动提示操作人员注意并及早做出应急决策。
所述应急决策包括紧急制动、调速节能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。与现有技术相比，本发明方法能够实现对皮带跑偏情况的实时智能检测，提高了检测效率和准确性，并能够及时报警和进行调整，有利于生产的安全顺利进行。

Claims (2)

1.一种基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法，其特征是：将激光扫描仪A固定安装于可调支架上横梁中心位置，摆放于带式输送机水平输送段，使A垂直向下对准输送带下层，并使输送带运行方向垂直通过激光扫描扇面；支架高度和宽度依据带式输送机系统结构参数调节；可调支架底轮通过嵌入距输送带纵向方向两边一定距离的平行导轨来保持激光扫描扇面与输送带正交，并采用水准仪、平面仪来保证激光扫描输送带中心线精度；激光扫描数据由串口处理器发送至以太网实现远程传输；测速传感器固定在带式输送机上行托辊中心轴上，与托辊同轴旋转；带速数据由测速控制器采集并经由GSM/GPRS模块传输至远程上位机；上位机根据测量数据，经输送带中心测量及误差消除软件实现实时在线输送带横向精准检测；
工作流程包含以下步骤：
步骤1：将输送带内层中心线上喷涂浅色反光喷漆，以此作为激光扫描仪反光标靶，便于进行数据滤波；
步骤2：初始化：令激光扫描仪A采集当前帧变量k＝1，i＝1,2,…,N，N为扫描仪在T内扫描的帧数，由单位时间T和激光扫描仪频率fspeed确定其大小N＝T·fspeed；从带速检测模块获取带速和输送带启动和停止时刻；
步骤3：启动激光扫描仪A工作后，上位机接收并记录单位时间T内的带速数据和中心线位置信息数据；
激光扫描仪记录激光脉冲信号从发射到抵达物体表面后返回扫描仪的时间间隔、扫描角度以及反射强度信息；通过时间间隔和反射角度来计算激光落点相对于扫描中心的三维坐标计算公式为：
Figure FDA0003321813060000021
其中，d表示激光落点和扫描中心之间的距离，c表示光在真空中的传播速度，Δt表示激光脉冲信号从发射到物体表面返回扫描仪的时间间隔；
步骤4：扫描数据滤波，测量系统可以快速准确的获取扫描面三维坐标，其反射强度信息可以区别输送带面与中心线，因此可以根据浅色反光中心线与其他输送带表面反射强度的不同进行提取，通过计算强度阈值来提取中心线点云；
步骤5：将带速数据和中心线位置信息数据融合，得到中心线二维激光点云数据；
步骤6：输送带在行进过程中，激光扫描仪每扫描一帧，即可得到扫描角度范围内输送带上反光中心线激光点云数据；计算每帧中激光扫描仪激光发射点与输送带中心线偏移的横向距离；
步骤7：将中心线二维激光点云数据通过上位机进行二维直角坐标转换，得到中心线的二维坐标数据；
步骤8：将获取的二维坐标数据通过以太网传输至上位机进行跑偏量计算；
偏移量计算公式为：
Figure FDA0003321813060000031
Figure FDA0003321813060000032
其中θi是扫描到的中心线偏移点与水平线的夹角，βi是中心线偏移点与垂线的夹角，li是中心线偏移点到激光扫描仪的距离，Xi是扫描单帧的偏移量；
步骤9：得到当前帧中心线偏移距离后，统计单位时间T内N帧的中心线偏移距离，即可得到激光扫描仪在单位时间T内扫描的N帧中心线偏移距离；
步骤10：通过激光扫描单位时间T内的N帧中心线偏移距离进行数据修正；计算公式为：
S＝∫0 TV(t)dt (4)
N＝T×fspeed (5)
Figure FDA0003321813060000033
其中S是输送带在单位时间T内运行的距离，V(t)是输送带运行速度，N为扫描仪在T内扫描的帧数，XAVG是平均偏移量作为输出结果,Xi是扫描单帧的偏移量，t是时间；
步骤11：将修正后的输送带横向偏移数据XAVG与警报器设定的预警范围进行比较：(0，X1]，(X1，X2]，(X2，X3]，(X3，)，输出不同警示灯颜色分别为绿，黄，橙，红，同时伴随警报声；其中X1、X2、X3均为不同程度跑偏的预设值；
步骤12：输出当前单位时间T内修正后的输送带横向偏移数据XAVG；同时在上位机输送带跑偏量检测软件上添加三维可视化模块，可以实时直观显示输送带横向跑偏距离，并自动提示操作人员注意并及早做出应急决策。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描输送带中心线的横向跑偏检测方法，其特征是：所述应急决策包括紧急制动、调速节能。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210122

Assignee: Wuhan zhiao Technology Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022420000031

Denomination of invention: Transverse deviation detection method based on laser scanning conveyor belt centerline

Granted publication date: 20220325

License type: Common License

Record date: 20220511

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20210122

Assignee: Wuhan Hengwang Port and Channel Engineering Consulting Service Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023420000193

Denomination of invention: A lateral deviation detection method based on laser scanning conveyor belt centerline

Granted publication date: 20220325

License type: Common License

Record date: 20230621

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract