CN114212445A - 一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，包括物料输送下位机系统、物料加工装置和上位机控制系统；上位机控制系统包括控制器和物料体积估测装置，控制器与物料输送下位机系统信号连接；物料体积估测装置包括与控制器和物料图像提取装置；物料图像提取装置获得实时输送的物料图像并将信号传递至图像处理器，获得输送的实时物料体积，并将信号发送至控制器，控制器依据物料加工装置的处理能力实时调整伺服电机输出转速，使得物料输送速度与物料加工装置处理能力相匹配；本发明的基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，能够实时监测当输送带上的物料体积分布(或质量分布)，可以实现对物料供给的精准控制。

Description

一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统

技术领域

本发明属于物料加工进料伺服系统，更具体的说涉及一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统。

背景技术

物料加工装置如破碎机、包装机和分选机等，均具有额定工作量，输送机为物料加工装置供料，一般是通过控制进料输送带的速度来实现物料加工装置进料控制。现有技术中，一般的是在输送带尾部设置一称重装置，如皮带秤，来获得实时进料重量，但是，对于一些不规则形状或体积较大的物料，物料之间具有较大的空间，通过重量控制进料不能很好的适应物料加工装置加工量，这是因为皮带秤等，虽然知道输送带输送过程中，整条输送带上物料的重量，但对于物料的质量分布并不清楚，故而对于给料供应并不能做到十分精准，往往会造成物料加工装置满载、超载问题，或者出现物料加工装置空载问题，影响加工效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，能够实时监测当输送带上的物料体积分布(或质量分布)，可以实现对物料供给的精准控制。

本发明技术方案一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，包括物料输送下位机系统、设置在所述物料输送下位机系统后部的物料加工装置和与所述物料输送下位机系统信号连接的上位机控制系统；所述物料输送下位机系统包括输送带和驱动所述输送带输送的伺服电机，所述上位机控制系统包括控制器和与所述控制器连接的物料体积估测装置，所述控制器与所述物料输送下位机系统信号连接；所述物料体积估测装置包括与所述控制器连接的图像处理器和与所述图像处理器连接且设置在所述输送带上方的物料图像提取装置；

所述物料图像提取装置获得实时输送的物料图像并将信号传递至图像处理器，经过图像处理器处理获得输送的实时物料体积，并将信号发送至控制器，所述控制器依据物料加工装置的处理能力实时调整伺服电机输出转速，实现对输送带输送物料速度进行调节，使得物料输送速度与物料加工装置处理能力相匹配。

优选地，所述物料图像提取装置包括等高安装在所述输送带上方的结构光光源和CCD相机，CCD相机与所述图像处理器连接。

优选地，所述物料体积估测装置获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C步骤为：

首先，确定结构光光源和CCD相机安装位置的正下方的输送带上的区间段为测量位置，测量位置的宽度即为输送带的宽度，测量位置的长度选定为与结构光光源能够照射到的区域内；同时测量出本测量位置中心点N1位置距离物料加工装置的距离L，按照输送带实时输送速度，计算出本测量位置的物料进入物料加工装置时间为ΔT；

然后，所述结构光光源照射至测量位置的输送带表面，获得无畸变的初始测量位置图像，所述图像处理器在初始测量位置图像上标记出各初始点A1、A2、A3……An；同时，标注各点的坐标；同时，确定初始测量位置图像中心点N1，中心点N1与A1、A2、A3……An中一点重合；

再后，图像处理器接收测量位置上被输送的物料流表面图像，同时，在物料流图像表面标记出各测量点a1、a2、a3……an；测量点a1、a2、a3……an与初始点A1、A2、A3……An一一对应，同时，标注各点的坐标；

再后，控制器接收图像处理器发送过来的测量位置物料表面图像信息，根据三角法测量原理计算出各个测量点a1、a2、a3……an的位置高度h1、h2、h3……hn，选定两两相邻的四个测量点作为计算物料流体积的最小单位块，计算出本最小单位块的面积，结合本最小单位块物料的高度，计算出本最小单位块的物料流体积V0；对所有的最小单位块物料流体积求和，即获得测量位置的输送带表面输送的物料流体积ΔV；

最后，按照上述方法，将ΔT时间内测量位置的物料流ΔV进行求和，获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C，C＝ΔV*ΔT。

优选地，所述控制器对输送带输送速度的控制过程为：控制器将计算出的输送带上单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C与物料加工装置的单位之间内加工物料量Q进行对比，对伺服电机输送速度进行实时控制；若C＞Q，则控制输送带降低输送速度，若C＜Q，则控制输送带提高输送速度。

优选地，所述物料输送下位机系统还包括PLC、电机变频器和安装在输送带的输送辊上的速度传感器，所述电机变频器与所述伺服电机连接，所述PLC与所述控制器连接，接收并执行控制器下发的指令，所述速度传感器获得输送带的实时速度并传递至PLC。

优选地，所述物料加工装置包括但不限于破碎机、包装机和分选机，所述上位机控制系统还包括显示屏，所述显示屏与控制器连接。

本发明技术方案的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统的有益效果是：通过物料图像提取装置获得输送带上物料体积分布，间接获得输送带筛物料质量分布，控制输送带的输送速度，实现对物料供给的精准控制，避免造成物料加工装置满载、超载问题，或者出现物料加工装置空载问题，确保加工效率。

附图说明

图1为本技术方案中结构光照射至未输送物料的输送带上示意图，

图2为本技术方案中结构光照射至输送带上输送有物料状态示意图，

图3为输送带输送物料状态下横截面示意图，

图4为结构光照射至输送带上输送有物料时测量点变化示意图，

图5为本技术方案的输送带物料流体积实时估测方法的流程示意图，

图6为本发明技术方案的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统的系统图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

如图6所示，本发明技术方案一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，包括物料输送下位机系统、设置在所述物料输送下位机系统后部的物料加工装置和与所述物料输送下位机系统信号连接的上位机控制系统。

本技术方案中，物料输送下位机系统包括输送带、驱动所述输送带输送的伺服电机、PLC、电机变频器和安装在输送带的输送辊上的速度传感器。所述电机变频器与所述伺服电机连接，所述PLC与上位机控制系统信号连接，接收并执行上位机控制系统的控制器下发的指令，所述速度传感器获得输送带的实时速度并传递至PLC。

本技术方案中，所述上位机控制系统包括控制器和与所述控制器连接的物料体积估测装置。所述控制器与所述物料输送下位机系统信号连接。所述物料体积估测装置包括与所述控制器连接的图像处理器和与所述图像处理器连接且设置在所述输送带上方的物料图像提取装置。所述物料图像提取装置包括等高安装在所述输送带上方的结构光光源和CCD相机，CCD相机与所述图像处理器连接。

本技术方案中，所述物料加工装置包括但不限于破碎机、包装机和分选机。所述上位机控制系统还包括显示屏，所述显示屏与控制器连接，用于显示和对控制器进行参数设定和参数修改。

基于上述技术方案，所述物料图像提取装置获得实时输送的物料图像并将信号传递至图像处理器，经过图像处理器处理获得输送的实时物料体积，并将信号发送至控制器。所述控制器依据物料加工装置的处理能力实时调整伺服电机输出转速，实现对输送带输送物料速度进行调节，使得物料输送速度与物料加工装置处理能力相匹配。

基于上述技术方案，通过物料图像提取装置获得输送带上物料体积分布，间接获得输送带筛物料质量分布，控制输送带的输送速度，实现对物料供给的精准控制，避免造成物料加工装置满载、超载问题，或者出现物料加工装置空载问题，确保加工效率。

基于上述技术方案，所述物料体积估测装置获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C步骤为：

首先，确定结构光光源和CCD相机安装位置的正下方的输送带上的区间段为测量位置，测量位置的宽度即为输送带的宽度，测量位置的长度选定为与结构光光源能够照射到的区域内；同时测量出本测量位置中心点N1位置距离物料加工装置的距离L，按照输送带实时输送速度，计算出本测量位置的物料进入物料加工装置时间为ΔT。

然后，所述结构光光源照射至测量位置的输送带表面，获得无畸变的初始测量位置图像，所述图像处理器在初始测量位置图像上标记出各初始点A1、A2、A3……An；同时，标注各点的坐标；同时，确定初始测量位置图像中心点N1，中心点N1与A1、A2、A3……An中一点重合。

再后，图像处理器接收测量位置上被输送的物料流表面图像，同时，在物料流图像表面标记出各测量点a1、a2、a3……an；测量点a1、a2、a3……an与初始点A1、A2、A3……An一一对应，同时，标注各点的坐标。

再后，控制器接收图像处理器发送过来的测量位置物料表面图像信息，根据三角法测量原理计算出各个测量点a1、a2、a3……an的位置高度h1、h2、h3……hn，选定两两相邻的四个测量点作为计算物料流体积的最小单位块，计算出本最小单位块的面积，结合本最小单位块物料的高度，计算出本最小单位块的物料流体积V0；对所有的最小单位块物料流体积求和，即获得测量位置的输送带表面输送的物料流体积ΔV。

最后，按照上述方法，将ΔT时间内测量位置的物料流ΔV进行求和，获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C，C＝ΔV*ΔT。

基于上述技术方案，所述控制器对输送带输送速度的控制过程为：控制器将计算出的输送带上单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C与物料加工装置的单位之间内加工物料量Q进行对比，对伺服电机输送速度进行实时控制；若C＞Q，则控制输送带降低输送速度，若C＜Q，则控制输送带提高输送速度。

本发明技术方案中，结构光光源为650nm红外激光光栅模组，包含3D建模结构光扫描光源，与CCD相机等高安装在输送带上方。CCD相机为高分辨率相机，将图像模拟信号转化为数字信号。输送带为输送皮带，在输送重物料时，向下凹陷，通过底部设置支撑，确保输送带在输送物料时呈基本固定的V形状，如图3所示状态。

利用上述各个设备对输送带上输送的物料体积进行估算过程为：

第一步，获得输送带上无物料时的结构光照射至测量位置的初始图像。

在输送带上选定一固定区间段作为测量位置，3D建模结构光扫描光源和CCD相机安装在测量位置中心点上方。通过调整3D建模结构光扫描光源焦距，在输送带上无物料时，使其照射至输送带上测量位置的图形呈规整的矩形网格状，如图1所示形态(图1中，虚线为输送带，实线网格即为3D建模结构光扫描光源在输送带上测量位置照射的光线，此时光线呈直线状态)。通过CCD相机对测量位置进行拍照，获得测量位置如图1所示的图形，标记为测量位置初始图像，并将测量位置初始图像的模拟信号转化为数字信号发送至中央处理器。中央处理器对测量位置初始图像中各小网格的顶点进行标记，并依据测量位置的宽度(与输送带宽度方向一致)和测量位置的长度(与输送带输送方向一致)计算出各点坐标。如图4所示，X1、X2……X8与Y1、Y2……Y8组成的网格即为上述测量位置初始图像中的一小部分。根据输送带宽度和测量位置的宽度与长度，本方案中的3D建模结构光扫描光源发射出50*50线网格，也即上述测量位置初始图像应为X1、X2……X50与Y1、Y2……Y50组成的网格，标记出初始测量位置图像上标记出各初始点A1、A2、A3……A2500。同时，标注各点的坐标。同时，确定初始测量位置图像中心点N1，中心点N1与A1、A2、A3……An中一点重合，假设中心点N1坐标为N1(X25，Y25)。

如图4中，测量位置初始图像中的四个初始点Ak、Ak+1、As、As+1，本初始点Ak、Ak+1、As、As+1为初始点A1、A2、A3……A2500中的四个点。上述四个初始点的坐标为Ak(X1，Y7)、Ak+1(X1，Y8)、As(X2，Y7)、As+1(X2，Y8)，按照上述规律标记出初始点A1、A2、A3……A2500的坐标。

第二步，在输送带输送物料时，获得测量位置实时输送的物料图像。

在输送带上有物料输送时，3D建模结构光扫描光源照射至物料表面，因物料边呈不平整状态，依据结构光方法测量原理：激光器投射的光束通过一柱面镜在空间中形成一窄的激光平面，当与物体表面相交时便在物体表面产生一亮的光条。该光条由于物体表面深度的变化以及可能的间隙而受到调制，表现在图像中为该光条发生了畸变和不连续，畸变的程度与深度成正比，不连续则显示了物体表面的物理间隙。则原3D建模结构光扫描光源在输送带成像的个点发生畸变，如图2所示，即结构光照射至物料表面，不在呈规整的矩形，其形成一个个不规整的四边形，且四边形的四个顶点位置高度不同。图2中，1为输送的物料，2为结构光在物料表面畸变后出现的网格，在网格下面具体输送的物料，为确保网格清晰，网格下部物料为画出。标记测量位置物料图像各点为测量点，具有测量点a1、a2、a3……a2500，上述测量点a1、a2、a3……a2500一一对应原初始点A1、A2、A3……A2500，获得测量点a1、a2、a3……a2500的坐标。如图4中，原初始点Ak(X1，Y7)、Ak+1(X1，Y8)、As(X2，Y7)、As+1(X2，Y8)，经过在物料表面畸变后为ak(X1+Δ1，Y7+Δ2)、ak+1(X1+Δ3，Y8+Δ4)、as(X2+Δ5，Y7+Δ6)、as+1(X2+Δ7，Y8+Δ8)，其中Δ1至Δ8分别为测量点相对原初始点移动量、畸变量。

第三步，估算出测量位置物料表面面积。

在第二步的基础上，依据测量位置物料表面各点的坐标，计算出，物料表面的面积。选定两两相邻的四个测量点，作为测量位置面积计算的最小面积块。如图4所示，两两相邻的四个测量点ak(X1+Δ1，Y7+Δ2)、ak+1(X1+Δ3，Y8+Δ4)、as(X2+Δ5，Y7+Δ6)、as+1(X2+Δ7，Y8+Δ8)，将四个测量点ak、ak+1、as、as+1围成的四边形近似视作矩形，其面积Sk为ak与ak+1之间距离乘以ak、as之间距离，即：

即

按照上述规律，将结构光在测量位置获得的物料表面图形的所有面积块均计算出面积，得到面积S1、S2、S3……S2500。上述Sk为S1、S2、S3……S2500中的一个。

第四步，因输送皮带输送过程为呈V型，各个初始点的位置高度不同，所以，确定测量位置初始图像中各初始点A1、A2、A3……A2500高度。

如图3中所示，中心点N1的高度为0，初始点N1距离相机高度为H2，H2数据通过手动测量得出，为已知量。同时依据测量位置宽度和长度计算出各个初始点位置高度。如图3所示，初始点N2位置H1，初始点N2距离相机高度为H2-H1为，而初始点N2距离中心点N1的距离为L1，L1根据初始点N2的坐标计算得出。因初始点N2为A1、A2、A3……A2500中的一个点，假设初始点N2坐标为N2(X30，Y35)，则初始点N2距离中心点N1的距离为L1为：

同理的，初始点N2畸变后的测量点n2的坐标为n2(X30+Δn2，Y35+Δn2)，测量点n2距离中心点N1的水平距离L2为

依据图3，测量点n2相对初始点N2的高度计算方法为

即

第五步，估算出测量位置物料体积。

由于结构光投影在物料上的网格较为密集，这里将物料近似看成由2500个不同高度和体积的立方体组成，在计算物料的整体体积时，则近似认为是这2500个不同体积的立方体之和。按照第三步计算得出的物料表面的面积和第四步计算得出的各个测量点的高度，计算出整体物料的体积。

架设第四步中的测量点n2即为第三步中的测量点ak、ak+1、as、as+1中的一点。第四步中以经分别计算出了测量点ak、ak+1、as、as+1的高度，假设测量点n2即为测量点ak，若是测量ak、ak+1、as、as+1的高度相等或近似，则直接区测量点n2高度H3为测量点ak、ak+1、as、as+1围成的面积块的高度，若是测量点ak、ak+1、as、as+1四点高度相差较大，则ak、ak+1、as、as+1围成的面积块的高度即为ak、ak+1、as、as+1四点高度的均值。这里架设ak、ak+1、as、as+1四点高度相等或近似，直接区测量点n2的高度H3为ak、ak+1、as、as+1围成的面积块的高度。则将ak、ak+1、as、as+1围成的面积对应的物料体积视作ak、ak+1、as、as+1围成的面积对应的柱体面积Vn2，则Vn2-＝Sk*H3，即按照本方法，计算出测量位置物料的全部体积V＝V1+V2+V3……+V2500。即在CCD相机获取一张测量位置的物料照片中，输送带表面输送的物料流体积ΔV＝V＝V1+V2+V3……+V2500。

第五步，按照上述第三步至第五步中的方法，将ΔT时间内测量位置的物料流ΔV进行求和，获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C，C＝ΔV*ΔT。当然，这里的公式C＝ΔV*ΔT中，是将ΔV视作恒定值的简化计算方式和方法。在实际中，因物料在输送带上体积分布和质量分布在不均匀的，CCD相机在单位时间内获取的测量位置的若干找图像中的ΔV并不是恒定或近似的，所以，这里单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C应该是CCD相机获取的每一帧图像中的物料的体积之和。

基于上述技术方案，所述控制器对输送带输送速度的控制过程为：控制器将计算出的输送带上单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C与物料加工装置的单位之间内加工物料量Q进行对比，对伺服电机输送速度进行实时控制；若C＞Q，则控制输送带降低输送速度，若C＜Q，则控制输送带提高输送速度。

一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，对物料流体积实时监测装置，可以较为精准且动态的了解输送带上物料实时的体积分布(或乘上空积密度得到质量分布)，当把这些数据传给后台上位机，则便于管理人员对于物料的运输状态，生产的调度管理起到参考依据作用。

比如，在矿石开采后，需要经过破碎机破碎，但是破碎机的单位时间内的破碎吨位有限，当过多的矿石短时间内输送到破碎机时，使得破碎机长时间满功率的工作，长期下去，对机器造成损伤，严重影响机器使用寿命。当单位时间内输送的矿石过少时，则破碎机的处理能力被闲置，浪费电力能源，也降低了生产效率，使用本物料加工进料伺服系统后，就可以较好的解决这一问题，既没有闲置机器的处理能力，也保证了较高的生产效率，节能，还利于设备的长期保养维护，达到更长的使用寿命，产生更大的经济效益。

同时，因矿石开采企业众多，矿石开采加工就需要对矿石进行传送运输和储存。在当前的实际生产加工过程中，对于矿石的产量，时吨数都有着不明确的数据检测问题，不利于企业的生产调度和储存加工，本系统是基于立体视觉的皮带物料体积的实时监测系统，由于能实时高效准确的检测到输送带上物料体积，并传回后台(上位机)，则管理人员可以轻松高效的掌握任何时间的物料吨量，方便管理调度和存储安排，对企业的生产工期安排具有指导意义。

本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，其特征在于，包括物料输送下位机系统、设置在所述物料输送下位机系统后部的物料加工装置和与所述物料输送下位机系统信号连接的上位机控制系统；所述物料输送下位机系统包括输送带和驱动所述输送带输送的伺服电机，所述上位机控制系统包括控制器和与所述控制器连接的物料体积估测装置，所述控制器与所述物料输送下位机系统信号连接；所述物料体积估测装置包括与所述控制器连接的图像处理器和与所述图像处理器连接且设置在所述输送带上方的物料图像提取装置；

所述物料图像提取装置获得实时输送的物料图像并将信号传递至图像处理器，经过图像处理器处理获得输送的实时物料体积，并将信号发送至控制器，所述控制器依据物料加工装置的处理能力实时调整伺服电机输出转速，实现对输送带输送物料速度进行调节，使得物料输送速度与物料加工装置处理能力相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，其特征在于，所述物料图像提取装置包括等高安装在所述输送带上方的结构光光源和CCD相机，CCD相机与所述图像处理器连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，其特征在于，所述物料体积估测装置获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C步骤为：

首先，确定结构光光源和CCD相机安装位置的正下方的输送带上的区间段为测量位置，测量位置的宽度即为输送带的宽度，测量位置的长度选定为与结构光光源能够照射到的区域内；同时测量出本测量位置中心点N1位置距离物料加工装置的距离L，按照输送带实时输送速度，计算出本测量位置的物料进入物料加工装置时间为ΔT；

然后，所述结构光光源照射至测量位置的输送带表面，获得无畸变的初始测量位置图像，所述图像处理器在初始测量位置图像上标记出各初始点A1、A2、A3……An；同时，标注各点的坐标；同时，确定初始测量位置图像中心点N1，中心点N1与A1、A2、A3……An中一点重合；

再后，图像处理器接收测量位置上被输送的物料流表面图像，同时，在物料流图像表面标记出各测量点a1、a2、a3……an；测量点a1、a2、a3……an与初始点A1、A2、A3……An一一对应，同时，标注各点的坐标；

再后，控制器接收图像处理器发送过来的测量位置物料表面图像信息，根据三角法测量原理计算出各个测量点a1、a2、a3……an的位置高度h1、h2、h3……hn，选定两两相邻的四个测量点作为计算物料流体积的最小单位块，计算出本最小单位块的面积，结合本最小单位块物料的高度，计算出本最小单位块的物料流体积V0；对所有的最小单位块物料流体积求和，即获得测量位置的输送带表面输送的物料流体积ΔV；

最后，按照上述方法，将ΔT时间内测量位置的物料流ΔV进行求和，获得单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C，C＝ΔV*ΔT。

4.根据权利要求1所述的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，其特征在于，所述控制器对输送带输送速度的控制过程为：控制器将计算出的输送带上单位时间内进入所述物料加工装置的物料流体积C与物料加工装置的单位之间内加工物料量Q进行对比，对伺服电机输送速度进行实时控制；若C＞Q，则控制输送带降低输送速度，若C＜Q，则控制输送带提高输送速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，其特征在于，所述物料输送下位机系统还包括PLC、电机变频器和安装在输送带的输送辊上的速度传感器，所述电机变频器与所述伺服电机连接，所述PLC与所述控制器连接，接收并执行控制器下发的指令，所述速度传感器获得输送带的实时速度并传递至PLC。

6.根据权利要求1所述的一种基于结构光体积测量的物料加工进料伺服系统，其特征在于，所述物料加工装置包括但不限于破碎机、包装机和分选机，所述上位机控制系统还包括显示屏，所述显示屏与控制器连接。

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