CN114212452A - 基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法及节能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法及节能控制系统，包括通过对工业相机采集的几何图像平面与物理空间的点进行映射关系的标定，确定视觉系统的内外参数；采用线激光仪投射到待测的带式输送机的煤流上，形成“一”字激光条纹；计算出实际的煤量横截面面积并传入至视觉系统中；系统终端使用相机传来的实际横截面面积和相机拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，得出实际的煤流体积数据；采用内置调速仲裁机制对运动控制器发出对应的调速指令。本发明的有益效果是：便捷的采集实时煤流量信息，将带速调节至煤流量负载适宜的带式输送机速度，减少电机设备与机械设备损耗，降低成本，有效实现节能降耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种皮带煤流检测与调速装置，具体为一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法及节能控制系统，属于输送皮带状态检测技术领域。
背景技术
带式输送机承担着地面和井下煤炭的运输，是煤矿生产运输的主要设备。带式输送机上煤流量的实时检测是煤炭产量监测的重要步骤；同时，煤料运输过程中的皮带机带速影响带式输送机电能利用率及控制系统的经济运行。
煤矿生产运输系统煤流量监测和带速智能调节是煤矿运输智能化的重要环节,但目前大型煤矿煤流量检测和运行能耗方面存在的问题，导致无法实现运输系统节能降耗,且无法提高矿井原煤运输的效率和安全性。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法及节能控制系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，该检测方法包括以下步骤
步骤一、通过对工业相机采集的几何图像平面与物理空间的点进行映射关系的标定，确定视觉系统的内外参数；
步骤二、采用线激光仪投射到待测的带式输送机的煤流上，形成“一”字激光条纹；
步骤三、将工业相机采集到的带有激光条纹的图像经过图像处理算法提取优化后清晰的光斑轮廓线，并与空载时带式输送机轮廓叠加计算出封闭的煤流堆叠区域；
步骤四、计算出实际的煤量横截面面积并传入至视觉系统中；
步骤五、系统终端使用工业相机传来的实际横截面面积和工业相机拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，得出实际的煤流体积数据；
步骤六、用内置调速控制策略对PLC控制器发出对应的调速指令；
步骤七、PLC控制器接收终端的控制指令，PLC控制器调节伺服电机的转速，进而控制带式输送机速度，以适应实时煤流量调整带速；
其中，所述工业相机和线激光仪均安装在带式输送机的正上方，所述伺服电机的转动轴与带式输送机的输送轮进行连接。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤一中，还包括工业相机的标定板，其步骤包括：
采用工业相机的标定板进行图像系统标定，将工业相机的标定板在图像中的位置还原至标准形状建立仿射矩阵，进而计算相机的内外参数；该方法有效的还原了相机拍摄的位置误差，简单方便。将计算矩阵存储配置至相机内，便于获取正视、未变形的图像数据。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤二中，形成线激光的步骤包括：
采用线激光仪从上放“一”字型投射到煤流量表面，在被测物表面形成一条激光条纹。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤三中，图像处理算法包括：
图像滤波增强、仿射变换、ROI区域分割、曲线轮廓拟合，激光条纹中心线提取等。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤三中，计算出煤量横截面的实际面积过程包括：
使用计算的仿射矩阵得出像素的标定单位，将存在煤流时提取的激光条纹与空载时提取的激光条纹做差，通过区域内像素点的数量和视觉系统标定的单位进行转换，从而准确的计算出煤量横截面的实际面积。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤四中，还包括图像传输模块，其采用相机专用的千兆以太网通信协议开发的GigE接口进行数据传输。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤五中，系统终端包括煤流计算模块；使用相机传来的实际横截面面积和相机拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，计算得出实际的煤流体积数据。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤六中内置调速控制策略，其步骤包括：
获取视觉系统计算出的煤流量信息和带式输送机的速度信息，通过对煤流量信息的分析计算出合适的带速范围，用实际的速度信息与分析出的带速范围进行比较，从而对运动控制器发出相应的控制指令。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤七中，PLC控制器接收终端的控制指令后，其处理步骤包括：
对变频器发出与接受指令对应的控制指令，进而调节变频器控制皮带输送机速度，以适应实时煤流量调整带速。
一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测节能控制系统，该检测系统包括：
数据采集模块：采用CCD工业相机，获取带式输送机现场图像数据；
图像传输模块：采用GigE进行长距离的快速图像传输至视觉系统终端，进行后续的数据计算与决策；
数据计算与决策模块：计算出实时煤流量信息，决策出合适的带式输送机速度，与实际带速比较后发送调速指令；
运动控制模块:接收系统终端的控制指令，调节PLC控制器控制带式输送机实时速度。
本发明的有益效果是：
1、基于激光辅助与机器视觉结合的煤流量检测与传统接触式测量相比可以更加准确便捷的提取煤流的轮廓信息，从而准确计算出煤流量信息；
2、本发明采用工业智能相机，将图片信息处理完成后传入至系统终端，有效减少传输量，提升传输速度；
3、本发明不需通过复杂的计算，采用横截面信息以及相机的采集帧率即可获得煤流量信息，从而进行皮带输送机的优化调速；
4、本发明上位机软件控制系统实现了煤流三维信息的计算以及智能调节带式输送机的速度，减少电机设备与机械设备损耗，降低成本，有效实现节能降耗。
附图说明
图1为本发明机械结构示意图；
图2为本发明总体方案示意图；
图3为本发明煤流检测与调速流程图；
图4为本发明带速仲裁机制图；
图5为本发明上位机系统结构图。
图中：1、带式输送机，2、工业相机，3、线激光仪，4、系统终端，5、PLC控制器，6、伺服电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1～5，一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，该检测方法包括以下步骤
步骤一、通过对工业相机2采集的几何图像平面与物理空间的点进行映射关系的标定，确定视觉系统的内外参数；
步骤二、采用线激光仪3投射到待测的带式输送机1的煤流上，形成“一”字激光条纹；
步骤三、将工业相机2采集到的带有激光条纹的图像经过图像处理算法提取优化后清晰的光斑轮廓线，并与空载时带式输送机1轮廓叠加计算出封闭的煤流堆叠区域；
步骤四、计算出实际的煤量横截面面积并传入至视觉系统中；
步骤五、系统终端4使用工业相机2传来的实际横截面面积和工业相机2拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，得出实际的煤流体积数据；
步骤六、用内置调速控制策略对PLC控制器5发出对应的调速指令；
步骤七、PLC控制器5接收终端的控制指令，PLC控制器5调节伺服电机6的转速，进而控制带式输送机1速度，以适应实时煤流量调整带速。
其中，所述工业相机2和线激光仪3均安装在带式输送机1的正上方，所述伺服电机6的转动轴与带式输送机1的输送轮进行连接。
在本发明实施例中，所述步骤一中，还包括工业相机2的标定板，其步骤包括：
采用工业相机2的标定板进行图像系统标定，将工业相机2的标定板在图像中的位置还原至标准形状建立仿射矩阵，进而计算相机的内外参数；该方法有效的还原了相机拍摄的位置误差，简单方便。将计算矩阵存储配置至相机内，便于获取正视、未变形的图像数据。
在本发明实施例中，所述步骤二中，形成线激光的步骤包括：
采用线激光仪3从上放“一”字型投射到煤流量表面，在被测物表面形成一条激光条纹。
激光辅助的带式输送机瞬时煤量检测，图像处理过程主要实现目标是对激光条纹图像的提取和特征分析，可快速精准地获得煤流的截面全轮廓信息；
当“一”字线激光条纹投射到带式输送机表面上时，激光条纹会受到输送机表面的煤流形态变化而发生变化：当皮带上空载时，皮带底面激光条纹平滑、无局部跳跃、无断点；当皮带上存在煤流时，线激光条纹会受到煤流表面的变化而出现跳跃、断点等现象。通过对检测图像中光条特征的提取和分析，实现对皮带撕裂事故的检测。
具体的采集流程如下：将“一”字线激光条纹投射到带式输送机表面上，激光条纹会受到输送机表面的煤流形态变化而发生变化。打开工业相机将采集到的带有激光条纹的图像经过图像滤波增强、仿射变换、ROI区域分割、曲线轮廓拟合等图像处理算法提取优化后清晰的光斑轮廓线，并与空载时皮带输送机轮廓叠加计算封闭的煤流堆叠区域。
在本发明实施例中，所述步骤三中，图像处理算法包括：
图像滤波增强、仿射变换、ROI区域分割、曲线轮廓拟合，激光条纹中心线提取等。
图像滤波是首先对图像灰度化处理，采用几何均值滤波器对图像中的噪声进行滤除，平滑图像，再模糊图像的同时降低了噪声干扰，相对于算术均值滤波器更好保证了原始图像信息的完整。Sxy表示中心在(x,y)点，尺寸为m×n(m和n是奇数)的矩形子图像窗口的坐标数组，算术均值滤波过程就是计算由Sxy定义的区域中被干扰图像g(x,y)的平均值，在任意点(x,y)处复原图像
的值，就是用Sxy定义的区域中的像素计算得到的几何均值
图片增强是有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要；
图像分割是指从指定图像中将某个具有指定特征的区域与其它区域进行分离并提取出来的处理过程，由于图像分割处理实际上就是对图像中的“前景目标”和“背景”进行划分，“一”字线激光器输出的激光束是一种结构比较特殊的高斯光束，线激光平面与被测物体表面相交形成具有一定宽度的光条纹，获取的线激光条纹原始图像上光条横截面上的光强分布是不均匀的，而是近似服从一种特殊的高斯分布，且线激光图像灰度分布具有高对比度和细长形状等特征，能够准确地实现对激光条纹的分割和特征提取，从而将对整幅检测图像相关特征的提取转移到对激光条纹相关特征的提取上；
激光条纹区域分割采用动态阈值分割的方法在图像处理时，受外界环境的干扰一般比较大，假如在阈值分割时采用固定阈值，那么在环境改变时分割效果受影响极大，那么为了避免此影响就必须采用动态阈值，自动求出合适的阈值进行分割；
激光条纹的中心线提取是带式输送机煤流量监测的关键,由于煤块的大小、形状不同,且其表面粗糙不平整,易造成投影激光遮挡,导致图像中线激光条纹形成断裂。对于激光条纹图像中断点的修复采用形态学填充孔隙并使用曲线拟合法的光条中心亚像素精度提取算法。
在本发明实施例中，所述步骤三中，计算出煤量横截面的实际面积过程包括：
使用计算的仿射矩阵得出像素的标定单位，将存在煤流时提取的激光条纹与空载时提取的激光条纹做差，通过区域内像素点的数量和视觉系统标定的单位进行转换，从而准确的计算出煤量横截面的实际面积。
在本发明实施例中，所述步骤四中，还包括图像传输模块，其采用相机专用的千兆以太网通信协议开发的GigE接口进行数据传输。
在本发明实施例中，所述步骤五中，系统终端4包括煤流计算模块；使用相机传来的实际横截面面积和相机拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，计算得出实际的煤流体积数据。
在本发明实施例中，所述步骤六中内置调速控制策略，其步骤包括：
获取视觉系统计算出的煤流量信息和带式输送机的速度信息，通过对煤流量信息的分析计算出合适的带速范围，用实际的速度信息与分析出的带速范围进行比较，从而对运动控制器发出相应的控制指令。
在本发明实施例中，所述步骤七中，PLC控制器5接收终端的控制指令后，其处理步骤包括：
对变频器发出与接受指令对应的控制指令，进而调节变频器控制皮带输送机速度，以适应实时煤流量调整带速。
实施例二
请参阅图1～5，一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测节能控制系统，该检测系统包括：
数据采集模块：采用CCD工业相机2，获取带式输送机1现场图像数据；
图像传输模块：采用GigE进行长距离的快速图像传输至视觉系统终端，进行后续的数据计算与决策；
数据计算与决策模块：计算出实时煤流量信息，决策出合适的带式输送机1速度，与实际带速比较后发送调速指令；
运动控制模块:接收系统终端4的控制指令，调节PLC控制器5控制带式输送机实时速度。
通过采用工业相机采集线激光照射的煤流图片，通过截面积与相机帧率信息使用积分方法计算煤流量信息，通过视觉系统的决策机制，实现对带式输送机的智能调速。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：该检测方法包括以下步骤
步骤一、通过对工业相机（2）采集的几何图像平面与物理空间的点进行映射关系的标定，确定视觉系统的内外参数；
步骤二、采用线激光仪（3）投射到待测的带式输送机（1）的煤流上，形成“一”字激光条纹；
步骤三、将工业相机（2）采集到的带有激光条纹的图像经过图像处理算法提取优化后清晰的光斑轮廓线，并与空载时带式输送机（1）轮廓叠加计算出封闭的煤流堆叠区域；
步骤四、计算出实际的煤量横截面面积并传入至视觉系统中；
步骤五、系统终端（4）使用工业相机（2）传来的实际横截面面积和工业相机（2）拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，得出实际的煤流体积数据；
步骤六、用内置调速控制策略对PLC控制器（5）发出对应的调速指令；
步骤七、PLC控制器（5）接收终端的控制指令，PLC控制器（5）调节伺服电机（6）的转速，进而控制带式输送机（1）速度，以适应实时煤流量调整带速；
其中，所述工业相机（2）和线激光仪（3）均安装在带式输送机（1）的正上方，所述伺服电机（6）的转动轴与带式输送机（1）的输送轮进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤一中，还包括工业相机（2）的标定板，其步骤包括：
采用工业相机（2）的标定板进行图像系统标定，将工业相机（2）的标定板在图像中的位置还原至标准形状建立仿射矩阵，进而计算相机的内外参数；该方法有效的还原了相机拍摄的位置误差，简单方便；将计算矩阵存储配置至相机内，便于获取正视、未变形的图像数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤二中，形成线激光的步骤包括：
采用线激光仪（3）从上放“一”字型投射到煤流量表面，在被测物表面形成一条激光条纹。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤三中，图像处理算法包括：
图像滤波增强、仿射变换、ROI区域分割、曲线轮廓拟合，激光条纹中心线提取等。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤三中，计算出煤量横截面的实际面积过程包括：
使用计算的仿射矩阵得出像素的标定单位，将存在煤流时提取的激光条纹与空载时提取的激光条纹做差，通过区域内像素点的数量和视觉系统标定的单位进行转换，从而准确的计算出煤量横截面的实际面积。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤四中，还包括图像传输模块，其采用相机专用的千兆以太网通信协议开发的GigE接口进行数据传输。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤五中，系统终端（4）包括煤流计算模块；使用相机传来的实际横截面面积和相机拍摄的帧率数据对煤流量实际状态采用积分算法进行三维模拟，计算得出实际的煤流体积数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤六中内置调速控制策略，其步骤包括：
获取视觉系统计算出的煤流量信息和带式输送机的速度信息，通过对煤流量信息的分析计算出合适的带速范围，用实际的速度信息与分析出的带速范围进行比较，从而对运动控制器发出相应的控制指令。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测方法，其特征在于：所述步骤七中， PLC控制器（5）接收终端的控制指令后，其处理步骤包括：
对变频器发出与接受指令对应的控制指令，进而调节变频器控制皮带输送机速度，以适应实时煤流量调整带速。
10.一种基于激光辅助和图像处理的煤流检测节能控制系统，其特征在于：该检测系统包括：
数据采集模块：采用CCD工业相机（2），获取带式输送机（1）现场图像数据；
图像传输模块：采用GigE进行长距离的快速图像传输至视觉系统终端，进行后续的数据计算与决策；
数据计算与决策模块：计算出实时煤流量信息，决策出合适的带式输送机（1）速度，与实际带速比较后发送调速指令；
运动控制模块：接收系统终端（4）的控制指令，调节PLC控制器（5）控制带式输送机实时速度。
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| CN117906633A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-19 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种适用于升船机试验的非接触式船舶运动和位移监测装置 |
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