CN101270981A

CN101270981A - 一种基于机器视觉的料位测量方法和装置

Info

Publication number: CN101270981A
Application number: CNA2007100384938A
Authority: CN
Inventors: 高幼年; 沈文忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-09-24

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的非接触式连续测量小颗粒状物质料位的高可信度方法及其装置，属物位测量的技术领域。该装置由特殊点光源、图像采集机、机器视觉模块等组成，图像采集机采集由点光源发射出的光束在物料表面形成的高亮度光圆图像，通过机器视觉模块采用验证型光圆检测算法进行分析和处理，计算出光圆的直径或面积大小进而获得料位值，经D/A转换成4－20mA信号输出，同时该值与压缩的现场实景JPEG图像编码后形成串行信号输出，另外还能将图像采集机采集的原始图像信号输出。

Description

一种基于机器视觉的料位测量方法和装置

技术领域

本发明涉及到一种基于机器视觉的非接触式连续测量小颗粒状物料料位的高可信度方法及其装置，属于物位测量的技术领域。

背景技术

一般需要测量料位的物料都存放在一个容器里，该容器往往是十几米高的筒状体、锥状体或半筒半锥状混合体。随着物料源源不断地送入容器，物料距离容器顶部的距离越来越近，如不及时停止加料，就有可能溢出。目前对料位的测量有多种方法，如射频导纳物位计，应用射频电容技术，将一个无线电频率施加在探头上，通过连续的分析电容量的变化，确定由周围环境造成的影响，是一种接触式物位计；超声波物位计，应用测量超声波脉冲发送和接收的时间差来计算物距；雷达物位计，用光速电磁波传播，依据时域反射原理或调频连续波原理，测量与被测界面之间的距离。尽管它们测量的原理、精度以及应用场合不尽相同，但它们有一个公共的不足点，就是在显示料位的同时不能显示物料的现场实景，因此一旦受到某种影响导致料位信息不准确时，就会误导操作人员，发生物料溢出等事故，有些事故甚至会造成严重的后果。例如火力发电厂的煤仓，如图1，它是上半体筒状下半体锥状的容器，以每分钟近十吨的速度加仓，每个仓位能容纳近百吨煤，一旦料位计发生故障，操作人员每晚发现一分钟，就意味着有近十吨煤溢出，往往会造成严重事故。

中国专利申请号01107328.4，公开日2002.11.6，公开了一种数字视频料位计，由视频输入器、图像采集卡、微处理器和显示屏等相互连接而成，把视频输入器对准被测物料，视频输入器又连接到图像采集卡的视频输入端，微处理器控制图像采集卡按用户设定的采样周期采集料位图像，并对该图像进行处理，将分析出的料位坐标值与标定的刻度计比较计算出料位真实值，同时将料位图像、料位真实值以及该值的变化趋势显示在显示屏上。其测量料位的主要手段是利用料位坐标点所处标定的刻度计上的读数来获取料位真实值的，而本发明是利用随物料料位的高低而不断变化的光圆直径或面积大小来进行料位测量的。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于机器视觉的非接触式连续测量小颗粒状物料料位的方法以及能同时真实地显示料位现场实景图像的装置。

本发明的技术方案是：采用一种特殊的点光源，安装在料仓的顶部，如图2所示，点光源射出的光束，投射在物料表面，从料仓的垂直剖面上可以看出是等腰的锥形。而在不同高度的水平横截面上可以看到它们是不同直径的光圆。设A-A横截面与点光源之间垂直高度为L₁，横截面上光圆的半径为R₁，面积为S₁，B-B横截面与点光源之间的垂直高度为L₂，横截面上光圆的半径为R₂，面积为S₂，C-C横截面与点光源之间垂直高度为L₃，横截面上光圆的半径为R₃，面积为S₃，垂直高度L与光圆的半径R之间的关系为

\frac{L_{1}}{R_{1}} = \frac{L_{2}}{R_{2}} = \frac{L_{3}}{R_{3}},

垂直高度L与光圆面积之间的关系为

\frac{L_{1}}{\sqrt{\frac{S_{1}}{π}}} = \frac{L_{2}}{\sqrt{\frac{S_{2}}{π}}} = \frac{L_{3}}{\sqrt{\frac{S_{3}}{π}}},

即

\frac{L_{1}}{L_{2}} = \frac{\sqrt{\frac{S_{1}}{π}}}{\sqrt{\frac{S_{2}}{π}}} = \sqrt{\frac{S_{1}}{S_{2}}}, \frac{L_{1}}{L_{3}} = \sqrt{\frac{S_{1}}{S_{3}}},

假设L₁＝1，S₁为已知值A，那么

L_{3} = \sqrt{\frac{S_{3}}{A}},

也就是说，只要知道C-C横截面上光圆的面积S₃，就可求出C-C横截面与点光源之间的垂直距离L₃。

在料仓加仓的过程中，物料慢慢地由底部向上堆积，点光源在物料表面形成不同面积的光圆，如图3，随着物料的堆积，光圆的面积逐渐变小，如图4。因此测得在物料表面形成的光圆的面积，就能求出物料表面与点光源之间的垂直高度进而得到物料料位。

把图像采集机集成在点光源中，该图像采集机采集由物料和点光源在物料表面形成的光圆所组成的图像，由于光圆和物料介质之间有较明显的边界，通过验证型光圆检测算法，即自适应阈值分割与区域生长算法处理该图像，检测出光圆的面积；同时采用边缘检测与哈夫变换算法检测光圆边界获得光圆直径，进一步验证光圆面积或直径检测的可信度，如果两次处理结果一致，则说明检测准确可信，否则将被过滤；而且由于仓内的物料是慢慢向上堆积，还可利用光圆面积或物料料位的渐变特性验证检测结果的可信度。

基于机器视觉的料位测量装置是一种嵌入式***，框图如图5所示。

在该装置中，图像采集机获得包含光圆的图像信号经机器视觉模块中的数字图像处理单元后，一路通过分析处理求出光圆的直径或面积值，该值经料位计算单元得到料位的数字量，料位数字量经D/A转换成4-20mA信号输出。从数字图像处理单元输出的第二路信号经视频D/A转换模块，还原成视频图像信号输出，第三路经JPEG压缩单元压缩后与现场料位数字量以及生成的校验码经过信号编码单元，形成串行复合信号，以二线形式输出料位量和现场实景JPEG图像的复合信号。例如串行信号传输速率为57600b/s，通过计算1秒内可传输分辨率约为160×120的JPEG图像与料位量信号。

附图说明

图1是火力发电厂的煤仓示意图；

图2是根据光圆直径或面积获得物料料位的原理示意图；

图3，图4是光圆随物料料位高低而变化的煤仓侧视图；

图5是料位测量装置***结构图。

Claims

1. 一种基于机器视觉的料位测量的方法和装置，其特性在于：

(1)本装置采用的方法是在料仓顶部安装特殊的点光源，发光强度大，经聚焦后向固定的方向发射出光束投射在物料表面，在该表面形成高亮度光圆。该光圆的直径或面积大小随物料料位的高低而不断变化。

(2)本装置采用图像采集机与DSP图像处理器集成采集和分析处理由物料与物料表面形成的光圆组成的图像，经过图像分析得到光圆的面积或直径，由此求出料位值。

2. 根据1所述装置，为了提高料位检测的准确性和可信度，提出了验证型光圆检测算法，其特性在于：利用两种或多种独立的光圆检测算法。如通过自适应阈值分割与区域生长算法检测光圆面积进而获得直径，同时采用边缘检测与哈夫变换算法检测光圆边界获得光圆直径，将两种检测算法得到的直径进行比较是否一致，最终结合运用光圆面积或物料料位的渐变特性共同验证料位检测的准确性和可信度。