CN101943593B - 一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法，所述装置包括一组或多组激光器对、成像单元、处理单元和隔爆单元。所述的激光器对产生两束成一定夹角的激光束；所述的成像***用于获取激光束在煤面上形成的两点光斑图像；所述的处理单元计算两光斑点的中心距和煤仓料位的深度，并且控制光源，激光器对、相机以及电机工作；当用多组激光器对时，每次接通一组激光器对，依次接通直至形成两个类似的光斑；当用一组激光器对时，装置还包括旋转电机、直线电机。利用旋转电机的旋转和直线电机的直线运动来保证在煤面上形成两个类似的光斑；隔爆单元用来满足井下防爆要求。因而，本发明的优点在于：结构简单，成本低廉，精度高，鲁棒性好。

Description

一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法

技术领域

本发明为一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法，属于机器视觉、立体测量和自动化领域，用于快速正确获得煤仓料位的深度信息。

背景技术

煤仓料位的检测是煤矿安全生产的重要措施，随着煤源源不断地送入煤仓，煤面离煤仓顶部的距离越来越小，如不及时停止加煤，就有可能溢出，造成煤堆积，从而引发胶带输送机头积煤埋压和胶带机重载启动现象，进而引发一系列重大事故；如果煤下降到规定的最低料位后，如果不及时停止卸煤，一方面其下口结构受冲击而破坏，另一方面可能造成下部工作人员伤亡事故。同时，还可能由于贮仓上下口风流负压而造成的漏风和煤尘粉尘的飞扬，造成粉尘浓度急剧增加，可能造成***，酿成煤矿事故。因此，煤仓煤位的检测非常重要，通过实时检测煤仓的煤位，掌握煤仓储煤量情况，便于控制各部胶带机的送煤量，杜绝了煤仓堆煤事故的发生，消除隐患，实现安全运输生产。

目前常用的煤仓料位检测方法有：重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式、回转翼轮式、雷达式、超声波式、激光式、核子式等。其中重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式和回转翼轮式属于接触式测量方法，其余的为非接触式测量方法。最常用的有基于射频电容技术、基于超声波技术和基于雷达技术的三种测量方法，基于射频电容技术测量方法将一个无线电频率发送到探头上，通过连续的分析电容量的变化来实现测量；基于超声波技术的测量方法利用超声波发送和接受的时间差来实现测量；基于雷达技术的测量方法利用电磁波的发射波与反射波时间差来实现测量。

中国专利申请号200710038493.8，公开日2008.9.24，公开了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，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，进而获得物料值，从而实现物料测量。

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、并对图像进行处理，将分析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。

目前存在的煤仓料位测量方法有多种，这些方法和设备有着以下问题。

1)接触性测量方法由于探头接触物料，易粘住物料和损坏，而且大部分方法测量距离也比较小，重锤式料位传感器多是机械式的，包括显示部分整个结构很复杂，工作可靠性差，易出故障。

2)非接触式的测量方法，一旦测量头污染，测量精度大幅度下降，且该类方法一般要求煤面形状规则，内表面光滑，且测量盲区较大，测量精度不稳定，另外波传播时，仓内湿度也影响测量精度，且很多方法对煤仓的直径与深度比有一定的要求。

3)基于光圆图像的测距方法，由于成像存在太多盲点和图像的多解析性，特别煤的成分，颗粒度等差别，可能在缺失光斑或缺少光斑的大部分信息，因而测量误差大，鲁棒性低；

4)主动性差；由于煤仓的高深度，无光、煤的颗粒程度差别很大，无明显一致的特征，主动性差。

5)不易部署，在井下煤仓的有限位置部署，基于PC的视觉***，比较困难，且很难实现煤矿安全生产的特性。

为了提高煤仓料位测量的主动性，高精度，实时获得煤仓中煤的深度信息，且成本低廉，本发明提供了一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法，它利用激光器对提供主动光源，解决了高深煤仓煤质特征复杂的问题，且激光束的方向可变，有效地解决了光斑缺少的问题。用单个相机检测光斑点的间距，进而实现煤仓料位的测量，用较低的成本实现了较高的测量精度和高实时性。

本发明所述的目的由以下提出的基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置得以实现。所述的装置包括一组或多组激光器对、成像单元、处理器单元和防爆单元。所述的激光器对根据煤仓的深度产生两束成一定夹角的激光束；所述的成像***用于获取激光束在煤仓中煤面上形成的两点光斑图像；所述的处理器单元利用图像中两个光斑的中心距离以及两激光束的夹角计算煤仓料位的深度，并且控制光源，一组或多组激光器对、相机以及电机的工作；但用多组激光器对时，每次接通一组激光器对，依次接通直至在煤面上形成两个大小相差不大的光斑。当用一组激光器对时，装置进一步电机旋转单元、直线电机单元。电机旋转单元通过电机旋转来改变一组激光器对两激光束的的方向，保证在煤面上形成两个大小相差不大的光斑；直线电机单元驱动撑杆的开合控制两激光束之间的夹角大小；隔爆单元用来满足井下防爆要求。

本发明所述的目的由以下提出的基于激光和单目视觉的煤仓料位测量方法得以实现，所述方法包括如下步骤：

1)产生两束成固定夹角的激光束；

2)获取所述激光束在煤面上形成的光斑图像；

3)检测图像中光斑的数量和大小；

4)如果图像光斑是两个且两个大小相差不大，进入下一步，否则重复步骤2)

和步骤3)直到得到两个大小相差不大的光斑；

5)计算两个光斑之间距离；

6)根据步骤5)所得的距离和两激光束之间的夹角计算煤仓料位；

附图说明

以下结合附图对优选实施例进行详细描述，从这些描述中本发明的上述目的和优点将变得更加清楚。其中：

图1是本发明多组激光器对一种实施例料位测量装置的平面图；

图2是本发明用一组激光器对时一种实施例料位测量装置的平面图；

图3是本发明激光器对中每个激光器的蜂窝布置结构示意图；

图4是本发明激光和单目视觉煤仓料位测量装置的方框图；

图5是本发明激光和单目视觉煤仓料位测量原理示意图

图6、图7和图8表示本发明煤仓料位测量时所得图像的示意图；

图9是本发明煤仓料位测量的流程图；

图10是本发明用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图；

图11是本发明用一组激光器对时料位测量装置装配体右视图；

图12是本发明用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图半剖面图；

图13是本发明用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图局部剖面图；

图14是本发明用多组激光器对时料位测量装置主视图剖面图；

图15是本发明用多组激光器对时料位测量装置仰视图剖面图；

具体实施方法

下面将结合附图中所列的实例对本发明的优选实施例进行详细，说明，其中使用相似的附图标记来表示类似部件。

图1是本发明多组激光器对一种实施例料位测量装置的平面图；如图1所示，本发明煤仓料位测量装置包括：多组激光器对100，一个电荷耦合器件(CCD)相机6、光源5、防爆外壳8和外壳视窗10；所述的多组激光器对的每个激光器成圆周均匀或非均匀布置，多组激光器对100的每一组激光器对中的两个激光器(比如：激光器3和激光器4)对称布置，并产生固定夹角的激光束。所述的CCD相机6通过拍摄两束激光在煤面上形成的两个光斑的像而得到一副图像。所述的多组激光器对每次接通一组激光器对，依次接通，直到所述的CCD相机获得两个光斑的像。所述的光源5是由LED阵列组成，根据煤仓的深度点亮LED阵列中LED的数量，为获取好的图像提供合适的照明。所述的防爆外壳7是为了满足煤矿井下防爆要求而设计，其中的镶嵌的视窗10是高透光的。

图2是本发明用一组激光器对时一种实施例料位测量装置的平面图。如图2所示，本发明的煤仓料位测量装置包括：一组激光器对：激光器3和激光器4、一个电荷耦合器件(CCD)相机6、光源5、电机7、直线电机11、防爆外壳8和外壳视窗10。上述的激光器3和激光器4对称布置，并产生固定夹角的激光束。所述的CCD相机6通过拍摄两束激光在煤面上形成的两个光斑的像而得到一副图像。所述的光源5是由LED阵列组成，根据煤仓的深度点亮LED阵列中LED的数量，为获取好的图像提供合适的照明。所述的电机7，通过旋转来改变激光束的方向，确保在煤面上形成两个形状和大小类似的光斑。旋转时带动激光器固定架61、激光器固定架62、CCD相机，直线电机单元同时旋转，且一组激光器对，CCD相机，直线电机单元相对位置不变。所述的直线电机11，做直线运动，带动支撑杆63和支撑杆64开合，支撑杆63带动激光器固定杆61，支撑杆64带动激光器固定杆62，实现两激光束夹角的变化。所述的防爆外壳7是为了满足煤矿井下防爆要求而设计，其中的镶嵌的视窗10是高透光的。

图3是本发明激光对中每个激光器的蜂窝布置结构示意图；如图3所示，本发明的激光器3和激光器4是相同的，每个激光器包括激光器外壳32、蜂窝固定架31和激光头30。上述的激光器外壳32用来固定在旋转支架上。所述的蜂窝固定架31用来固定激光头30。激光器3和激光器4都是由多个激光头30组成，根据煤仓的深度确定接通激光头30的数量，以确保光斑大小提供合适的信息。

图4是本发明一种激光和单目视觉煤仓料位测量装置的方框图。如图4所示，控制单元41控制上述的激光器3和激光器4发射激光束，通过控制接通光源5中的LED阵列中LED的数量实现光源亮度的控制，且控制电机7旋转，从而实现激光光束的方向的改变。采集单元44控制所述的CCD相机6获取由激光束在煤面上形成的两个光斑点的图像。所述的CCD相机6和采集单元44获得的图像数据被存储在存储单元45中，并被用于图像处理和深度计算单元42计算光斑的数量大小和煤仓料位深度。外部通讯单元43负责与煤仓的装煤设备和卸煤设备进行通讯。

图5是本发明激光和单目视觉煤仓料位测量原理示意图。如图5所示，所述的测量装置301产生两束激光束所成夹角为，两束激光束煤面302上形成两个光斑：光斑303和光斑304，由CCD相机所获取图像中的两点光斑图像，通过处理器单元的计算得到两光斑的中心O₁和O₂，O₁表示光斑304的中心，O₂表示光斑303的中心，O表示两光束的夹角，O，O₁，O₂三点组成一个等腰三角形，根据O₁，O₂之间的距离B和两光束的夹角θ可以求得煤仓料位的深度d，其计算公式如下：

$d=\frac{B}{2\×\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

图6、图7和图8表示本发明煤仓料位测量时所得图像的示意。

图6中，利用CCD相机6得到在一束激光束完全投射到煤块之间的缝隙中的情况下的图像，根据本发明无法测量煤仓料位深度，需要利用上述的电机旋转机构7旋转一定的角度，从而改变两激光束的方向，再进行CCD相机6获取图像。

图7中，利用CCD相机6得到在一束激光束部分投射到煤块之间的缝隙中的情况下的图像，根据本发明测量煤仓料位深度可能造成误差，为了获取较高测量精度，需要利用上述的电机旋转机构7旋转一定的角度，从而改变两激光束的方向，再进行CCD相机6获取图像。

图8中，利用CCD相机6得到在两束激光束投射煤面上时图像，根据本发明就不需要电机旋转机构7进行旋转，利用CCD采集的图像进行两个斑点中心的求取，进而计算煤仓料位的深度。

图9本发明煤仓料位测量的流程图，如图9所示，为利用本发明的激光和视觉煤仓料位测量装置进行测量，在操作步骤101，接通一组激光器(激光器3和激光器4)以产生两束激光。在操作步骤102，得到由CCD相机6在煤面上形成的两个光斑点图像。在操作步骤103，对所得的图像进行滤波，使得滤除煤尘等噪音。在步骤104中，对滤波后的图像计算检测其中光斑的数量和大小。在操作步骤105中，判断操作步骤104检测的光斑数目是否有两个光斑，如果是，则进行操作步骤107，否则不动重复执行操作步骤106、操作步骤102、操作步骤103、操作步骤104和操作步骤105，直到图像中有两个光斑。在操作步骤107，判断两个光斑的大小相差是否小于等于阈值T，如果是，进行操作步骤109，否则不断重复执行操作步骤108、操作步骤102、操作步骤103、操作步骤104和操作步骤105和操作步骤107，直到有两个大小满足条件的光斑。在操作步骤109，关闭接通两激光发射组，实现节能和安全。在操作步骤200，通过获取两个光斑的信息进行两光斑中心信息的获取，进而计算两光斑的距离B。在操作步骤201，根据两激光束的夹角和两光斑的距离计算煤仓料位的深度。

图10是本发明用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图；如图10所示，相机基板14和光源基板16与隔爆外壳8螺钉连接；光源5与光源基板16螺钉连接；旋转电机7和电机固定板15通过螺钉固定在相机基板14上；激光固定架11和激光固定架12与相机固定架13通过销钉19连接。

图11是本发明用一组激光器对时料位测量装置装配体右视图；如图11所示，CCD相机6与相机固定架13螺钉连接；直线电机17与相机固定架13螺钉连接；

图12是本发明用一组激光对时料位测量装置装配体主视图半剖面图；如图12所示，激光支撑杆23和激光支撑杆24和直线电机17螺钉连接；激光支撑杆23和激光固定架12螺钉33连接；激光支撑杆24与激光固定架11螺钉25连接。

图13是本发明用一组激光对时料位测量装置装配体主视图局部剖面图；如图13所示，激光器3和激光固定架11过盈配合；激光器4和激光固定架12过盈配合；相机固定架13与转轴36通过螺栓连接；旋转电机轴37和转轴36通过键连接；轴承套34通过螺钉固定在相机基板14上；轴承35与轴承套34过盈配合。

图14是本发明用多组激光器对时料位测量装置主视图剖面图；如图14所示，激光固定台65和光源固定台66与隔爆外壳8焊接；多组激光对100外壳与激光固定台65螺钉连接；相机6与相机固定架69螺钉连接；相机固定架69与隔爆外壳8螺钉连接；多组激光对紧密配合固定在多组激光对100外壳内；每组激光器对中的两激光器(如激光器3和激光器4)按一定夹角对称布置；光源固定架68与光源固定台66螺钉连接；光源5与光源固定架68螺钉连接。

图15是本发明用多组激光器对时料位测量装置仰视图剖面图；如图15所示，多组激光器对100由多个激光器组成，且沿圆周均匀或非均匀布置；每组激光器对的两激光器(如激光器3和激光器4)对称布置；光源5有多个LED78组成。

如上所述，本发明提供一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量方法和装置。其原理是利用激光作为主动光源，产生成固定夹角的激光束，在煤面上形成两个光斑，通过CCD相机获取两个光斑图像，通过求取两光斑的中心距离来实现煤仓料位的测量。于是，本发明利用结构简单且结构低廉的激光发射器和CCD相机，使该煤仓料位测量装置在使用起来既方便又经济。另外，本发明优点在于，由于本发明基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置在测量煤仓料位时步骤简单，所以降低了整个煤仓料位测量***的负荷，而使得测量时间缩短，进而满足煤仓料位测量的实时性。再有，本发明的优点在于，由于利用激光作为主动光源，在煤面上形成激光光斑，有效解决了煤仓料位特征的复杂性，使得整个***的鲁棒性好；且由于本发明激光束方向可变，有效地解决了光斑确实问题；由于激光作为主动光源在煤面上形成光斑点，对视觉***的照明要求大幅度降低，从而解决了深煤仓照明最大难题。

尽管已描述了本发明的一些实施例，但对于熟悉本领域的人而言是清楚的，对这些实施例做多种改型而不致使脱离本发明的原理和精髓；所附个权利要求及其等效用语限定本发明请求保护范围。

Claims (17)

1.一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置，包括：一组或多组激光器对，每组激光器对包含两个激光器，用于产生成固定夹角的两束激光束；成像单元，用于获取所述激光束在煤面上形成的两点光斑图像；主处理器单元，它利用所述图像计算两光斑的中心距离，进而结合两激光束的夹角计算煤面到装置间的实际距离，即激光器对中两激光器采用对称布置，形成固定夹角，其角平分线垂直于料仓平面的直线，利用三角形原理求得煤仓料位的深度；防爆单元，用来实现煤矿井下的防爆要求；当装置仅包括一组激光器对时，装置还包括：两激光固定杆，用来固定激光器对；两支撑杆，通过直线电机用来控制两激光固定杆的开合程度；电机旋转单元，用来旋转两激光固定杆，从而改变激光束的方向，以保证煤面上有两个大小和形状类似的光斑图像；直线电机单元，用来驱动支撑杆的开合控制两激光束之间的夹角大小。

2.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：只有一组激光器对时，所述的两束激光束所成的初始夹角由煤仓的深度和直径确定，初始夹角的计算公式如下：

其中，θ表示两激光束之间的初始夹角；

表示煤仓直径；D表示煤仓的最大深度；S表示两激光固定杆和电机旋转单元的连接点到煤仓的距离。

3.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的激光器对中每一个激光器是由多个激光发射器组成，多个激光发射器成蜂窝状布置，且根据煤仓的最大深度确定接通激光发射器的数量。

4.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的每组激光器对按照两激光束的初始夹角对称布置，且每组激光器对中激光器位于一条直线上。

5.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的多组激光器对中激光器沿圆周均匀布置或非均匀布置。

6.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的电机旋转单元，当只用一组激光器对时，通过电机旋转单元旋转来控制两激光束的方向，从而确保在煤面上形成两个大小和形状都相似的两个光斑。

7.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的电机旋转单元，旋转时带动一组激光器对，CCD相机，直线电机单元同时旋转，且一组激光器对，CCD相机，直线电机单元相对位置不变。

8.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的多组激光器对，每次接通一组激光器对，依次接通直到煤面上有两个大小和形状类似的光斑图像。

9.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的直线电机单元，当只用一组激光器对时，通过直线电机单元的直线运动来控制固定激光器对的两激光固定杆的开合来实现两激光束夹角的变化，直到煤面上有大小合适的两光斑图像。

10.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述主处理器单元检测所述的图像中光斑的数量和形状，并且，若有两个光斑，且形状和大小相似，利用检测到两光斑的距离计算所述的煤仓料位的实际距离。

11.根据权利要求10所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：只有一组激光器对时，其中所述煤仓料位的实际距离由以下方程式计算：

$d=\frac{B}{2\×\tan \frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}}-S$

其中d表示煤仓料位的深度；θ₁表示两激光束之间的夹角；B表示两光斑的中心距离，S表示两激光固定杆和电机旋转单元的连接点到煤仓的距离。

12.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的防爆单元是包含视窗的防爆外壳，且视窗是高透光的。

13.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述主处理器单元，进一步包括采集单元、存储单元、控制单元、图像处理和深度计算单元和外部通讯单元。

14.根据权利要求13所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：所述的控制单元根据煤仓直径和料位的深度控制光源的亮度和一组激光器对中接通激光发射器的数量，并且根据成像情况控制电机旋转单元的旋转。

15.根据权利要求13所述的煤仓料位测量装置，其特征在于：图像处理和深度计算单元，它通过对所述图像进行处理而检测两光斑的位置信息，进而计算煤仓料位的深度。

16.一种根据权利要求1所述的激光和单目视觉的煤仓料位测量装置的煤仓料位测量方法，其中，所述方法包括如下步骤：

1)产生两束成固定夹角的激光束；

2)获取所述激光束在煤面上形成的光斑图像；

3)检测图像中光斑的数量和大小；

4)如果图像光斑是两个且两个大小相差不大，进入下一步，否则重复步骤2)和步骤3)直到得到两个大小相差不大的光斑；

5)计算两个光斑之间距离；

6)根据步骤5)所得的距离和两激光束之间的夹角计算煤仓料位的深度。

17.根据权利要求16所述的煤仓料位测量方法，其特征在于：只有一组激光器对时，步骤6)所述煤仓料位的深度由以下方程式计算：

$d=\frac{B}{2\×\tan \frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2}}-S$

其中d表示煤仓料位的深度；θ₁表示两激光束之间的夹角；B表示两光斑的中心距离，S表示两激光固定杆和电机旋转单元的连接点到煤仓的距离。

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