CN108981842B - 基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算及偏载和堵料识别方法 - Google Patents

Abstract

基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算及偏载和堵料识别方法，体积计算方法包括步骤：在带式输送机胶带上方选定两个安装点分别安装高清摄像机和激光发射器；激光发射器发射出线性激光光源，垂直投射到胶带的负载表面形成曲线，胶带空载时的表面激光线定义为基准曲线，把有负载时的表面激光线定义为负载曲线；高清摄像机同胶带呈一定角度，建立像素点差值与高度之间的关系表，通过对图像的抓拍分析，获取任意一次的负载激光扫描曲线上的像素点对应的物料实际高度，描绘出整个负载曲线像素点的实际高度曲线图；通过三维模型建立分析得出负载曲面图；基于网格划分法计算出一定时间内的负载体积；结合体积计算方法判断胶带物料是否偏载或堵料。

Description

基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算及偏载和堵 料识别方法

技术领域

本发明涉及散状物料带式输送检测领域，具体涉及一种基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算及偏载和堵料识别方法。

背景技术

在电站、煤矿及港口等行业中应用广泛的槽型胶带输送机，其运行过程中出现胶带跑偏现象是常见的故障，在输送过程中，如果发生落料点不对中，或者负载不均衡，将会导致输送机的胶带发生无规则的偏移现象。当偏移量超出了各项工艺指标，输送机设备有可能出现胶带两侧撕裂，造成输送***中的物料大量洒漏，价值昂贵的胶带彻底性损坏，从而进一步导致整套物料输送***的故障停机，装置停工。

目前胶带跑偏检测主要采用大型控制站单元配合完成，***复杂成本高，而传统的跑偏开关检测***往往又不能实时判断跑偏状态，造成不能及时纠偏而损伤胶带，经济损失较大。对重载跑偏还没有一套能满足现场使用需要的检测办法，没有一套可以实现快速计算物料体积且能准确判断料点不正的装置；目前对转载点溜槽堵料都基于各类传感器(射频导纳型、阻旋式或开关式等)，受环境影响故障率很高，受安装位置影响检测准确度往往低于50％；还没有通过快速识别转载点溜槽单位时间内进出胶带物料的体积来判断堵料的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有胶带检测存在的上述不足，提供一种基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算及偏载和堵料识别方法，提取图像的特征激光线，描绘出特征激光线在实际空间中的高度位置，通过单位时间内连续的抓拍和特征线提取，绘制出胶带上物料的表面形状，从而计算单位时间内的物料体积，并判断胶带物料是否偏载或溜槽堵料。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，包括如下步骤：

步骤S1、在胶带上方选定两个安装点，其中一个安装点C用于安装高清摄像机(夜间作业，需要安装补光灯)，高清摄像机实时抓拍胶带运行图片；另一个安装点T选定在离摄像机安装点1～2m的距离，用于安装激光发射器，产生线性特征激光线；

步骤S2、在T点的激光发射器发射出线性激光垂直投射到胶带的负载面，在胶带的负载表面形成一个曲线，通过高清摄像机，按单位时间Δt进行抓拍，由于胶带负载的高度不一致，则采样的激光线在图片上的像素点位置不一样，把胶带空载时的表面激光线定义为基准曲线Line_b，把有负载时的表面激光线定义为负载曲线Line_f；

步骤S3、建立像素点差值与高度之间的关系表Table_mh，通过对图像的抓拍分析，任意一次的负载激光扫描曲线上的像素点与基准曲线上的像素点(两个点的连线垂直x轴)之间的像素差值都通过查询关系表Table_mh，来获取其像素点对应的实际高度，从而描绘出整个负载曲线像素点的实际高度曲线图；

步骤S4、通过三维模型建立，从而分析得出Δt时间内的负载曲面图；

步骤S5、基于网格划分法，最终计算出Δt时间内的负载体积。

按上述方案，所述步骤S1中激光发射器中线CT与胶带面的中线在垂直视角上重合，激光发射器垂直胶带面照射，高清摄像机与胶带面成一定角度，使得发射的激光线尽量在图像画面中央。

按上述方案，所述步骤S3建立像素点差值与高度之间的关系表Table_mh具体为：

以高清摄像机为原点，水平为x轴，垂直地面为z轴方向(特征像素点获取与煤堆在地面上有所不同，因为大地在体积计算的时候，认为大地是一个大平面矩形，但胶带在运动过程中，是个曲线凹面)，首先在胶带空载时，对胶带表面激光线进行特征像素点提取分别为M_b0、M_b1……M_bn，然后在胶带表面依次向上增加单位d厘米的高度的特征物，并采集每层特征物上的激光线特征像素点M_l0、M_l1……M_ln，其中l表示层数，则有公式表示：

ΔM_lb≡Δl×d

Δl表示两层特征物之间的特征像素点的像素差，ΔM_lb表示胶带底部到第l层特征物间的高度距离；则关系表Table_mh建立如下：

按上述方案，所述步骤S4三维模型建立具体为：

随着胶带的运动，通过高清摄像机采集到N个连续单位时间Δt内的负载表面激光线的特征像素点，并通过规则化网格表面建模，对N个单位时间内的胶带传输的负载进行三维建模呈现，y轴正方是胶带运动的方向，则胶带在单位时间内Δt的行走距离S₀P₀为：

S₀P₀＝ν₀×Δt

其中，ν₀为已知的胶带运行的匀速度。

按上述方案，所述步骤S5基于网格划分法最终计算出Δt时间内的负载体积具体为：

基于规则格网DEM或基于三角形DEM的体积，根据三棱柱体积累计的原理进行负载体积的近似计算：

设M′_ik、M′_(i+1)k、M′_i(k+1)为堆料三维表面特征像素点M_ik、M_(i+1)k、M_i(k+1)在平面上的投影，设M′_ikM_ik、M′_(i+1)kM_(i+1)k、M′_i(k+1)M_i(k+1)的长度分别为h₁、h₂、h₃，三角形M_ikM_(i+1)kM_i(k+1)在平面上的投影面积为ΔS，则由M_ik、M′_ik、M_(i+1)k、M′_(i+1)k、M_i(k+1)、M′_i(k+1)构成的三棱柱的体积ΔV为：

由M_ik、M_(i+1)k、M_i(k+1)的三维坐标信息，即x向坐标分别为x_ik、x_(i+1)k、x_i(k+1)，y向坐标分别为y_ik、y_(i+1)k、y_i(k+1)，z向坐标分别为z_ik、z_(i+1)k、z_i(k+1)，得知，h₁＝z_ik、h₂＝z_(i+1)k、h₃＝z_i(k+1)，并且计算出投影面积：

ΔS＝(x_(i+1)k-x_ik)(y_k+1-y_k)/2

则有：

由上得到相邻两次扫描的截面体积微元：

从而算出单位时间内的胶带运输物料的体积为：

其中，m是纵向点(y轴方向)取点范围，n是横向点(x轴方向)取点范围。

本发明还提供了一种带式输送机胶带物料堆形偏载识别方法，结合上述带式输送机胶带物料堆形体积计算方法，包括如下步骤：

皮带运输物料时，高清摄像机采集的激光线特征像素点均匀分布在z轴两侧，以y轴为中心，将物料三维模型分为左右两部分，分别对x轴正方向的三维模型的体积计算为V_x+，对x轴负方向的三维模型的体积计算为V_x-，设定偏载阈值常量为V_cx，当|V_x+-V_x-|>V_cx，则判断胶带发生了偏载现象，输出运行或控制需要的信号源。

本发明还提供了一种带式输送机转载点溜槽物料堵料识别方法，结合上述带式输送机胶带物料堆形体积计算方法，包括如下步骤：

(1)假设统计物料转载点入料端胶带的体积是从t₁时刻开始，至t₂时刻结束，t₂-t₁时间段内的物料转载点入溜槽体积为V_in；

(2)物料通过转载点溜槽的时间长为ΔT，则溜槽出口(出槽口扫描仪)开始计算物料体积的时刻为t₁+ΔT，结束时刻为t₂+ΔT，t₂-t₁时间段内物料出溜槽体积为V_out；

(3)设定溜槽剩余阈值V_c，当V_in-V_out>V_c，则判定溜槽了发生积料堵料现象。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明基于图像特征像素点提取原理，测算出特征像素点与胶带底部的高度差，从而计算在单位时间内，物料在胶带上运输的体积

2、结合物料在胶带中线两侧的分布情况，即准确的确定负载体积在y轴两边的分布情况，判断胶带是否发生了偏载现象；

3、结合一定时间段内的物料进入溜槽体积与物料出溜槽体积差，一旦超出设定溜槽剩余阈值，则判定溜槽了发生堵料现象。

附图说明

图1为本发明基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法的实施示意图；

图2为本发明实施例皮带空载时的基准曲线和有负载时的负载曲线的结构示意图；

图3为本发明实施例对皮带传输时负载进行三维模型的结构示意图；

图4为本发明实施例对物料堆形以三角形进行网格划分和体积计算的模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细的描述。

本发明胶带物料堆形体积计算方法，包括如下步骤：

步骤S1、如图1所示，面S₀S₁P₁P₀为胶带面，选定两个安装点C、T，其中一个安装点C为胶带上方的装高清摄像机(夜间作业时需要安装补光灯)安装点，实时抓拍胶带运行图片；另一个安装点T为胶带上方的激光发射器安装点，选定在离摄像机安装点C有1～2m的距离，并且安装高度高于高清摄像机，中线CT与胶带面S₀S₁P₁P₀的中线在垂直视角上基本重合，激光发射器垂直胶带面，高清摄像机与胶带面成一定角度，使得激光发射器发射的激光线尽量在高清摄像机拍摄的图像画面中央；

步骤S2、在T点的激光发射器发射出激光，在胶带的负载表面形成一个曲线，通过高清摄像机，按一定的时间频率Δt进行抓拍，由于胶带负载的高度不一致，则采样的激光线在图片上的像素点位置不一样，把胶带空载时的表面激光线定义为基准曲线Line_b，把有负载时的表面激光线定义为负载曲线Line_f，如图2所示，两条不同高度负载时，表面的激光曲线Line_{f_1}、Line_{f_2}，M_bi,M_fi,M_gi分别是垂直胶带方向，不同高度激光扫描曲线上的一点；

步骤S3、建立像素点差值与高度之间的关系表Table_mh，通过对图像的抓拍分析，任意一次的负载激光扫描曲线上的像素点与基准曲线上的像素点(两个点的连线垂直x轴)之间的像素差值都通过查询关系表Table_mh，来获取其像素点对应的实际高度，从而描绘出整个负载曲线像素点的实际高度曲线图；

建立像素点差值与高度之间的关系表Table_mh具体为：

以高清摄像机为原点，水平为x轴，垂直地面为z轴方向。特征像素点获取与煤堆在地面上有所不同，因为大地在体积计算的时候，可以认为大地是一个大平面矩形，但胶带在运动过程中，是个曲线凹面，因此，首先在胶带空载时，对胶带表面激光线进行特征像素点提取分别为M_b0、M_b1……M_bn，然后在胶带表面依次向上增加单位厘米(d cm)的高度的特征物，并采集每层特征物上的激光线特征像素点M_l0、M_l1……M_ln，其中l表示层数，则有公式表示：

ΔM_lb≡Δl×d

Δl表示两层之间的像素差，ΔM_lb表示胶带底部到第l层间的高度距离；

步骤S4、通过三维模型建立，从而分析得出Δt时间内的负载曲面图；

三维模型建立具体为：

随着胶带的运动，通过高清摄像机采集到N个连续单位时间Δt内的负载表面激光线的特征像素点，并通过规则化网格表面建模，对N个单位时间内的胶带传输的负载进行三维建模呈现，y轴正方向，是胶带运动的方向，如图3所示，其中S₀P₀为胶带在单位时间内Δt的行走距离，已知胶带运行的匀速度为ν₀，则行走距离为：

S₀P₀＝ν₀×Δt

步骤S5、基于网格划分法，最终计算出Δt时间内的负载体积，具体为：

基于规则格网DEM或基于三角形DEM的体积，通常可以根据棱柱、三棱柱体积累计的原理进行负载体积的近似计算。其基本思想是以基底面积乘以格网点曲面的平均高度，然后进行累积，则可求得基于规则格网DEM的体积。

如图4所示，本发明实施例以三角形进行网格划分和体积计算，M′_ik、M′_(i+1)k、M′_i(k+1)为堆料三维表面特征像素点M_ik、M_(i+1)k、M_i(k+1)在平面上的投影，设M′_ikM_ik、M′_{(i+1) k}M_(i+1)k、M′_i(k+1)M_i(k+1)的长度分别为h₁、h₂、h₃，三角形M_ikM_(i+1)kM_i(k+1)在xoy平面上的投影面积为ΔS，则由M_ik、M′_ik、M_(i+1)k、M′_(i+1)k、M_i(k+1)、M′_i(k+1)构成的三棱柱的体积ΔV为：

由M_ik、M_(i+1)k、M_i(k+1)的三维坐标信息(各个点在x，y，z向的空间坐标值)，即x向坐标分别为x_ik、x_(i+1)k、x_i(k+1)，y向坐标分别为y_k、y_k、y_k+1，z向坐标分别为z_ik、z_(i+1)k、z_i(k+1)，得知，h₁＝z_ik、h₂＝z_(i+1)k、h₃＝z_i(k+1)，并且计算出投影面积：

ΔS＝(x_(i+1)k-x_ik)(y_k+1-y_k)/2

则有：

由上得到相邻两次扫描的截面体积微元：

其中z_(i+1)(k+1)为相邻两次扫描相对z_(i+1)k、z_i(k+1)以此类推的坐标，从而算出单位时间(N个Δt)内的胶带运输物料的体积为：

其中，m是纵向点取点范围，n是横向点取点范围。

胶带物料堆形偏载识别：结合上述基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，皮带运输物料时，高清摄像机采集的激光线特征像素点均匀分布在z轴两侧，以y轴为中心，将物料三维模型分为左右两部分，分别对x轴正方向的三维模型的体积计算为V_x+，对x轴负方向的三维模型的体积计算为V_x-，设定偏载阈值常量为V_cx，当|V_x+-V_x-|>V_cx，则判断胶带发生了偏载现象，输出运行或控制需要的信号源。

胶带溜槽物料堵料识别：结合上述基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，由于胶带是不断的、连续的运送物料，因而判断物料的进出溜槽的量是否一致，首先得确定进出的物料是同一对象，假设统计物料转载点入溜槽的体积是从t₁时刻开始，至t₂时刻结束，t₂-t₁时间段内的物料转载点入溜槽体积为V_in；物料通过转载点溜槽的时间长为Δt，则出槽口扫描仪开始计算物料体积的时刻为t₁+Δt，结束时刻为t₂+Δt，t₂-t₁时间段内物料出溜槽体积为V_out；设定溜槽剩余阈值V_c，当V_in-V_out>V_c，则判定溜槽了发生积料堵料现象。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、在胶带上方选定两个安装点，其中一个安装点C用于安装高清摄像机，高清摄像机实时抓拍胶带运行图片；另一个安装点T选定在离摄像机安装点1～2m的距离，用于安装激光发射器，产生线性特征激光线；

步骤S2、在T点的激光发射器发射出线性激光垂直投射到胶带的负载面，在胶带的负载表面形成一个曲线，通过高清摄像机，按单位时间Δt进行抓拍，由于胶带负载的高度不一致，则采样的激光线在图片上的像素点位置不一样，把胶带空载时的表面激光线定义为基准曲线Line_b，把有负载时的表面激光线定义为负载曲线Line_f；

步骤S3、建立像素点差值与高度之间的关系表Table_mh，通过对图像的抓拍分析，任意一次的负载激光扫描曲线上的像素点与基准曲线上的像素点之间的像素差值都通过查询关系表Table_mh，来获取其像素点对应的实际高度，从而描绘出整个负载曲线像素点的实际高度曲线图；

步骤S4、通过三维模型建立，从而分析得出Δt时间内的负载曲面图；

步骤S5、基于网格划分法，最终计算出Δt时间内的负载体积，具体为：

基于规则格网DEM或基于三角形DEM的体积，根据三棱柱体积累计的原理进行负载体积的近似计算：

设M′_ik、M′_(i+1)k、M′_i(k+1)为堆料三维表面特征像素点M_ik、M_(i+1)k、M_i(k+1)在平面上的投影，设M′_ikM_ik、M′_(i+1)kM_(i+1)k、M′_i(k+1)M_i(k+1)的长度分别为h₁、h₂、h₃，三角形M_ikM_(i+1)kM_i(k+1)在平面上的投影面积为ΔS，则由M_ik、M′_ik、M_(i+1)k、M′_(i+1)k、M_i(k+1)、M′_i(k+1)构成的三棱柱的体积ΔV为：

由M_ik、M_(i+1)k、M_i(k+1)的三维坐标信息，即x向坐标分别为x_ik、x_(i+1)k、x_i(k+1)，y向坐标分别为y_k、y_k、y_k+1，z向坐标分别为z_ik、z_(i+1)k、z_i(k+1)，得知，h₁＝z_ik、h₂＝z_(i+1)k、h₃＝z_i(k+1)，并且计算出投影面积：

ΔS＝(x_(i+1)k-x_ik)(y_k+1-y_k)/2

则有：

由上得到相邻两次扫描的截面体积微元：

从而算出单位时间内的胶带运输物料的体积为：

其中，m是纵向点取点范围，n是横向点取点范围。

2.根据权利要求1所述的基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，其特征在于，所述步骤S1中激光发射器中线CT与胶带面的中线在垂直视角上重合，激光发射器垂直胶带面照射，高清摄像机与胶带面成一定角度，使得发射的激光线尽量在图像画面中央。

3.根据权利要求1所述的基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，其特征在于，所述步骤S3建立像素点差值与高度之间的关系表Table_mh具体为：

以高清摄像机为原点，水平为x轴，垂直地面为z轴方向，首先在胶带空载时，对胶带表面激光线进行特征像素点提取分别为M_b0、M_b1……M_bn，然后在胶带表面依次向上增加单位d厘米的高度的特征物，并采集每层特征物上的激光线特征像素点M_l0、M_l1……M_ln，其中l表示层数，则有公式表示：

ΔM_lb≡Δl×d

Δl表示两层特征物之间的特征像素点的像素差，ΔM_lb表示胶带底部到第l层特征物间的高度距离；则关系表Table_mh建立如下：

1 2 …… n ΔM_l0M_b0 d 2d nd ΔM_l1M_b1 d 2d nd …… …… …… …… …… ΔM_lnM_bn d 2d nd

。

4.根据权利要求3所述的基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，其特征在于，所述步骤S4三维模型建立具体为：

随着胶带的运动，通过高清摄像机采集到N个连续单位时间Δt内的负载表面激光线的特征像素点，并通过规则化网格表面建模，对N个单位时间内的胶带传输的负载进行三维建模呈现，y轴正方是胶带运动的方向，则胶带在单位时间内Δt的行走距离S₀P₀为：

S₀P₀＝ν₀×Δt

其中，ν₀为已知的胶带运行的匀速度。

5.一种带式输送机胶带物料堆形偏载识别方法，结合权利要求1～4任一项所述的基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)皮带运输物料时，高清摄像机采集的激光线特征像素点均匀分布在z轴两侧，以y轴为中心，将物料三维模型分为左右两部分，分别对x轴正方向的三维模型的体积计算为V_x+，对x轴负方向的三维模型的体积计算为V_x-；

(2)设定偏载阈值常量为V_cx，当|V_x+-V_x-|>V_cx，则判断胶带发生了偏载现象，输出运行或控制需要的信号源。

6.一种带式输送机转载点溜槽物料堵料识别方法，结合权利要求1～4任一项所述的基于激光线性光源辅助的胶带物料堆形体积计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)假设统计物料转载点入料端胶带的体积是从t₁时刻开始，至t₂时刻结束，t₂-t₁时间段内的物料转载点入溜槽体积为V_in；

(2)物料通过转载点溜槽的时间长为ΔT，则溜槽出口开始计算物料体积的时刻为t₁+ΔT，结束时刻为t₂+ΔT，t₂-t₁时间段内物料出溜槽体积为V_out；

(3)设定溜槽剩余阈值V_c，当V_in-V_out>V_c，则判定溜槽了发生积料堵料现象。