一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法和裝置的製作方法

2023-06-11 15:28:46

專利名稱：一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明為一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法和裝置，屬於機器視覺、 立體測量和自動化領域，用於快速正確獲得煤倉料位的三維位置信息。
背景技術：
煤倉料位的檢測是煤礦安全生產的重要措施，隨著煤源源不斷地送入煤倉，煤面 離煤倉頂部的距離越來越小，如不及時停止加煤，就有可能溢出，造成煤堆積，從而引發膠 帶輸送機頭積煤埋壓和膠帶機重載啟動現象，進而引發一系列重大事故；如果煤下降到規 定的最低料位後，如果不及時停止卸煤，一方面其下口結構受衝擊而破壞，另一方面可以保 證下部工作人員的安全。同時，還可防止由於貯倉上下口風流負壓而造成的漏風和煤塵粉 塵的飛揚，造成粉塵濃度急劇增加，可能造成爆炸，釀成煤礦事故。煤倉煤位的檢測非常重 要，通過實時檢測煤倉的煤位，掌握煤倉儲煤量情況，便於控制各部膠帶機的送煤量，杜絕 了煤倉堆煤事故的發生，消除隱患，實現安全運輸生產。目前常用的煤倉料位檢測方法有重錘式、電極式、電容式、機杆式、稱重式、迴轉 翼輪式、雷達式、超聲波式、雷射式、核子式等。其中重錘式、電極式、電容式、機杆式、稱重式 和迴轉翼輪式屬於接觸式測量方法，其餘的為非接觸式測量方法。最常用的有基於射頻電 容技術、基於超聲波技術和基於雷達技術的三種測量方法，基於射頻電容技術測量方法將 一個無線電頻率發送到探頭上，通過連續的分析電容量的變化來實現測量；基於超聲波技 術的測量方法利用超聲波發送和接受的時間差來實現測量；基於雷達技術的測量方法利用 電磁波的發射波與反射波時間差來實現測量。中國專利申請號200710038493. 8，
公開日2008. 9. 24，公開了一種基於機器視覺 的非接觸式連續測量小顆粒狀物質料位的高可信度方法及其裝置，裝置由特殊點光源、圖 像採集機、機器視覺模塊等組成，圖像採集機採集由點光源發射出的光束在物料表面形成 的高亮度光圓圖像，通過機器視覺模塊採用驗證型光圓檢測算法進行分析和處理，計算出 光圓的直徑或面積大小，進而獲得物料值，從而實現物料測量。中國專利申請號01107328. 4，
公開日2002. 11. 6，公開了一種數字視頻料位計，由 視頻輸入器、圖像採集卡、微處理器和顯示屏等相互連接而成，把視頻輸入器對準被測物 料，視頻輸入器又連接到圖像採集卡的視頻輸入端，微處理器控制圖像採集卡按用戶設定 的採樣周期採集料位圖像、並對圖像進行處理，將分析的料位坐標值與標定的刻度計比較 計算出料位真實值，同時將料位圖像、料位真實值以及該值的變化趨勢顯示在顯示屏上。目前存在的煤倉料位測量方法有多種，這些方法和設備有著以下問題。1)接觸性測量方法由於探頭接觸物料，易粘住物料和損壞，而且大部分方法測量 距離也比較小，重錘式料位傳感器多是機械式的，包括顯示部分整個結構很複雜，工作可靠 性差，易出故障。2)非接觸式的測量方法，一旦測量頭汙染，測量精度大幅度下降，且該類方法一般 要求煤面形狀規則，內表面光滑，且測量盲區較大，測量精度不穩定，另外波傳播時，倉內溼度也影響測量精度，且很多方法對煤倉的直徑與深度比有一定的要求。3)基於單個相機的測距方法，由於成像存在太多盲點和圖像的多解析性，如圖7 真實世界的5中不同的物體其2D圖像是一樣的，測量誤差大；4)精度低，當空間三維場景物體投影到二維圖像時，同一景物在不同視點下圖像 相差很大，且由於煤倉中條件惡劣，煤的幾何形狀和物理特性，噪聲幹擾等，都被綜合在單 一的圖像灰度裡。從包含如此之多不利因素的圖像中很難求得高精度的、深度信息，很可能 造成很大誤差。5)主動性差；由於煤倉的高深度，無光、煤的顆粒程度差別很大，無明顯一致的特 徵，主動性差。6)不易部署，在井下煤倉的有限位置部署，基於PC的視覺系統，比較困難，且很難 實現煤礦安全生產的特性。為了提高煤倉料位測量的主動性，高精度，實時獲得煤倉中煤的深度信息，且易於 部署，本發明提供了 一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法和裝置。

發明內容
本發明的目的在於提出一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法和裝置，為 了提高煤倉料位測量的主動性，高精度，實時獲得煤倉中煤的深度信息，且易於部署。它受 人雙眼觀測距離的啟示，利用成本較低的雷射發射器和兩個相機，以相對較高的精度測量 煤倉料位的深度。本發明的前述目的將由以下提出的一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量裝 置來實現，所述裝置包括一個或多個雷射器，每次接頭一個雷射器用於產生雷射束，且雷射束大小可變；成像單元，由兩個參數一致的CCD相機和兩個參數一致的鏡頭組成，用於獲取所 述雷射束在煤面上形成的光斑圖像對；主處理器單元，它利用所述的圖像對計算在光斑在一對圖像中視差，進而計算煤 面到裝置間的實際距離；光源，由LED陣列組成，用於提供相機採集圖像時的照明，且亮度可調；防爆單元， 用來實現煤礦井下的防爆要求。當裝置用多個雷射器時，每次接通一個雷射器，依次接通直至在煤面上形成合適 的光斑點；當裝置用一個雷射器時，裝置還包括電機旋轉機構；電機旋轉機構帶動兩相機和雷射旋轉，並且兩相機和雷射的相對位置不變，以保 證形成合適斑點。當工作在可選的傳感器檢測模式時，裝置進一步包括卸煤傳感器和裝煤傳感器。雷射發射模塊由多個雷射發射頭組成，根據煤倉的深度確定接通雷射發射頭的數 量；光源由LED陣列組成，根據煤倉的深度確定接通LED陣列中LED的數量，從而使光照在 一個合適的範圍。所述的處理器主要包括圖像讀取單元，與兩個相機相連，用於讀取兩個相機的圖像對數據，並存儲到指定的存儲單元。圖像存儲單元，用來存儲圖像讀取單元讀取的圖像對數據，並根據立體處理單元 的要求把圖像對數據輸入到處理單元。立體處理單元，用來對兩個圖像進行預處理、立體匹配和深度計算。控制單元，用來控制光源點亮LED陣列的數量，用來控制雷射發射與關閉，用來控 制兩個相機開始採集圖像和停止採集，控制傳感器信號的處理。本發明的前述目的將由以下提出的一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方 法得以實現，所述的方法包括如下步驟1)雷射發射模塊向煤倉煤面上發射雷射束，在煤面形成雷射斑利用兩個CXD相機 採集圖像對圖像1 =^X, y)和圖像2 :f2(x, y)；2)標定CXD相機和鏡頭的內部參數；3)對步驟一採集的兩幅同一幀的圖像圖像fjLy) *f2(x，y)利用改進的灰度形 態學，進行先腐蝕後膨脹預處理，其步驟為(1).對圖像f\(X，y)和f2(x，y)進行腐蝕操作，公式如下
權利要求
一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法，其特徵在於雷射器產生雷射束作為主動光源，雷射束的大小根據煤倉深度以及料位深度進行改變，在煤面上形成雷射斑，平行布置的雙目相機同時獲取同一斑點的圖像，形成圖像對，對圖像利用改進的算法對圖像對預處理，對預處理後的圖像通過新的立體匹配算法檢測斑點在兩幅圖像中視差來實現煤倉料位測量。測量步驟為(1.)雷射器向煤面發射雷射束，在煤面上形成雷射斑，利用兩個CCD相機獲取圖像對；(2.)標定兩個CCD相機和兩個鏡頭的內參數；(3.)對步驟(1.)採集的兩幅同一幀的圖像利用改進的腐蝕和膨脹算法進行先腐蝕後膨脹預處理；(4.)將預處理後的兩幅圖像作為輸入，利用利用新的快速立體視覺算法計算深度圖；(5.)根據深度圖獲得煤倉料位的深度，最終實現高效、實時、準確的煤倉料位測量目的。有兩種可選的測量策略實時檢測模式和傳感器檢測模式。
2.根據權利要求1所述的煤倉料位測量方法，其特徵在於步驟(1.)所述的利用兩個 CCD相機獲取的圖像對，為同一個時刻採集的同一個雷射斑的兩幅圖像。
3.根據權利要求1所述的煤倉料位測量方法，其特徵在於步驟(3.)所述的對採集的 圖像利用改進的腐蝕和膨脹算法進行先腐蝕後膨脹預處理，具體實現如下(1.)對圖像f^x，y)和f2(x，y)進行腐蝕操作，公式如下mill if (s, t), Mean{f(s + χ, t + y) | (χ, y)=<(當丨f(s,t) - Meanmin{f(s,t), Median{f(s + x, t +當丨 f(s,t) — Mean(2.)對圖像(χ, y)和f2 (χ, y)進行膨脹操作，公式如下 mm {f(s.( t), Mean(f(s ~x,t-(當丨ffet) - Mean{f(s-x,t■ minffCs^t), Median{f(s 一 χ, t — is,t)-Mean{f(s~x,tf① b)(s.,t)= <式中，f代表輸入圖像f (x，y)，b代表結構元素b (x, y)，Mean{A}表示集合A中元素的 均值，Median {Α}表示集合A中元素的中值，Db是b的定義域，T是閾值。
4.根據權利要求1所述的煤倉料位測量方法，其特徵在於步驟(4.)所述的利用新的 快速立體視覺算法計算深度圖，具體實現步驟如下(1.)首先利用最大類間方差法求取分別對圖像A(^y) *f2(x，y)閾值Ti, i = 1，2， 然後進行二值化，像素值大於或等於閾值的，像素值設置成255，否則像素值設置成0;(2.)掃描圖像f\(X，y)所有像素，獲得像素值為255的相互連通的所有像素的最小外接矩形徹餵1(4, Kifcrf, 乂J，其左上角坐標為(4,乂)，右下角坐標為(3.)掃描圖像f2(x，y)所有像素，獲得像素值為255相互連通的所有像素的最小外接矩WM^^^Lj，其左上角坐標為(X^W)，右下角坐標為(xL,Jdj;(4.)生產新的圖像yrw(x,力和圖像/rw(x,少)，新的圖像/rw(x，_v)和圖像ΛΤ卞，少)的寬 度為Wmw，高度為hn ，圖像V)的像素由圖像Aky)從(xmin，ymin)為起點，寬度為， 高度為hn 內矩形內的圖像複製得到；新圖像/T(U)的像素由圖像f2(x，y)從(xmin，ymin) 為起點，寬度為，高度為hn 內矩形內的圖像複製得到其中，、in 二 ^inKv, xLd, 4, xLd I" 20^max = max{4 , xInd 』 4 , XL· }+ 20^min = minU, yld, 乂，ylnd} - 20少匪=max{x;, y\nd，y\, y2end} + 20new ___ ι -ιWXmax Xmin 丄h y"max Ymin+ 丄(5.)對圖像和圖像進行立體匹配得到視差圖，匹配準則為差值絕對 值之和。(6.)根據公式Λ ，其中f為焦距、b為基線長，d為視差，由視差圖恢復深度圖，進 a而實現煤倉料位測量。
5.根據權利要求1所述的煤倉料位測量方法，其特徵在於所述的實時檢測模式，可以 不安裝裝煤傳感器和卸煤傳感器，是指實時測量料位，其特徵是每次測量後，判斷料位變化 情況，如果料位沒有變化，延時T2毫秒後進行下一次測量和判斷料位變化情況，如果料位 有變化，延時T3毫秒後進行下一次測量和判斷料位變化情況，T3小於等於T2。
6.根據權利要求1所述的煤倉料位測量方法，其特徵在於所述的傳感器檢測模式，裝 置進一步包括卸裝煤傳感器和裝煤傳感器，根據傳感器的情況進行檢測，其特徵是，如果卸 煤傳感器和裝煤傳感器都沒有信號，裝置處於待機狀態，一旦卸煤傳感器或裝煤傳感器有 信號，就開始料位測量，兩次測量採集圖像的間隔為T2毫秒。
7.一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量裝置，包括一個或多個雷射器，用於產生雷射束，且雷射束大小可變；成像單元，由兩個參數一致的CCD相機和兩個參數一致的鏡頭組成，用於獲取所述激 光束在煤面上形成的光斑圖像對；處理單元，它利用所述的圖像對，計算在光斑在一對圖像中視差，進而計算煤面到裝置 間的實際距離；光源，由LED陣列組成，用於提供相機採集圖像時的照明，且亮度可調；防爆單元，用來 實現煤礦井下的防爆要求。當用一個雷射器時，裝置還包括電機旋轉機構；電機旋轉機構帶動兩相機和雷射旋轉，並且兩相機和雷射的相對位置不變，以保證形 成合適斑點。
8.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的兩個CCD相機分別和兩鏡頭同心，兩鏡頭中心相對距離，稱為基線，長度為120mm，通過精密加工和微小調整保 證鏡頭軸心線平行。
9.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的雷射器由多個雷射 發射頭組成，根據煤倉的深度確定接通雷射發射頭的數目，從而改變雷射束的大小。且雷射 發射模塊是本質安全型的模塊。
10.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的多個雷射器，每次 接通一個雷射器發射光束，依次接通直到煤面上有合適的光斑點。
11.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的多個雷射器沿圓周 均勻或非均勻布置。
12.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的電機旋轉機構，但 用一個雷射器時，當沒有合適光斑時，旋轉機構通過帶動兩相機和雷射器旋轉，並且兩相機 和雷射的相對位置不變，以保證形成合適斑點。
13.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的處理器單元，進一 步包括圖像讀取單元，與CCD相機相連，用於讀取兩個相機的圖像對，並存儲到指定的存儲單兀。圖像存儲單元，用來存儲圖像對讀取單元讀取的圖像數據，並根據立體處理單元的要 求把圖像對數據輸入到處理單元。立體處理單元，用來對圖像對進行預處理、立體匹配和深度計算。控制單元，用來控制光源點亮LED陣列的數量，用來控制雷射發射與關閉，用來控制兩 個CCD相機開始採集圖像和停止採集，控制傳感器信號的處理。
14.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的具有視窗的防爆外 殼是防爆的，且視窗是高透光的。
15.根據權利要求7所述的煤倉料位測量裝置，其特徵在於所述的光源，其發光體是 紅外LED陣列，根據上次測得的煤倉料位的情況，控制點亮LED的數量。
全文摘要
本發明是一種基於雷射和雙目視覺的煤倉料位測量方法和裝置，屬於機器視覺領域，它包括兩個具有相同參數的CCD相機、兩個參數一致的鏡頭、一個或多個雷射器、光源、處理器單元和具有視窗的隔爆外殼。當用一個雷射器時裝置還包括旋轉機構。方法是雷射器發射可變大小的雷射束，在煤面上形成光斑，利用光斑在兩個相機的圖像視差來測量料位，其步驟為雷射器產生雷射束，在煤面上形成光斑，利用兩個相機採集圖像對；對獲取的圖像對利用改進算法進行先腐蝕後膨脹預處理；對預處理後的兩幅圖像，利用新的快速立體視覺算法計算深度圖；根據深度圖獲得深度，最終實現高效、實時、準確的煤倉料位測量。裝置有兩種測量策略實時檢測模式和傳感器檢測模式。
文檔編號G06T5/00GK101949721SQ20091025967
公開日2011年1月19日 申請日期2009年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者劉松, 孫繼平 申請人:中國礦業大學(北京)