基于激光扫描的带式输送机瞬时煤量检测方法.pdf

第44卷 第4期 2018年4月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 文章编号671-251X201804-0020-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17302 基 于 激 光U描 的 带 式 输 送 机 瞬 时 煤 量 检 测 方 法 关丙火 神华神东煤炭集团有限责任公司， 陝 西 神 木 719315 摘要针对现有井下带式输送机煤量激光仪器检测方式未提出明确激光线提取方法的问题， 提出了一种 基于激光扫描的带式输送机瞬时煤量检测方法。通过数字摄像仪和激光仪器获取带式输送机上散煤的图 像 ， 利 用 Ohta颜色空间特性提取激光线轮廓， 并进行基于索引表的激光线细化和连接处理； 根据离线获取 的基线和实时获取的激光线，采用梯形面积累积法计算散煤的截面面积， 实时获取带式输送机的瞬时煤量。 测试结果表明， 该方法检测结果与实际煤量匹配， 准确性高，实时性好。 关键词带式输送机；煤量检测；瞬时煤量；激光扫描；激光线提取；Ohta颜色空间 中图分类号TD634. 1 文献标志码A 网络出版时间018-03-08 129 网络出版地址http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180308. 1157. 001. html Detection of instantaneous coal quantity of belt conveyor based on laser scanning GUAN Binghuo Shenhua Shendong Coal Group Co. , Ltd. , Shenmu 719315, China Abstract In view of problem that existing coal quantity detection with laser instrument does not propose a clear for laser line extraction, a detection of instantaneous coal quantity of belt conveyor based on laser scanning was proposed. Image of loose coal on belt conveyor is obtained by digital camera and laser instrument, and laser line profile is extracted by using characteristics of Ohta color space, then laser line thinning and connection processing based on index table are pered. According to offline acquired baseline and laser line acquired in real time, cross-sectional area of coal is calculated using trapezoidal area cumulative , and instantaneous coal quantity of belt conveyor is obtained rea- timely. Test results show that coal quantity detection result of the matches actual coal quantity, and the has high accuracy and good real-time perance. Keywords belt conveyor; coal quantity detection； instantaneous coal quantity; laser scanning； laser line extraction ； Ohta colour-space 〇 引言〇 引言 带式输送机是煤炭生产的重要装备， 其能源消 耗较大， 有必要进行节能降耗。实现带式输送机调 速控制、 节能降耗的关键是瞬时煤量检测[14] 井下 带式输送机煤量检测方式可分为接触式检测和非接 触式检测。接触式检测有胶带秤检测、 核子秤检测 等;非接触检测有视频检测和激光仪器检测等） ]。 与其他方式相比， 激光仪器检测方式可提高带式输 送机瞬时煤量检测的实时性和准确性， 实现带式输 送机上散煤输送量的快速、 准确、 连续、 稳定测量。 相关专家学者对激光仪器检测方式进行了研究， 如 收稿日期收稿日期2017-12-01;修回日期修回日期2018-02-08 ;责任编辑;责任编辑 胡 娴 。 基金项目基金项目国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （2017YFC0804302 。 作者简介作者简介关 丙 火 （1982 ），男，河 南 武 陟 人，工 程 师 ， 从 事 煤 矿 机 电 信 息 化 和 自 动 化 研 究 工 作 ，E-mail gUanbinghuo126. com。 引用格式引用格式关 丙 火.基 于 激 光 扫 描 的 带 式 输 送 机 瞬 时 煤 量 检 测 方 法 ）].工 矿 自 动 化，2018,444 0-24. GUAN Binghuo. Detection of instantaneous coal quantity of belt conveyor based on laser scamiing[J]. Industry and Mine Automation，，2018,444 0-24. 2 0 1 8 年 第 期关 丙 火 基 于 激 光 扫 描 的 带 式 输 送 机 瞬 时 煤 量 检 测 方 法 21 输入视频输入视频 煤量计算煤量计算 融合处理融合处理 激光线细化、连接激光线细化、连接 利用利用Ohta颜色空间颜色空间 获取激光线获取激光线 图像预处理图像预处理 上下基线获取上下基线获取 利用利用Ohta颜色空间颜色空间 获取激光线获取激光线 图像预处理图像预处理 图图2瞬 时 煤 量 检 测 流 程瞬 时 煤 量 检 测 流 程 Fig. 2 Detection process of instantaneous coal quantity 图像预处理包括RO I获取和去燥处理， 在此基 础上， 利用Ohta颜色空间获取激光线， 并进行基于 索引表的细化处理;对细化的图像进行连接处理， 将 实时获取的激光线与基线进行融合， 形成眼图， 计算 面积， 从而获取实时煤量。 2.2 基于Ohta颜色空间的激光线提取 散煤图像总体颜色灰度较多， 红色激光线和激 光图像背景存在差异， 因此， 选 定Ohta颜色空间进 行特征量分割[9]， 即采用R，G，B线性变换进行区域 分割， 获取有效的颜色特征。Ohta颜色空间与其他 非线性颜色空间相比， 能够更好地保留颜色真实性， 且计算简单。Ohta颜色空间的计算公式[10]为 8 R B G/A U 2 R - B /2 1 il3 ， 2G-R - B/4 式中i，I2，I3 为Ohta颜色空间的3 个正交特征分 量;R，G，B分别为红、 绿、 蓝 3 个通道的颜色值。 8主要体现图像颜色的亮度， 当激光扫描到带 式输送机上时， 具有较高亮度的红色激光线比较突 出， 便于进行激光线的提取。相比在RU B彩色图像 中进行颜色分割、 激光线提取，Ohta颜色空间更容 易实现％i，2更能准确反映激光线的颜色特性。根 据激光线的特性， 设 定 8 0 0 0 ， 200]， 12 0 [100， 220]。 随机选取一段激光视频进行实验， 实验结果如 图 3 所示。 如图2 所示， 主要分为基线获取模块和实时检测模 块。基线获取模块在带式输送机空载和满载的状态 下 ， 通过激光线提取、 激光线细化及连接处理等获取 基线； 实时检测模块通过基线和实时获取的激光线 计算瞬时煤量。 张文军等） ]实现了基于激光三维扫描的不规则煤场 测量系统设计， 曾飞等[7]提出了带式输送机物料瞬 时流量激光测量方法。上述研究的不足之处是没有 提出明确的激光线提取方法。本文在此基础上， 提 出了一种基于激光扫描的带式输送机瞬时煤量检测 方法， 通过引入Ohta颜色空间和改进索引表实现 光线 的 获 取 。 对 获 取 的 光 图 处 理 ， 确定感兴趣区域（ Region of Interest，ROI;在 R O I内， 利 用Ohta颜色空间的特性提取激光线轮 廓 ， 并进行细化和连接处理;结合离线获取的基线实 时计算煤量大小。测试结果表明， 该方法可有效检 测煤量大小， 满足实时性要求， 为后期的调速控制提 供了可靠的数据来源。 1基于激光扫描的煤量检测模型基于激光扫描的煤量检测模型 基于激光扫描的煤量检测模型如图1 所示。 ------------------〇煤量计算终端〇煤量计算终端 _ 地面地面 数字数字 摄像仪摄像仪 图图1基 于 激 光 扫 描 的 煤 量 检 测 模 型基 于 激 光 扫 描 的 煤 量 检 测 模 型 Fig. 1 Coal quantity detection model based on laser 在井下带式输送机上方分别安装激光仪器和数 字摄像仪。激光仪器垂直照射于带式输送机上， 数 字摄像仪以一定角度照射带式输送机， 使激光仪器 和数字摄像头照射区域汇合， 使上位机获取的图像 达到最优处理条件。上位机软件基于实时激光线扫 描结构， 提取带式输送机上散煤堆放轮廓线再结合散煤属性， 采用散煤截面积计算 方法得出瞬时煤量数据。 2瞬时煤量检测方法瞬时煤量检测方法 2.1 瞬时煤量检测流程 激光投射到煤流面上产生的激光线与投射到无 煤的带式输送机上产生的激光线不同， 两者之间有 一个形变， 这种形变可以反映煤流的深度信息[8]， 根 据煤流的深度信息可计算瞬时煤量。 基于激光扫描的带式输送机瞬时煤量检测流程 姚翻徽 22 工 矿 自 动 化 2 0 1 8 年 第 4 4 卷 原图原图 （（b 基 于基 于RGB的激光线提取结果的激光线提取结果 基 于基 于O ht.的激光线提取结果的激光线提取结果 图图3激 光 线 提 取 效 果 对 比激 光 线 提 取 效 果 对 比 Fig. 3 Contrast of laser line extraction effect 对比分析图3b和 图 3c可知， 基 于Ohta颜 色空间的激光线提取方法效果 。 2. 3 激光线细化与连接 为 地获取激光线条， 减小光照和噪 声的 ， 对激光线 化和连接处理。 基于索 的细化算法 结构 图 相关计 ， 获取目标 的 [1112]。 化处理的判 张 ， 计 化点八邻域的权值并 查询， 如果 中相应的 1， 则删除该点。对 化图像的二值图分别 竖直 方向和水平方向的细化， 反复计算， 直至没有前景点 被删除。 在细化过程中主要存在的问题是当遇见整块的 前景时， 则细化的值为 线。本文在水 1描 图像时， 先判断每点的 邻域点， 若 均 为 前 [素 点， 则不处理该点； 若某前景点已被删除，过其 邻点， 处理水平方向的下一点。 方向同理。 光线细化和连接实验结果如图4 所示。对激 光线 化和连接处理后， 可有效减少因激光线 而 的错 起的问题。 “ 原图“ 原图 （（b 激光线细化结果激光线细化结果 “）激光线连接结果）激光线连接结果 图图4激 光 线 细 化 和 连 接 结 果激 光 线 细 化 和 连 接 结 果 Fig. 4 Laser line thinning and connection “为 煤 量 系 数 ） ， 最 右 边 是 终 止 点 x ，3 1 1。根据带式输送机空载时激光扫描情况， 提 2. 4 煤量计算 取到带式输送机上散煤激光线轮廓后， 可根 据激光 出的点坐标 积近似计算[1314]， 而获取煤量的大小。本文使用 积累积方法 积 计 。 每 相 邻 点 间 连线 为 线 变化， 则相邻两点在x 方向截取的图形可近 似成梯形如P图 5 所示。 H jk{x jhyjk ik xih y〇d , , J H n kxn k，y n k ，/ 0 i〇 xi〇 , yi〇 / H j- 〇 xj〇 , yj0 X 图图5梯 形 面 积 累 积 方 法梯 形 面 积 累 积 方 法 Fig. 5 Trapezoidal area accumulation 假设煤流轮廓最左边是起始点Hx 3 取空载时输送机轮 氏 。 （x 〇 ， ‘ ） ， 迅 。 （x2 〇 ， 34， ，H〇 x〔 〇 ,3〇。煤矿井下带式输送机为三 ， 与x 角度， 因 可将空载时带式输送 状近似为 M为瞬时煤量;A为带式输送 实际带速;Qm axt 煤量。 3测试分析测试分析 为了验证基于激光扫描的煤量检测方法的有效 性％ 拉沟煤矿102带式输送机上 试 ， 部分煤量检测结果如图 所示。 煤量煤量 〇 煤流状态煤流状态 正常正常 摄像头摄像头1正常正常 状态代码状态代码 2,2,21639952,2,2163995 图像处理时间图像处理时间 13 13 ms 煤量煤量 9393 煤流状态煤流状态 正常正常 摄像头摄像头1正常正常 状态代码状态代码 2,2,13107282,2,1310728 图像处理时间图像处理时间 15 15 ms 空载b 煤 量 较少少 （）煤量较多 图图6煤 量 检 测 结 果煤 量 检 测 结 果 Fig. 6 图 6a中， 带式输送机处于空载状态， 检测煤 量为0 ;图 6b中， 带式输送机煤量较少， 检测煤 量为41;图 6c中， 带式输送机上存在大量煤， 检 煤量为9 3 ，，所以给出 示。从 图 6 可 ， 检测结果与实际煤量匹配。对大量图像处理时 间 计 ， 平均处理时间为14.6 ms， 式输 送机煤量检测的实时性要求。 4结语结语 出 基于 光 的 式 送 时 煤 量检测方法。该方法主要结合激光线在煤流面上的 形变特性， 通过分析空载时获取的基线与实时分析 的激光线之间的深度信息计算煤量。 拉沟煤矿 102带式输送机上的测试结果表明， 该方法 可 以 地检测煤量的大小， 而且 矿井对实时性 的要求， 为 后 期 速 可靠的基础 。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References [ 1 ] 陶 伟 忠陶 伟 忠.基 于 视 频 的 煤 矿 带 式 输 送 机 自 动 调 速 控 制 系基 于 视 频 的 煤 矿 带 式 输 送 机 自 动 调 速 控 制 系 统统[J].煤 炭 科 学 技 术煤 炭 科 学 技 术，2017,45528-33. 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Result of coal 第第44卷 第卷 第4期期 2018年年4月月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 文章编号671-251X201804-0024-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110027 基 于 机 器 视 觉 的 带 送 煤 炭 积 测 量 方 法 研 究 李萍S 任安祥2 1.北京工业职业技术学院机电公司， 北 京 100042 2. Beijing Coal Mining Electrical Equipment Technical Development Co. , Ltd. , Beijing 100042, China Abstract Through analyzing characteristics and application status of current dynamic measurement s of coal on belt conveying, a volume measurement of coal on belt conveying based on machine vision was proposed in view of problem of lower precision of laser belt scale. Firstly, a volume measurement model was established based on principle of trigonometric distance measurement, and a set of image acquisition device suitable for coal mine environment was used to collect images. And then fast 收稿日期收稿日期2017-11-13;修回日期修回日期2018-01-26;责任编辑 张强。责任编辑 张强。 基金项目 北京市教委财政资金资助项目（基金项目 北京市教委财政资金资助项目（PXM2017-014225-000014;北京工业职业技术学院科研重点项目（北京工业职业技术学院科研重点项目（bgzyky201777z。。 作者筒介作者筒介李 萍 （李 萍 （1F78-，女 ， 吉林蛟河人女 ， 吉林蛟河人，高级工程师高级工程师，博 士 ， 现主要从事煤炭动态计量研究博 士 ， 现主要从事煤炭动态计量研究、工业监测及煤矿信息自动化工作，工业监测及煤矿信息自动化工作，E-maiMpzwm sina. com。。 引用格式引用格式李 萍 ， 任安祥李 萍 ， 任安祥.基 于 机 器 视 觉 的 带 送 煤 炭 体 积 测 量 方 法 研 究 工 矿 自 动 化基 于 机 器 视 觉 的 带 送 煤 炭 体 积 测 量 方 法 研 究 工 矿 自 动 化，2018,4444-29. LI Ping，，REN Anxiang. Research on volume measurement of coal on bett conveying based on machine vision.[J]. Industry and Mine Automation，，018，，44 24-29. WU Dongmei， YANG Juanli， WANG Jing. Flame recognition based on Ohta color space [J]. Video Engineering，，2016，，406 140-143. 0 ]严 云 洋 ， 唐 岩 岩 ， 郭 志 波 ， 等 . 融 合 色 彩 和 轮 廓 特 征 的严 云 洋 ， 唐 岩 岩 ， 郭 志 波 ， 等 . 融 合 色 彩 和 轮 廓 特 征 的 火 焰 检 测火 焰 检 测[ J ] .微 电 子 学 与 计 算 机 ，微 电 子 学 与 计 算 机 ，2011， 28 10 137-141. YAN Yunyang， TANG Yanyan , GUO Zhibo , et al. 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