基于视觉测量的电厂输煤胶带堆煤检测.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ．4 2 NO ． 8 Au g ． 2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 4 3 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 1 1 王健生 ， 郭鹏 ， 郝震 ， 等． 基于视觉测量的电厂输煤胶带堆煤检测E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 4 3 4 7 ． 基于视觉测量的电厂输煤胶带堆煤检测 王健 生 ， 郭鹏 ， 郝 震。 ， 郭璐 1 _ 安徽华电宿州发电有限公司，安徽 宿州 2 3 4 0 0 0 ； 2 ． 国网江苏省 电力公司 如东县供电公司，江苏 如东2 2 6 4 0 0 ； 3 ． 中国移动通信集团江苏有限公司 徐州分公司，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 4 ． 电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都 6 1 0 0 0 0 摘要 针对现有输煤胶带系统采用堆煤传感器检测胶带堆煤状 态， 存在误报 和摩擦生电等 问题 ， 提 出了 于视 觉测 量 的非接 触 式胶 带堆 煤检 测 方法 。该 方 法利 用视 觉检 测 中的单 目视 觉技 术构建 小孔成 像 测距模 ，实现 了胶 带堆煤检 测。实验 结果表 明， 该 方法具有 实时性 高、 检 测效果好 等优点 ， 堆煤检 测 准确性在 左 右 ， 符合 设计 要 求 。 关键词 电厂 ； 榆煤胶带 ； 堆煤检测 ； 视 觉测量；单 目视 觉 中图分类号 TD 5 2 8 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 8 0 3 1 0 0 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 4 ． O 1 1 ． h t ml Co a l p i l i n g d e t e c t i o n o f c o a l t r a n s po r t b e l t o f p o we r p l a n t b a s e d o n v i s i o n me a s u r e me n t W ANG J i a n s h e n g ， GUO P e n g ， HAo Zh e n 。 ， GUO Lu 1． An hui H u a d i a n Suz ho u Powe r Ge n e r a t i o n Co． ，Lt d． ，Su z h ou 2 3 4 00 0， Chi n a； 2． Ru d o n g Co u n t r y El e c t r i c P o we r S u p p l y Co mp a n y ，S t a t e Gr i d J i a n g s u El e c t r i c P o we r S u p p l y Co mp a n y， Ru d ong 2 2 6 40 0，Chi n a；3． Xu z h ou Br a nc h，Chi na M o bi l e Co mm u ni c a t i o ns Gr ou p J i a n g s u C o． ，Lt d ． ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a；4 ． S c h o o l o f Co mp u t e r S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， Un i v e r s i t y o f El e c t r o n i c S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Ch i n a ，C h e n g d u 6 1 0 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c tI n v i e w of p r ob l e ms o f f a l s e a l a r mi ng a nd t r i b o e 1 e c t r i f i c a t i o n e x i s t e d i n e x i s t i ng c o a l c o n v e y i n g b e l t s y s t e m wi t h c o a l p i l i n g s e n s o r t o d e t e c t s t a t e o f c o a l p i l i n g o f b e l t ，a n o n c o n t a c t d e t e c t i o n me t ho d o f c o a l pi l i ng of be l t ba s e d o n v i s i on me a s ur e me nt wa s pr o po s e d． The m e t ho d u s e s m o no c u l a r v i s i on t e c hn ol ogy i n vi s ua l i ns p e c t i o n t o c o ns t r uc t s m a l l h ol e i m a g i ng mod e l ，a nd c a n me a s ur e c o a l p i l i ng of be l t ．The e x pe r i me n t a l r e s ul t s s ho w t ha t t he m e t ho d ha s a dv a n t a ge s of hi g h r e a l t i me p r op e r t y a n d g o od de t e c t i o n e f f e c t wi t h de t e c t i o n a c c ur a c y o f a bo ut 9 5 ，wh i c h c o mpl i e s wi t h de s i g n r e q ui r e m e nt s ． Ke y wo r d s p o we r p l a n t ；c o a l t r a n s p o r t b e l t ；c o a l p i l i n g d e t e c t i o n；v i s i o n me a s u r e me n t ；mo n o c u l a r Vi S i o n 0 引言 带式输送机广泛应用于发 电厂输煤系统 ， 胶带 堆煤事故也越来越多。若胶带发生堆煤而不及时处 理将会带来极大的安全隐患 ， 造成 巨额 的经济损失 。 如何安全 、 可靠地对胶带堆煤故障进行检测 ， 对于保 障发 电厂安全生产具有重要 的意义 。目前 ， 胶带堆 煤检测主要采用堆煤传感器 ， 堆煤传感器主要分 为 3类 基于行程开关的堆煤传感器、 基于水银开关的 堆煤传感器 、 基于电极式原理 的堆煤传感器 。上述 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 2 0； 修回 日期 2 0 1 6 0 6 0 8 ； 责任编辑 张强 。 作者简 介 王健生 1 9 8 8 一 ， 男 ， 江苏泰州人 ， 助理工程师 ， 硕 士， 现主要从事 电气 自动控制方面 的工作 ， E ma i l wa n g j i a n s h e n g l O O 6 1 6 3 ． c o rn。 基型 4 4 工矿 自动 化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 3类传感器都是属于接触式传感器。该类传感器容 易产生机械摩擦 ， 一 方面会损坏设备 ， 降低检测精 度 ， 同时摩擦易引起 电火花， 对 电厂输煤系统的安全 产 生较 大 的隐患 。 考虑到电厂输煤的安全生产， 并解决堆煤传感 器出现的问题 ， 本文提 出了基于视觉测量的非 接触 式胶带堆煤检测方法。该方法利用机器视觉中的视 觉 测量技 术 检测胶 带 上 的输 煤 量 ， 利 用 堆 煤 时 设定 的最低煤量来判定实际胶带是否发生堆煤。实验结 果 证 明该 方法 具有较 理想 的检 测效 果 。 1视 觉测量 技术 视觉测量技术出现于 2 0世纪 6 0年代 ， 是一项 以机器视觉为基础 的新型测量技术 ， 其优点表现为 精度较高、 实 时性 较强、 信息 量较大和非接触式 测 量_ 1 ] 。随着实现成本的降低和相关软件 、 硬件 性能 的发展 ， 视觉 测量技 术 的优势 逐渐得 以显 现 ， 成 为 了 解 决工 业生 产过程 中测量 问题 最有前 途 的技 术 。 视觉测量步骤_ 2 如 图 1所示 。① 创建符 合实 际的视频测量系统 ， 采集现场的视频帧图像 。② 对 摄像机进行标定 ， 得到摄像机 的内部和外部参数 。 ③ 由于现场 环 境 大 多 不 太理 想 ， 易 产 生各 种 噪声 ， 基于对视频帧图像 的质量考虑， 必须对视频帧图像 进行预处理操作， 如图像滤 噪、 图像增强、 几何畸变 的矫正等 。④ 对预处理后的图像进行分割 ， 即对特 征 目标 的检测 ， 根据 实 际的需 求 ， 对所需 的特 征 目标 进行分割。⑤ 实现图像特征提取， 如点特征、 线特 征 、 轮廓特征和形状特征等。⑥ 根据图像的属性和 结 构描 述 ， 对 测量结 果进 行分 析判 断 ， 实 现对 空 间几 何 参数值 的测 量或 三维 坐标 的 测量 。⑦ 输 出结 果 ， 包括结果的显示、 存储和打印。 匮 囵 图 1视觉测量步骤 2 胶 带堆煤 检测 基础 基于视觉测量的胶带堆煤检测方法 的检测基础 部分分为图像输入、 摄像机标定和图像预处理。 2 ． 1 图像 输入 首先从电厂输煤系统监控画面调取胶带输煤实 时视频画面， 完成视频图像的采集输入。 2 ． 2摄像 机标 定 使用视觉测量技术实现胶带堆煤现象的检测 ， 必须要得到物体表面的实际位置和图像表面位置的 相互关系参数 ， 即摄像机成像模型参数 ， 实际中通过 对摄像机的标定求得摄像机的成像模型参数。本文 的摄像机标定选用张氏标定法。张氏标定法是一种 基于平面模板的标定法嗍 ， 操作 比较简单 ， 鲁棒性较 好 ， 且精度较高。张氏标定法流程如图 2 所示。 图 2张 氏标 定 法 流 程 1 检测角点的坐标。开始在视频帧图像 中选 取角点的有效范围， 让所有 的角点在这个有效范 围 内 。然后 在 这 个 有 限 范 围 内 选 择 Ha r r i s角 点 检 测[ 4 算法获得所有满足条件的候选点坐标 ， 之后利 用 已知 的限制 条件 _ 5 在检 测 出 的候选 点 中筛 选 出亚 像素精度的坐标点 ， 如图 3 所示。 图 3 角点坐标检 测结 果 2 计算 内外参数。有效范围内角点的世 界坐 标可以表示为[ X ， y ， O ] ， 成像点坐标为 “ ， ， 由 摄像机成像坐标关系可得 _K 1 ， 2 r 3 妇 X y 0 1 F x ] I I K [ r 1 r 2 f ] l y I 1 l 1 J 式 中 S为 比例 因子； K 为摄像机 的 内参矩 阵， K 0 0 ] l 。0 a。y j 川 分 别 为 z 轴 上 的 归 一 化 焦 距 ， ‰， 。为摄像头的光学 中心 ； r ， ， ， ， 。为旋转矩 阵 R的 3个列 向量 ； t 为平移向量。 r B 1 1 B1 2 B1 3 ] 令 BK_ T K- 1 一 l B 。 B B 。 l ， 计算出摄 L B 3 l B3 2 B3 3 _ J 像机的内参矩阵K 的内部参数。 2 0 1 6年 第 8期 王健 生等 基 于视 觉 测量 的 电厂输 煤胶 带堆 煤检 测 4 5 B1 2 Bl 3一 B1 1 B2 3 一 1 _ 二 一 B3 3一 | 一、 ／ B 3 o B1 2 B1 3 一 B1 1 B2 3 Bl 1 一 y 一 一 B, 2 、, f l 0 B1 3 a 一 一丁 2 式 中 为 比例 系数 ； a ， ， y与 摄像 机 的 内部 参数 有关 。 由式 2 得 出 K 的 内部 参 数 后 ， 可 求 取 其 外 部 参数 f r 1一 ； t K_。 h 1 j r 2 一 z 3 l r 3 ， 1 ， 2 l t一 。 。 h 。 式中 h ， h ， h 。为 ； t K [ r r z t ] 矩 阵 中对 应 的 向量 。 为 了得到最佳结果 ， 选择最大似然估计优化方 法对求得的初始参数进行处理 。再使用 L e v e n b e r g Ma r q u a r d t 算法优化初始量 ， 最终获得所 求理想参 数 值 。 3 畸变系数的计算 。以上都是理想状况下对 基于摄像机线性 成像模型 的计算 ， 但是在实 际状况 下 ， 会存在非线性畸变 ， 尤其是径向畸变 。因一阶系 数的径 向畸变在摄像 机 的非线性模 型 中 占主导地 位 ， 在线性摄像机模型下 ， 假设某空间理想成像点的 坐标为 ， ， 成像 点以物理量 为单位 在像平面上 的坐标为 X， y ， 而考虑畸变情况下成像点 的坐标 为 ， ， 由此 可得 f 一 u - 0 [ 是 1 X y 。 正 2 X。 y 。 ] I 一 v -- [ 忌 x 。 y 志 。 x 。 ] 4 式中 k ， k 为径 向畸变参数。 选 择 L e v e n b e r g Ma r q u a r d t 算 法对 结 果 进 行 优 化 ， 获得最终参数。 4 实验结 果分析。实验采用 的 C C D摄像 机 型 号为 S ONY 6 5 0 T VL 4 1 4 0 8 1 1 ， 拍摄 了 4 O幅图 像 ， 将这些 图像调入系统标定程序中， 运行标定程序 获 得 标 定 参 数。 内 部 参 数矩 阵K一 [ 4 9 9 2 1 0 2 o 3 4 2 1 2 5 6 ] 1 0 5 3 4 ． 1 2 8 7 2 4 6 ． 2 5 6 3 l ， 形 变 参 数 向 I o o 1 I 量 K1 一 r 一 0 ． 4 3 2 5 0 ． 2 2 8 7 0 ． 0 0 0 2 0 ． 0 0 1 ] 。 2 ． 3 图像预 处理 由于采集 的视频图像存在光照不均 、 对 比度低 及背景噪声较大等不足， 直接 处理无法取得理想 的 效果 ， 本文利用图像增强 中的同态滤波对视频图像 进行 了去噪处理 ， 以便于对 图像进行提取 、 检测和识 别 ， 为下一节 的胶带堆煤检测提供了保障。 3 基 于单 目视 觉 的胶带 堆煤 检测 视 觉测距 _ 6 主要包 括基 于单 目视 觉 的测距 和基 于立体视觉 的测距 。单 目视觉测量只需 1台摄像机 拍摄 图像 ， 即可实现对图像 的测量 。单 目视觉多用 于测量范围较小和场景先验信息较多的场合 。单 目 视觉测量能够满足某些应用场景实 际测量的要求 ， 是一种 比较实用 的技术 。本文使用单 目视觉测量技 术l 7 实现对带式输送机煤流宽度 的测量 ， 进而实现 对 胶带 堆 煤 的检测 。 基于单 目视觉的测量方法主要包括几何光学测 量法 、 结构光测量法、 几何形状约束法和几何相似法 等l 8 ] 。本文选用几何相似法的小孔成像测距模型进 行检 测 。 通过对 电厂输煤胶带系统现场环境的观察 ， 煤 流在胶带上的图像呈现二维平面 ， 难 以直接测量摄 像机到煤流的距离 ， 故而转为测量其他量来 确定胶 带是否堆煤。选定带式输送机胶带宽度作为单 目视 觉的参考量 ， 根据现场数据建立煤流宽度和煤量 的 对应关系， 通过建立小孔成像测距模型来测量煤流 在胶带上 的宽度 ， 并 由煤流的宽度计算 出所对应 的 煤量， 根据堆煤煤量设定值判别胶带是否堆煤 ， 实现 胶带堆煤检测。根据视觉测量 的原理 ， 如果保持视 网膜 上 的视 像尺 寸 ， 则 物 体 距 离 和 物体 大 小 之 间 的 比值保持不变， 即 S 5 式中 e为视 网膜上的视像尺寸 ； s 为物体大小 ； d为 物 体距 离 。 根据式 5 ， 可以用小孔成像模型来描述带式输 送机的视觉测距模型。本文中带式输送机监测系统 的胶带宽度 L固定为1 m， 摄像 机在系统 中的位置 是 固定 的， 胶带在像 平面 的宽度 G固定不变 ， 设煤 流在胶带上的宽度为 z ， 煤流在像平 面上呈现 的宽 度为 g ， 利用小孔 成像 原理， 建立小孔成像模 型 ， 如 图 4所示 。