【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矸石检测与机器人分拣领域，具体为一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统。
技术介绍
1、煤炭是我国重要的资源，在我国的能源中占有举足轻重的地位，煤炭产业在能源转型中发挥着兜底作用，对我国的工业发展有着重要的支撑作用。然而在煤炭开采的过程中，原煤中常混有煤矸石，煤矸石是在煤形成的过程中产生的一种含碳量较低的岩石，属于煤炭中的杂质，不但会降低煤炭的燃烧效率，加重污染物的排放，还会导致运输过程中的输送带撕裂。因此将煤矸石从原煤中分拣出来不仅可以提高煤炭的利用效率，同时也符合安全生产的要求。
2、传统的煤矸石分拣主要包括人工识别法、机械识别法和射线法。人工识别法是由工人通过接触煤矸石进行分辨，这种方式劳动强度大，工作环境恶劣，分拣效率低，长时间的工作不但会对技术人员的身体和心理健康产生影响，且分拣质量容易受到人为因素的影响；机械识别法是利用煤矸石的物理特性的不同来分选，如浅槽、跳汰、重介等，但其设备结构复杂，运行成本高，而且检测效率低，对环境污染比较大；射线法的原理是利用煤炭和煤矸石对光的透射率不同而进行检测，虽然提高了煤矸石的分拣效率，但射线法易受到煤矸含水量的影响，设备笨重容易故障，操作复杂，辐射较大且风险比较高。
3、现有的智能化分拣煤矸主要先通过检测算法识别出输送带上的煤矸石，然后控制机器人进行抓取，容易识别错误而导致误检漏检，同时机器人的一次分拣也难以保证对所有识别出的矸石进行抓取，这都会导致煤矸石的遗漏。本专利技术改进了yolov5s检测模型，并配合机器人和剔矸机构的二次分拣
技术实现思路
1、针对上述现有煤矸石检测算法性能不足且分拣效率低下的问题，本专利技术提供了一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，以解决现有煤矸石识别与分拣的技术缺陷。
2、本专利技术提供的技术方案如下：一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，系统的功能实现依赖于各装置，所诉的装置包括：输送装置、视觉检测装置、控制器和分拣装置；可实现对煤矸石的自动分拣。
3、所述输送装置包括：给料机、滚轴筛和输送带，给料机将原煤输送到滚轴筛起始端，滚轴筛通过转动的辊轴带动煤料到输送带上，同时利用各辊轴之间的间隙筛掉原煤中的煤尘煤粉和不符合分拣直径粒度的煤料；所述视觉检测装置完成图像的采集以及检测，包括：视觉采集支架、高清工业相机和上位机；高清工业相机固定在输送带上方视觉采集支架上，当煤料随输送带运动到高清工业相机视觉范围内，输送带上方的高清工业相机开始实时采集，并通过视觉协议将采集到的画面传送到上位机中，在上位机中调用改进后的yolov5s模型检测传输画面中煤块和煤矸石的类别和位置，上位机结合煤矸石的位置信息和类别信息以及输送带的速度信息后计算分拣策略并给控制器发送指令；所诉的控制器通过串口通信协议与上位机连接，获取上位机中的分拣策略，控制器给分拣装置发送指令，分拣装置对煤矸石进行分拣。
4、上述的一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，所述的装置中还包括除尘装置，除尘装置实现对煤料上覆盖的煤尘煤粉进行二次清除。在原煤经过滚轴筛后仍有一部分煤尘煤粉跟随煤块和煤矸石运输到了输送带上，除尘装置对输送带上的煤料进行除尘抑尘处理。除尘装置包括：除尘支架、高压气体喷头和高压水雾喷头，高压气体喷头和高压水雾喷头安装在输送带正上方的除尘支架上，高压气体喷头和高压水雾喷头正对着输送带，高压气体喷头喷出高压气体吹去煤块和煤矸石表面附着的煤尘以及煤粉，随后高压水雾喷头喷出高压水雾，减少输送带上方周围飘浮的煤粉，有助于相机采集清晰的高质量画面。
5、上述的一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，部署在上位机中改进的yolov5s模型在原yolov5s模型的基础上，对模型的主干网络以及特征融合部分进行改进，改进包括：在主干网络中添加simam无参数注意力机制，增加主干网络的特征提取能力，模型更加聚焦于目标区域，提高模型的检测精度；将特征融合部分的普通卷积替换为深度可分离卷积，减少模型的参数量和计算复杂度，提高模型的检测速度。改进后的yolov5s模型，提高了检测精度和检测速度。将模型部署于上位机中，用于实时检测通过高清工业相机传输到上位机中煤块和煤矸石的类别信息和位置信息。
6、在主干网络中添加的simam无参数注意力机制是一种无参数模块，在不增加原始网络参数的情况下，为特征图推断出三维注意力权重，并通过优化能量函数来体现每个神经元的重要性，是一种通用的注意力机制。将特征融合部分的普通卷积替换为深度可分离卷积，减少模型的参数量和计算复杂度，提高模型的检测速度。深度可分离卷积将标准卷积分解为深度卷积和点卷积。在深度卷积的过程中每个卷积核只对当前对应的单一通道进行卷积，而不需要像普通卷积考虑所有通道的语义信息。点卷积采用的是1×1的卷积核，减少卷积核参数，通过整合单个特征点位置上的所有通道信息完成特征提取。
7、上述的一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，所述的分拣装置包括两个六自由度分拣机器人和安装在输送带末端下料处的一排剔矸机构；其中分拣机器人可以实现x，y，z三轴的移动和绕x，y，z三轴的旋转，在空间位置上有更多的运动姿态和更大的工作范围，分拣机器人主体结构包括大臂、小臂、手腕部件、关节模组、连接部件、底座和执行末端；每个关节模组由电机、绝对值编码器、增量式光电编码器、谐波减速器和伺服驱动结构组成，控制器通过控制分拣机器人的每个关节模组的转动和x，y，z方向的移动实现煤矸石分拣；所述的剔矸机构为沿输送带宽度方向均匀布置的一排气动式凹槽，通过控制凹槽与输送带的角度，让煤矸石自然下落到煤矸石输送带上。控制器接收上位机的分拣策略，控制机器人抓取输送带上的煤矸石，同时安装在输送带末端的剔矸机构对上一步分拣机器人遗漏的煤矸石进行二次分拣。
8、上述的一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，由于高清工业相机采集到的煤块和煤矸石位置信息是像素二维坐标，要实现分拣装置对煤矸石的分拣，需要将其转为在世界坐标系的三维坐标，其过程包括相机标定和手眼标定。
9、相机标定采用张正友标定法，通过对工业相机进行标定可以得到相机的内参矩阵。内参矩阵用于确定从像素二维坐标到相机三维坐标的变换关系，从而实现坐标维度的转换；
10、所述手眼标定用于确定相机坐标系和机器人底座坐标系的转换关系，由于本系统采用相机固定在相机支架上的方式采集画面，因此标定方式属于眼在手外；将机器人底座坐标系选作世界坐标系，通过眼在手外的方式进行手眼标定求解相机坐标系到机器人底座坐标系的转换关系，从而得到煤块和煤矸石在世界坐标系的三维坐标；
11、通过相机标定和手眼标定，可以得到输送带上煤块和煤矸石的真实三维坐标，上位机结合输送带上煤块和煤矸石的位置信息和类别信息以及速度信息，计算出分拣策略后给控制器发送控制指令，控制机器人完成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于改进YOLOv5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：系统的功能实现依赖于各装置，所述的装置包括：输送装置、视觉检测装置、控制器和分拣装置；所述输送装置包括：给料机、滚轴筛（1）和输送带（3），给料机将原煤输送到滚轴筛起始端，滚轴筛通过转动的滚轴筛辊轴（2）带动煤料到输送带（3）上，同时利用各辊轴之间的间隙筛掉原煤中的煤尘煤粉和不符合分拣直径粒度的煤料；所述视觉检测装置完成图像的采集以及检测，包括：视觉采集支架（7）、工业相机和上位机；工业相机固定在输送带上方视觉采集支架（7）上，当煤料随输送带运动到工业相机视觉范围内，输送带上方的工业相机开始实时采集，并通过视觉协议将采集到的画面传送到上位机中，在上位机中调用改进后的YOLOv5s模型检测传输画面中煤块（13）和煤矸石（14）的类别和位置，上位机结合煤矸石的位置信息和类别信息以及输送带的速度信息后计算分拣策略并给控制器发送指令；所诉的控制器通过串口通信协议与上位机连接，获取上位机中的分拣策略，控制器给分拣装置发送指令，分拣装置对煤矸石（14）进行分拣。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进YOLOv5s的
3.根据权利要求2所述的一种基于改进YOLOv5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：部署在上位机中改进的YOLOv5s模型在原YOLOv5s模型的基础上，对模型的主干网络以及特征融合部分进行改进，改进包括：在主干网络中添加SimAM无参数注意力机制；将特征融合部分的普通卷积替换为深度可分离卷积。
4.根据权利要求3所述的一种基于改进YOLOv5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：所述的分拣装置包括两个六自由度分拣机器人（11）和安装在输送带末端下料处的一排剔矸机构（15）；其中分拣机器人（11）实现X，Y，Z三轴的移动和绕X，Y，Z三轴的旋转，分拣机器人（11）主体结构包括大臂、小臂、手腕部件、关节模组、连接部件、底座和执行末端；每个关节模组由电机、绝对值编码器、增量式光电编码器、谐波减速器和伺服驱动结构组成，控制器通过控制分拣机器人（11）的每个关节模组的转动和X，Y，Z方向的移动实现煤矸石分拣；所述的剔矸机构（15）为沿输送带宽度方向均匀布置的一排气动式凹槽，通过控制凹槽与输送带的角度，让煤矸石自然下落到煤矸石输送带（16）上。
5.根据权利要求4所述的一种基于改进YOLOv5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：由于工业相机采集到的煤块和煤矸石位置信息是像素二维坐标，要实现分拣装置对煤矸石的分拣，需要将其转为在世界坐标系的三维坐标，其过程包括相机标定和手眼标定；
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种基于改进YOLOv5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：视觉检测装置还包括环形光源（9），环形光源（9）固定在输送带上方视觉采集支架（7）上。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种基于改进YOLOv5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：所述系统的功能实现，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：系统的功能实现依赖于各装置，所述的装置包括：输送装置、视觉检测装置、控制器和分拣装置；所述输送装置包括：给料机、滚轴筛（1）和输送带（3），给料机将原煤输送到滚轴筛起始端，滚轴筛通过转动的滚轴筛辊轴（2）带动煤料到输送带（3）上，同时利用各辊轴之间的间隙筛掉原煤中的煤尘煤粉和不符合分拣直径粒度的煤料；所述视觉检测装置完成图像的采集以及检测，包括：视觉采集支架（7）、工业相机和上位机；工业相机固定在输送带上方视觉采集支架（7）上，当煤料随输送带运动到工业相机视觉范围内，输送带上方的工业相机开始实时采集，并通过视觉协议将采集到的画面传送到上位机中，在上位机中调用改进后的yolov5s模型检测传输画面中煤块（13）和煤矸石（14）的类别和位置，上位机结合煤矸石的位置信息和类别信息以及输送带的速度信息后计算分拣策略并给控制器发送指令；所诉的控制器通过串口通信协议与上位机连接，获取上位机中的分拣策略，控制器给分拣装置发送指令，分拣装置对煤矸石（14）进行分拣。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进yolov5s的煤矸石检测及分拣系统，其特征在于：所述的装置中还包括除尘装置，所述除尘装置实现对覆盖在煤料上的煤尘煤粉再次清除；除尘装置包括：除尘支架（6）、高压气体喷头（4）和高压水雾喷头（5），高压气体喷头（4）和高压水雾喷头（5）安装在输送带（3）正上方的除尘支架（6）上，高压气体喷头（4）和高压水雾喷头（5）正对着输送带（3），高压气体喷头（4）喷出高压气体吹去煤块和煤矸石表面附着的煤尘以及煤粉，随后高压水雾喷头（5）喷出高压水雾，减少输送带上方周围飘浮的煤粉，有助于相机采集清晰的高质量画面。
3.根据权利要求2所述的一种基...
【专利技术属性】
技术研发人员：燕碧娟，王凯民，董浩，马立东，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：
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