一种基于立体视觉的煤仓料位测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于立体视觉的煤仓料位测量系统，系统主要包括光学子系统、嵌入式处理子系统和带视窗的隔爆外壳。光学子系统包括光源模块、镜头、环形测光计和视觉传感器；光源模块包括光源驱动控制器和光源；处理子系统包含主处理Ｕ１１、存储器Ｕ１２和采集模块Ｐ３。光源模块发出的光投射到煤仓中的煤面上，基于反射光和发射光的相位延时积分的原理，视觉传感器采集从煤面上反射回来的光，并转换深度图像和光强图像。处理器对图像数据进行分析，实现料位的测量。光源驱动控制器根据环形测光计测得的返回光的强度自动调整点亮ＬＥＤ的数量，使发光强度处于一个合适的范围。在测量中，根据料位，以及料位变换的情况，由处理器切换不同的检测模式。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术为一种基于立体视觉的煤仓料位测量系统，属于机器视觉、图像处理 和自动化领域，用于快速正确获得煤仓料位的三维位置信息。
技术介绍
煤仓料位的检测是煤矿安全生产的重要措施，直立型井底煤仓和倾斜式井底煤仓 是我国目前矿井常用的煤仓形式。随着煤源源不断地送入煤仓，煤面离煤仓顶部的距离越 来越小，如不及时停止加煤，就有可能溢出，造成煤堆积，使生产中断，严重的可以造成重大 煤矿事故；如果煤下降到规定的最低料位后，如果不及时停止卸煤，会造成上下通风，使得 煤尘大量上扬，造成粉尘浓度急剧增加，可能造成爆炸，酿成煤矿事故。目前常用的煤仓料 位检测方法有重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式、回转翼轮式、雷达式、超声波式、激 光式、核子式等。其中重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式和回转翼轮式属于接触式测 量方法，其余的为非接触式测量方法。最常用的有基于射频电容技术、基于超声波技术和 基于雷达技术的三种测量方法，基于射频电容技术测量方法将一个无线电频率发送到探头 上，通过连续的分析电容量的变化来实现测量；基于超声波技术的测量方法利用超声波发 送和接受的时间差来实现测量；基于雷达技术的测量方法利用电磁波的发射波与反射波时 间差来实现测量。中国专利申请号200710038493. 8，公开日2008. 9. 24，公开了一种基于机器视觉 的非接触式连续测量小颗粒状物质料位的高可信度方法及其装置，装置有特殊点光源、图 像采集机、机器视觉模块等组成，图像采集机采集由点光源发射出的光束在物料表面形成 的高亮度光圆图像，通过机器视觉模块采用验证型光圆检测算法进行分析和处理，计算出 光圆的直径或面积大小，进而获得物料，从而实现物料测量。中国专利申请号01107328. 4，公开日2002. 11. 6，公开了一种数字视频料位计，由 视频输入器、图像采集卡、微处理器和显示屏等相互连接而成，把视频输入器对准被测物 料，视频输入器又连接到图像采集卡的视频输入端，微处理器控制图像采集卡按用户设定 的采样周期采集料位图像、并对图像进行处理，将分析的料位坐标值与标定的刻度计比较 计算出料位真实值，同时将料位图像、料位真实值以及该值的变化趋势显示在显示屏上。目前基于视觉的煤仓料位测量系统，都是由二维图像推测煤仓料位的三维信息， 这些方法和设备有着以下问题。1)精度低，误差大。当空间三维场景物体投影到二维图像时，同一景物在不同视点 下图像相差很大，且由于煤仓中条件恶劣，煤的几何形状和物理特性，噪声干扰等，都被综 合在单一的图像灰度里。从包含如此之多不利因素的图像中很难求得高精度的、深度信息， 很可能造成很大误差。2)主动性差；由三维景象的二维图像被动推测三维信息，本身就是“病态”问题， 而不是主动获得煤仓中煤的二维信息。3)不易部署，在井下煤仓的有限位置部署，基于PC的视觉系统，比较困难，且很难3实现煤矿安全生产的特性。4)实时性差。由二维图像推测三维信息，演算第三维的深度信息，计算量大，速度 量大，实时性差。为了提高煤仓料位测量的主动性，高精度，实时获得煤仓中煤的深度信息，且易于 部署，本专利技术提供了一种基于立体视觉的煤仓料位测量系统。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于立体视觉的煤仓料位测量系统，系统包括如 图1，光学子系统、嵌入式处理子系统16、卸煤传感器32 (可选)、装煤传感器33 (可选)和 带视窗11的隔爆外壳12。光学子系统，如图1，图6，图9，包括一个光源模块13、镜头66、 环形测光计14和深度感知视觉传感器67 ；光源模块13进一步包括光源驱动控制器63和 光源64，其中光源64，如图9，有LED圆形阵列26组成；嵌入式处理子系统16，如图8，包含 主处理器Ull、存储器U12和采集模块P3，主处理Ull由Ul 1A、Ul IB、Ul 1C、Ul ID、UllG和 UlIH组成，存储器U12进一步包括程序存储器U12A和数据存储器U12B ；主处理Ul 1是基于 ARM+DSP双核架构的，DSP核负责图像的处理，分析；ARM核心负责与外界交互和通信。如图 2，主处理Ull通过ARM核与装煤传感器33、卸煤传感器32、装煤输出35、卸煤输出34构成 系统控制。光源模块13发出的光投射到煤仓61中的煤面62上，光敏感的深度感知视觉传感 器67捕捉到从煤面62上反射回来的光，这些光包括光源模块13发射的光被煤面62发射 回来的光。基于反射光和发射光的相位延时积分的原理，深度感知视觉传感器67把捕获的 光转换成包含煤仓61中煤62深度信息的深度图像和光强图像。嵌入式主处理器Ull对视 觉传感器67输出的含有煤仓61中煤62深度信息的图像数据进行处理，分析，以便实现煤 仓料位的测量，并高效地作出正确的决策，以便及时合理地停止向煤仓61中加煤62和从煤 仓61中卸煤。如图6，光源驱动控制器63根据环形测光计14测得的返回光的强度，自动调整驱 动或点亮光源64的LED阵列26的LED数量，使光源64发射的光的强度处于一个合适的范 围；64发射的光发射到煤仓61里煤面62上；本技术，基于立体视觉的煤仓料位测量系统，可由两种工作方式，方式1是由 实时检测控制系统检测模式切换；方式2是由卸煤传感器32和装煤传感器33控制系统检 测模式切换。方式1的具体实施时可以不用装卸煤传感器32和装煤传感器33。方式1的具体检测流程，如图3，当煤仓料位没有变化或变化小于某个阈值，系统 以慢检测模式212不同重复步骤110和步骤111，步骤110包含两个子步骤执行料位检测 24和判断料位是否变化26，步骤111包含两个子步骤执行料位检测28和判断料位是否变 化29，其中执行料位检测24和执行料位检测28，采用下列识别煤仓中煤的识别方法之一， 最近邻判别算法、支持向量机、脉冲耦合神经网络。当煤仓中的料位有变化或变化大于某个 阈值时，系统迅速切换到快速检测模式213，其切换的过程和方法，如5，如果系统正运行在 慢检测模式，通过降低分辨率，提高快门速度42把系统转换到快检测模式213，以便满足装 煤和卸煤过程中高速检测。但料位无变化或变化小于某个阈值时，系统切换到慢检测模式 212，其切换的过程和方法，如6，如果系统正运行在快检测模式213，通过提高分辨率，降低快门速度52转换系统运行在慢检测模式，以便减少系统的开支和功耗。方式2的具体检测流程是当装卸煤传感器32或装煤传感器33有信号时，系统切 换到快检测模式，当卸煤传感器32或装煤传感器33无信号时，系统切换到慢检测模式。由于煤的高反射性和煤仓发热的深度，本专利技术所述的光源模块13的发光强度能 够自适应调整，其调整的具体流程如图7，图6所示光源驱动控制器63驱动光源64发光100，光源发射光101照射 到煤仓61的煤面62上，煤面62反射光经镜头66后送到视觉传感器67，在镜头66前的环 形测光计14测量反射回来的光强102，如果光强T在Tl和T2之间103，不用改变驱动或点 亮光源的LED的数量，如果光强T小于光强T1104，则增加驱动或点亮106光源64的LED的 数量，使光源64发射更强的光，如果光强T大于光强T2105，则减少驱动或点亮107光源65 的LED的数量，使光源6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于立体视觉的煤仓料位测量系统，其特征在于：由光学子系统、嵌入式处理子系统（１６）和带视窗的隔爆外壳（１２）组成，光学子系统主要包括光源模块（１３）、深度感知视觉传感器（６７）、环形测光计（１４）和镜头（６６）；嵌入式处理子系统主要包括嵌入式主处理器Ｕ１１、存储器Ｕ１２，图像采集模块Ｐ３。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，刘松，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]