專利名稱：一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置，屬于機器視覺、立 體測量和自動化領(lǐng)域，用于快速正確獲得煤倉料位的深度信息。
背景技術(shù)：
煤倉料位的檢測是煤礦安全生產(chǎn)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(fā)膠 帶輸送機頭積煤埋壓和膠帶機重載啟動現(xiàn)象，進而引發(fā)一系列重大事故；如果煤下降到規(guī) 定的最低料位后，如果不及時停止卸煤，一方面其下口結(jié)構(gòu)受沖擊而破壞，另一方面可能造 成下部工作人員傷亡事故。同時，還可能由于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。因此，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，便于控制各部膠帶機的送煤量， 杜絕了煤倉堆煤事故的發(fā)生，消除隱患，實現(xiàn)安全運輸生產(chǎn)。目前常用的煤倉料位檢測方法有重錘式、電極式、電容式、機桿式、稱重式、回轉(zhuǎn) 翼輪式、雷達式、超聲波式、激光式、核子式等。其中重錘式、電極式、電容式、機桿式、稱重式 和回轉(zhuǎn)翼輪式屬于接觸式測量方法，其余的為非接觸式測量方法。最常用的有基于射頻電 容技術(shù)、基于超聲波技術(shù)和基于雷達技術(shù)的三種測量方法，基于射頻電容技術(shù)測量方法將 一個無線電頻率發(fā)送到探頭上，通過連續(xù)的分析電容量的變化來實現(xiàn)測量；基于超聲波技 術(shù)的測量方法利用超聲波發(fā)送和接受的時間差來實現(xiàn)測量；基于雷達技術(shù)的測量方法利用 電磁波的發(fā)射波與反射波時間差來實現(xiàn)測量。中國專利申請?zhí)?00710038493. 8，
公開日2008. 9. 24，公開了一種基于機器視覺 的非接觸式連續(xù)測量小顆粒狀物質(zhì)料位的高可信度方法及其裝置，裝置由特殊點光源、圖 像采集機、機器視覺模塊等組成，圖像采集機采集由點光源發(fā)射出的光束在物料表面形成 的高亮度光圓圖像，通過機器視覺模塊采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(xiàn)物料測量。中國專利申請?zhí)?1107328. 4，
公開日2002. 11. 6，公開了一種數(shù)字視頻料位計，由 視頻輸入器、圖像采集卡、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采集卡的視頻輸入端，微處理器控制圖像采集卡按用戶設(shè)定 的采樣周期采集料位圖像、并對圖像進行處理，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(shè)備有著以下問題。1)接觸性測量方法由于探頭接觸物料，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(jié)構(gòu)很復雜，工作可靠 性差，易出故障。2)非接觸式的測量方法，一旦測量頭污染，測量精度大幅度下降，且該類方法一般 要求煤面形狀規(guī)則，內(nèi)表面光滑，且測量盲區(qū)較大，測量精度不穩(wěn)定，另外波傳播時，倉內(nèi)濕度也影響測量精度，且很多方法對煤倉的直徑與深度比有一定的要求。3)基于光圓圖像的測距方法，由于成像存在太多盲點和圖像的多解析性，特別煤 的成分，顆粒度等差別，可能在缺失光斑或缺少光斑的大部分信息，因而測量誤差大，魯棒 性低；4)主動性差；由于煤倉的高深度，無光、煤的顆粒程度差別很大，無明顯一致的特 征，主動性差。5)不易部署，在井下煤倉的有限位置部署，基于PC的視覺系統(tǒng)，比較困難，且很難 實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)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，且成本 低廉。本實用新型提供了一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置和方法。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提出一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置，它利用 激光器對提供主動光源，解決了高深煤倉煤質(zhì)特征復雜的問題，用單個相機檢測光斑點的 間距，進而實現(xiàn)煤倉料位測量的目的，用較低的成本實現(xiàn)了較高的測量精度和高實時性。本實用新型所述的目的由以下提出的基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置 得以實現(xiàn)。所述的裝置包括成像部分、處理部分、照明光源部分和隔爆部分。成像部分包括 CXD相機和一組或多組激光器對。所述的激光器對根據(jù)煤倉的深度產(chǎn)生兩束成一定夾角的 激光束。所述的CCD相機用于獲取激光束在煤倉中煤面上形成的兩點光斑圖像。當用一 組激光器對時，裝置還包括旋轉(zhuǎn)電機和直線電機。相機、直線電機和激光器對與旋轉(zhuǎn)電機相 連，受其轉(zhuǎn)導可以做圓周旋轉(zhuǎn)。激光器對與直線電機相連，受其引導可以做圓弧運動，以保 證在煤面上形成兩個大小相差不大的光斑。當用多組激光對時，相機和多組激光器，照明光 源部分通過固定架與隔爆部分相連，每次接通一組激光器對，依次接通直至在煤面上形成 兩個大小相差不大的光斑。照明光源部分由紅外LED陣列組成。隔爆部分包括隔外殼和高 透光視窗。本實用新型利用激光對產(chǎn)生兩個成一定夾角的激光束，在煤面上產(chǎn)生兩個光斑， 用CXD相機采集光斑圖像，處理器計算兩個光斑的距離并結(jié)合一組激光對的夾角實現(xiàn)煤倉 料位測量的目的。本實用新型的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度高，魯棒性好，且解決 了光斑丟失問題。
以下結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例進行詳細描述，從這些描述中實用新型的上述目的和 優(yōu)點將變得更加清楚。其中

圖1是本實用新型多組激光器對一種實施例料位測量裝置的平面圖；圖2是本實用新型用一組激光器對時一種實施例料位測量裝置的平面圖；圖3是本實用新型激光對中每個激光器的蜂窩布置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型激光和單目視覺煤倉料位測量裝置的方框圖；圖5是本實用新型激光和單目視覺煤倉料位測量原理示意圖圖6、圖7和圖8表示本實用新型煤倉料位測量時所得圖像的示意圖；[0023]圖9是本實用新型用一組激光器對時料位測量裝置裝配體主視圖；圖10是本實用新型用一組激光器對時料位測量裝置裝配體右視圖；圖11是本實用新型用一組激光器對時料位測量裝置裝配體主視圖半剖面圖；圖12是本實用新型用一組激光器對時料位測量裝置裝配體主視圖局部剖面圖；圖13是本實用新型用多組激光器對時料位測量裝置主視圖剖面圖；圖14是本實用新型用多組激光器對時料位測量裝置仰視圖剖面圖；具體實施方法下面將結(jié)合附圖中所列的實例對本實用新型的優(yōu)選實施例進行詳細，說明，其中 使用相似的附圖標記來表示類似部件。圖1是本實用新型多組激光器對一種實施例料位測量裝置的平面圖；如圖1所示， 本實用新型煤倉料位測量裝置包括多組激光器對100，一個電荷耦合器件(CCD)相機6、光 源5、防爆外殼8和外殼視窗10;所述的多組激光器對的每個激光器成圓周均勻或非均勻布 置，多組激光對100的每一組激光器對中的兩個激光器(比如激光器3和激光器4)對稱 布置，并產(chǎn)生固定夾角的激光束。所述的CXD相機6通過拍攝兩束激光在煤面上形成的兩 個光斑的像而得到一副圖像。所述的多組激光器對每次接通一組激光器對，依次接通，直到 所述的CXD相機獲得兩個光斑的像。所述的光源5是由LED陣列組成，根據(jù)煤倉的深度點 亮LED陣列中LED的數(shù)量，為獲取好的圖像提供合適的照明。所述的防爆外殼7是為了滿 足煤礦井下防爆要求而設(shè)計，其中的鑲嵌的視窗10是高透光的。圖2是本實用新型用一組激光器對時一種實施例料位測量裝置的平面圖。如圖2 所示，本實用新型的煤倉料位測量裝置包括一組激光器對激光器3和激光器4、一個電荷 耦合器件(CXD)相機6、光源5、電機7、直線電機11、防爆外殼8和外殼視窗10。上述的激 光器3和激光器4對稱布置，并產(chǎn)生固定夾角的激光束。所述的CCD相機6通過拍攝兩束激 光在煤面上形成的兩個光斑的像而得到一副圖像。所述的光源5是由LED陣列組成，根據(jù) 煤倉的深度點亮LED陣列中LED的數(shù)量，為獲取好的圖像提供合適的照明。所述的電機7， 通過旋轉(zhuǎn)來改變激光束的方向，確保在煤面上形成兩個形狀和大小類似的光斑。旋轉(zhuǎn)時帶 動激光器固定架61、激光器固定架62、CCD相機，直線電機單元同時旋轉(zhuǎn)，且一組激光器對， CCD相機，直線電機單元相對位置不變。所述的直線電機11，做直線運動，帶動支撐桿63和 支撐桿64開合，支撐桿63帶動激光器固定桿61，支撐桿64帶動激光器固定桿62，實現(xiàn)兩 激光束夾角的變化。所述的防爆外殼7是為了滿足煤礦井下防爆要求而設(shè)計，其中的鑲嵌 的視窗10是高透光的。圖3是本實用新型激光器對中每個激光器的蜂窩布置結(jié)構(gòu)示意圖；如圖3所示，本 實用新型的激光器3和激光器4是相同的，每個激光器包括激光器外殼32、蜂窩固定架31 和激光頭30。上述的激光器外殼32用來固定在旋轉(zhuǎn)支架上。所述的蜂窩固定架31用來固 定激光頭30。激光器3和激光器4都是由多個激光頭30組成，根據(jù)煤倉的深度確定接通激 光頭30的數(shù)量，以確保光斑大小提供合適的信息。圖4是本實用新型一種激光和單目視覺煤倉料位測量裝置的方框圖。如圖4所 示，所述的處理單元進一步包括控制單元41、存儲單元45、采集單元44、圖像處理和深度計 算單元42和外部通訊單元43。控制單元41控制上述的激光器3和激光器4發(fā)射激光束， 通過控制接通光源5中的LED陣列中LED的數(shù)量實現(xiàn)光源亮度的控制，且控制電機7旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)激光光束的方向的改變。采集單元44控制所述的CCD相機6獲取由激光束在煤 面上形成的兩個光斑點的圖像。所述的CCD相機6和采集單元44獲得的圖像數(shù)據(jù)被存儲 在存儲單元45中，并被用于圖像處理和深度計算單元42計算光斑的數(shù)量大小和煤倉料位 深度。外部通訊單元43負責與煤倉的裝煤設(shè)備和卸煤設(shè)備進行通訊。 圖5是本實用新型激光和單目視覺煤倉料位測量原理示意圖。如圖5所示，所述的 測量裝置301產(chǎn)生兩束激光束所成夾角為，兩束激光束煤面302上形成兩個光斑光斑303 和光斑304，由CXD相機所獲取圖像中的兩點光斑圖像，通過處理器單元的計算得到兩光斑 的中心O1和02，O1表示光斑304的中心，O2表示光斑303的中心，0表示兩光束的夾角，0， O1A2三點組成一個等腰三角形，根據(jù)O1,02之間的距離B和兩光束的夾角θ可以求得煤倉 料位的深度d，其計算公式如下圖6、圖7和圖8表示本實用新型煤倉料位測量時所得圖像的示意。圖6中，利用CXD相機6得到在一束激光束完全投射到煤塊之間的縫隙中的情況 下的圖像，根據(jù)本實用新型無法測量煤倉料位深度，需要利用上述的電機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)7旋轉(zhuǎn) 一定的角度，從而改變兩激光束的方向，再進行CCD相機6獲取圖像。圖7中，利用CCD相機6得到在一束激光束部分投射到煤塊之間的縫隙中的情況 下的圖像，根據(jù)本實用新型測量煤倉料位深度可能造成誤差，為了獲取較高測量精度，需要 利用上述的電機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)7旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而改變兩激光束的方向，再進行CCD相機6 獲取圖像。圖8中，利用CCD相機6得到在兩束激光束投射煤面上時圖像，根據(jù)本實用新型就 不需要電機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)7進行旋轉(zhuǎn)，利用CCD采集的圖像進行兩個斑點中心的求取，進而計算 煤倉料位的深度。圖9是本實用新型用一組激光對時料位測量裝置裝配體主視圖；如圖9所示，相機 基板14和光源基板16與隔爆外殼8螺釘連接；光源5與光源基板16螺釘連接；旋轉(zhuǎn)電機 7和電機固定板15通過螺釘固定在相機基板14上；激光固定架11和激光固定架12與相 機固定架13通過銷釘19連接。圖10是本實用新型用一組激光對時料位測量裝置裝配體右視圖；如圖10所示， CCD相機6與相機固定架13螺釘連接；直線電機17與相機固定架13螺釘連接；圖11是本實用新型用一組激光對時料位測量裝置裝配體主視圖半剖面圖；如圖 11所示，激光支撐桿23和激光支撐桿24和直線電機17螺釘連接；激光支撐桿23和激光 固定架12螺釘33連接；激光支撐桿24與激光固定架11螺釘25連接。圖12是本實用新型用一組激光對時料位測量裝置裝配體主視圖局部剖面圖；如 圖12所示，激光器3和激光固定架11過盈配合；激光器4和激光固定架12過盈配合；相機 固定架13與轉(zhuǎn)軸36通過螺栓連接；旋轉(zhuǎn)電機軸37和轉(zhuǎn)軸36通過鍵連接；軸承套34通過 螺釘固定在相機基板14上；軸承35與軸承套34過盈配合。圖13是本實用新型用多組激光對時料位測量裝置主視圖剖面圖；如圖13所示，激 光固定臺65和光源固定臺66與隔爆外殼8焊接；多組激光對100外殼與激光固定臺65螺釘連接；相機6與相機固定架69螺釘連接；相機固定架69與隔爆外殼8螺釘連接；多組激 光對緊密配合固定在多組激光對100外殼內(nèi)；每組激光對中的兩激光器(如激光器3和激 光器4)按一定夾角對稱布置；光源固定架68與光源固定臺66螺釘連接；光源5與光源固 定架68螺釘連接。圖14是本實用新型用多組激光對時料位測量裝置仰視圖剖面圖；如圖14所示，多 組激光對100由多個激光器組成，且沿圓周均勻或非均勻布置；每組激光對的兩激光器(如 激光器3和激光器4)對稱布置；光源5有多個LED78組成。如上所述，本實用新型提供一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量方法和裝 置。其原理是利用激光作為主動光源，產(chǎn)生成固定夾角的激光束，在煤面上形成兩個光斑， 通過C⑶相機獲取兩個光斑圖像，通過求取兩光斑的中心距離來實現(xiàn)煤倉料位的測量。于 是，本實用新型利用結(jié)構(gòu)簡單且結(jié)構(gòu)低廉的激光發(fā)射器和CCD相機，使該煤倉料位測量裝 置在使用起來既方便又經(jīng)濟。另外，本實用新型優(yōu)點在于，由于本實用新型基于激光和單目 視覺的煤倉料位測量裝置在測量煤倉料位時步驟簡單，所以降低了整個煤倉料位測量系統(tǒng) 的負荷，而使得測量時間縮短，進而滿足煤倉料位測量的實時性。再有，本實用新型的優(yōu)點 在于，由于利用激光作為主動光源，在煤面上形成激光光斑，有效解決了煤倉料位特征的復 雜性，使得整個系統(tǒng)的魯棒性好，且由于激光束的方向可變有效地解決了光斑丟失問題。由 于激光作為主動光源在煤面上形成光斑點，對視覺系統(tǒng)的照明要求大幅度降低，從而解決 了深煤倉照明最大難題。盡管已描述了本實用新型的一些實施例，但對于熟悉本領(lǐng)域的人而言是清楚的， 對這些實施例做多種改型而不致使脫離本實用新型的原理和精髓；所附個權(quán)利要求及其等 效用語限定本實用新型請求保護范圍。
權(quán)利要求一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置，包括成像部分、處理部分、照明光源部分和隔爆部分；成像部分包括CCD相機和一組或多組激光器對；當用一組激光器對時，裝置還包括旋轉(zhuǎn)電機、直線電機、兩個激光固定桿和兩個支撐桿，相機、直線電機和激光器對與旋轉(zhuǎn)電機相連，受其轉(zhuǎn)導可以做圓周旋轉(zhuǎn)，激光器對與直線電機相連，受其引導可以做圓弧運動；當用多組激光對時，相機和多組激光器對，照明光源部分通過固定架與隔爆部分相連，處理器部分為一塊嵌入式處理器，與裝置各部分相連，照明光源部分由紅外LED陣列組成，隔爆部分包括隔外殼和高透光視窗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的激光對中每一個激 光器是由多個激光發(fā)射器組成，多個激光發(fā)射器成蜂窩狀布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的每組激光對按照兩 激光束的初始夾角對稱布置，初始夾角由煤倉的深度和直徑確定，且每組激光對中激光器 位于一條直線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的多組激光器對中激 光器沿圓周均勻布置和非均勻布置；所述的多組激光器對的每組激光器對分別與嵌入式處 理器相連，嵌入式處理每次驅(qū)動一組激光器對，依次驅(qū)動直至在煤面上形成兩個大小合適 的光斑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)電機和嵌入式 處理器相連，嵌入式處理器驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)；所述的旋轉(zhuǎn)電機與一組激光器對，CCD相 機，直線電機相連，受旋轉(zhuǎn)電機旋轉(zhuǎn)引導激光器對可以沿圓周運動，用來確保在煤面上形成 兩個大小合適的光斑，而且一組激光對，CCD相機，直線電機單元相對位置不變。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的直線電機單元與兩 個支撐桿相連，兩個支撐桿與兩個激光固定桿相連，兩個激光桿與激光器對相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的嵌入式處理器與CXD 相機相連，接收來自CCD相機得圖像數(shù)據(jù)并進行處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的防爆單元是包含視 窗的防爆外殼，且視窗是高透光的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的照明光源部分由LED 陣列組成，LED陣列分為多組，每組分別與嵌入式處理器相連，嵌入處理器根據(jù)煤倉深度確 定驅(qū)動多少組LED，用來確保光照在一個合適的程度。專利摘要本實用新型是一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置，屬于機器視覺領(lǐng)域。它包括成像部分、處理部分、照明光源部分和隔爆部分。成像部分包括CCD相機和一組或多組激光器對。當用一組激光器對時，裝置還包括旋轉(zhuǎn)電機和直線電機。相機、直線電機和激光器對與旋轉(zhuǎn)電機相連，受其轉(zhuǎn)導可以做圓周旋轉(zhuǎn)，激光器對與直線電機相連，受其引導可以做圓弧運動。當用多組激光器對時，相機和多組激光器，照明光源部分通過固定架與隔爆部分相連。處理部分為一塊嵌入式處理器，與裝置各部分相連。照明光源部分由紅外LED陣列組成。隔爆部分包括隔外殼和高透光視窗。本實用新型的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度高，魯棒性好，且解決了光斑丟失問題。
文檔編號G01F23/292GK201653497SQ20092029996
公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者劉松, 孫繼平 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)