專利名稱：一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置和方法
技術領域：
本發明為一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置和方法，屬于機器視覺、 立體測量和自動化領域，用于快速正確獲得煤倉料位的深度信息。
背景技術：
煤倉料位的檢測是煤礦安全生產的重要措施，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，從而引發膠 帶輸送機頭積煤埋壓和膠帶機重載啟動現象，進而引發一系列重大事故；如果煤下降到規 定的最低料位后，如果不及時停止卸煤，一方面其下口結構受沖擊而破壞，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生，消除隱患，實現安全運輸生產。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 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、基于超聲波技術和基于雷達技術的三種測量方法，基于射頻電容技術測量方法將 一個無線電頻率發送到探頭上，通過連續的分析電容量的變化來實現測量；基于超聲波技 術的測量方法利用超聲波發送和接受的時間差來實現測量；基于雷達技術的測量方法利用 電磁波的發射波與反射波時間差來實現測量。中國專利申請號200710038493. 8，
公開日2008. 9. 24，公開了一種基于機器視覺 的非接觸式連續測量小顆粒狀物質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，從而實現物料測量。中國專利申請號01107328. 4，
公開日2002. 11. 6，公開了一種數字視頻料位計，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構很復雜，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 要求煤面形狀規則，內表面光滑，且測量盲區較大，測量精度不穩定，另外波傳播時，倉內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，比較困難，且很難 實現煤礦安全生產的特性。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，本發明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。

發明內容
本發明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和方法，它利 用激光器對提供主動光源，解決了高深煤倉煤質特征復雜的問題，且激光束的方向可變，有 效地解決了光斑缺少的問題。用單個相機檢測光斑點的間距，進而實現煤倉料位的測量，用 較低的成本實現了較高的測量精度和高實時性。本發明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。所述的裝置包括一組或多組激光器對、成像單元、處理器單元和防爆單元。所述的激 光器對根據煤倉的深度產生兩束成一定夾角的激光束；所述的成像系統用于獲取激光束在 煤倉中煤面上形成的兩點光斑圖像；所述的處理器單元利用圖像中兩個光斑的中心距離以 及兩激光束的夾角計算煤倉料位的深度，并且控制光源，一組或多組激光器對、相機以及電 機的工作；但用多組激光器對時，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。當用一組激光器對時，裝置進一步電機旋轉單元、直線電機單元。電 機旋轉單元通過電機旋轉來改變一組激光器對兩激光束的的方向，保證在煤面上形成兩個 大小相差不大的光斑；直線電機單元驅動撐桿的開合控制兩激光束之間的夾角大小；隔爆 單元用來滿足井下防爆要求。本發明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方法得以 實現，所述方法包括如下步驟1)產生兩束成固定夾角的激光束；2)獲取所述激光束在煤面上形成的光斑圖像；3)檢測圖像中光斑的數量和大小；4)如果圖像光斑是兩個且兩個大小相差不大，進入下一步，否則重復步驟2)和步 驟3)直到得到兩個大小相差不大的光斑；5)計算兩個光斑之間距離；6)根據步驟5)所得的距離和兩激光束之間的夾角計算煤倉料位；
以下結合附圖對優選實施例進行詳細描述，從這些描述中本發明的上述目的和優 點將變得更加清楚。其中


圖1是本發明多組激光器對一種實施例料位測量裝置的平面圖；圖2是本發明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是本發明激光器對中每個激光器的蜂窩布置結構示意圖；圖4是本發明激光和單目視覺煤倉料位測量裝置的方框圖；圖5是本發明激光和單目視覺煤倉料位測量原理示意6、圖7和圖8表示本發明煤倉料位測量時所得圖像的示意圖；圖9是本發明煤倉料位測量的流程圖；圖10是本發明用一組激光器對時料位測量裝置裝配體主視圖；圖11是本發明用一組激光器對時料位測量裝置裝配體右視圖；圖12是本發明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13是本發明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14是本發明用多組激光器對時料位測量裝置主視圖剖面圖；圖15是本發明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合附圖中所列的實例對本發明的優選實施例進行詳細，說明，其中使用 相似的附圖標記來表示類似部件。圖1是本發明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，本發 明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(CXD)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 組激光器對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，根據煤倉的深度點亮 LED陣列中LED的數量，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計，其中的鑲嵌的視窗10是高透光的。圖2是本發明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， 本發明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。所述的光源5是由LED陣列組成，根據煤倉的 深度點亮LED陣列中LED的數量，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。旋轉時帶動激光 器固定架61、激光器固定架62、C⑶相機，直線電機單元同時旋轉，且一組激光器對，C⑶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計，其中的鑲嵌的視 窗10是高透光的。圖3是本發明激光對中每個激光器的蜂窩布置結構示意圖；如圖3所示，本發明的 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。
6上述的激光器外殼32用來固定在旋轉支架上。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，根據煤倉的深度確定接通激光頭30的數 量，以確保光斑大小提供合適的信息。圖4是本發明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，控 制單元41控制上述的激光器3和激光器4發射激光束，通過控制接通光源5中的LED陣列 中LED的數量實現光源亮度的控制，且控制電機7旋轉，從而實現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獲得的圖像數據被存儲在存儲單元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 的裝煤設備和卸煤設備進行通訊。圖5是本發明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CCD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O2, 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，O1, O2三點組成一個等腰三角形，根據O1, O2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
權利要求
一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置，包括一組或多組激光器對，每組激光器對包含兩個激光器，用于產生成固定夾角的兩束激光束；成像單元，用于獲取所述激光束在煤面上形成的兩點光斑圖像；主處理器單元，它利用所述圖像計算兩光斑的中心距離，進而結合兩激光束的夾角計算煤面到裝置間的實際距離；防爆單元，用來實現煤礦井下的防爆要求；當裝置僅包括一組激光器對時，裝置還包括兩激光固定桿，用來固定激光器對；兩支撐桿，通過直線電機用來控制兩激光固定桿的開合程度；電機旋轉單元，用來旋轉固定激光器對支架，從而改變激光束的方向，以保證煤面上有兩個大小和形狀類似的光斑圖像；直線電機單元，用來驅動支撐桿的開合控制兩激光束之間的夾角大小。
2.根據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的兩束激光束所成的 初始夾角由煤倉的深度和直徑確定。優選實施例夾角的計算公式如下
3.根據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的激光器對中每一個 激光器是由多個激光發射器組成，多個激光發射器成蜂窩狀布置，且根據煤倉的最大深度 確定接通激光發射器的數量。
4.限據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的每組激光器對按照 兩激光束的初始夾角對稱布置，且每組激光對中激光器位于一條直線上。
5.根據權利要求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。
6.根據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的電機旋轉單元，當只 用一組激光對時，通過電機旋轉來控制兩激光束的方向，從而確保在煤面上形成兩個大小 和形狀都相似的兩個光斑。
7.根據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的電機旋轉單元，旋轉 時帶動一組激光對，CXD相機，直線電機單元同時旋轉，且一組激光對，C⑶相機，直線電機 單元相對位置不變。
8.根據權利要求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，每次 接通一組激光器對，依次接通直到煤面上有兩個大小和形狀類似的光斑圖像。
9.根據權利要求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，當只 用一組激光器對時，通過電機的直線運動來控制固定激光器對的兩固定桿的開合來實現兩 激光束夾角的變化，直到煤面上有大小合適的兩光斑圖像。
10.根據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的處理器單元檢測所 述的圖像中光斑的數量和形狀，并且，若有兩個光斑，且形狀和大小相似，利用檢測到兩光 斑的距離計算所述的煤倉料位的實際距離。
11.根據權利要求10所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于其中所述煤倉料位的實 際距離由以下方程式計算
12.根據權利要求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。
13.根據權利要求1所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的處理器單元，進一 步包括采集單元、存儲單元、控制單元、圖像處理和深度計算單元和外部通訊單元。
14.根據權利要求13所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于所述的控制單元根據煤 倉直徑和料位的深度控制光源的亮度和一組激光器對中接通激光發射器的數量，并且根據 成像情況控制旋轉電機的旋轉。
15.根據權利要求13所示的煤倉料位測量裝置，其特征在于圖像處理和深度計算單 元。它通過對所述圖像進行處理而檢測兩光斑的位置信息，進而計算煤倉料位的深度。
16.一種煤倉料位測量方法，其中，所述方法包括如下步驟1)產生兩束成固定夾角的激光束；2)獲取所述激光束在煤面上形成的光斑圖像；3)檢測圖像中光斑的數量和大小；4)如果圖像光斑是兩個且兩個大小相差不大，進入下一步，否則重復步驟2)和步驟3) 直到得到兩個大小相差不大的光斑；5)計算兩個光斑之間距離；6)根據步驟5)所得的距離和兩激光束之間的夾角計算煤倉料位的深度。
17.根據權利要求16所示的煤倉料位測量方法，其特征在于步驟6)所述煤倉料位的 深度由以下方程式計算
全文摘要
本發明公開一種基于激光和單目視覺的煤倉料位測量裝置和方法，所述裝置包括一組或多組激光器對、成像單元、處理單元和隔爆單元。所述的激光器對產生兩束成一定夾角的激光束；所述的成像系統用于獲取激光束在煤面上形成的兩點光斑圖像；所述的處理單元計算兩光斑點的中心距和煤倉料位的深度，并且控制光源，激光器對、相機以及電機工作；當用多組激光器對時，每次接通一組激光器對，依次接通直至形成兩個類似的光斑；當用一組激光器對時，裝置還包括旋轉電機、直線電機。利用旋轉電機的旋轉和直線電機的直線運動來保證在煤面上形成兩個類似的光斑；隔爆單元用來滿足井下防爆要求。因而，本發明的優點在于結構簡單，成本低廉，精度高，魯棒性好。
文檔編號G01F23/00GK101943593SQ20091025967
公開日2011年1月12日 申請日期2009年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者劉松, 孫繼平 申請人:中國礦業大學(北京)