专利名称：一种非接触式煤仓煤位光电测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种非接触式，基于图像中激光光斑成像点与图像中心点间的像 素数，通过查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，获取料仓内各种物料(颗粒 状、粉末状)料位深度值的高可信度测量方法与装置，属物位测量的技术领域。特别适 用于矿井煤仓煤位的深度测量。该测量装置主要由CCD数字相机、激光发射器、图像处 理器和图像实时显示系统组成。
背景技术：
为了使矿井生产能够正常地进行，并充分发挥设备的效能，在矿井井下主要运 输环节之间(如井底、采区或工作面)普遍设置了各种类型的煤仓，用以调节和缓冲各 环节的生产能力，使之连接成一个有机的整体，以保证煤和矸石源源不断地运到地面上 来。一般煤矿井下的煤仓是筒状体、锥状体或半桶半锥状混合体，需考虑由于垂深大， 煤流动时对仓壁的冲击。以国标(GB50215-2005)的建议尺寸为例，煤仓高度40m，直 径8m。在这种环境下，随着煤流连续不断地输送到煤仓容器中，煤面距离煤仓顶部的距 离越来越近，如不及时停止加料，就有溢出(冒仓)的可能，因此必须设定煤仓煤位深度 估计的上限。反之，如果出现煤排空(空仓)的现象，对煤仓而言损害是致命的。因为 卸煤后煤流的自然下落，仓体下部低料位贮煤可以对仓口起到缓冲的作用，从而保护煤 仓下面的给煤机避免被砸坏。如果空仓，一方面意味着仓体下部没有贮煤，卸煤后煤块 从高处直接下落对仓体底部的砸击作用，很容易砸坏仓体；另外一方面，煤仓连通着两 个巷道，一个是进风巷，一个是回风巷，空仓直接造成了通风系统的短路，因此为避免 上述煤矿不安全事故的发生，必须保留一定的仓体储煤量，设定煤仓煤位深度估计的下 限位置。煤仓煤位的深度检测是煤矿安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法对 煤仓煤位进行检测。常用的煤仓煤位的检测方法有重锤式、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。可以进行极限位置测量的方法有重锤式、电极式、核子式和激光式。这些方 法在实际使用中有着不可克服的缺陷。①重锤式在测量时，当往仓内存煤时，由于原煤 的粒度变化很大会将重锤埋死，使伺服电机无法将重锤提起，导致煤位计无法工作。并 且由于时常受到煤流的冲击，极易损坏，使用寿命难以保证；②电极式在测量时，一对 电极只能测某一煤位，原煤仓不同高度安装的电极，可测相应高度的煤位。煤的导电性 取决于煤的种类和含水率，实际使用中，不同来源和季节的原煤，所含水分差别很大， 这就导致不同原煤导电性变化非常大，往往使煤位计产生虚假信号，造成事故。③核 子式料位仪不仅有难于解决的发射窗口污染问题，而且难以保证其辐射源的安全使用和 保管，加上价格昂贵，难以推广应用；④激光式料位仪在检测时，虽然有一定的检测精 度，但在不同煤位时，电磁波反射角的变化较大，粗糙的煤面不仅有很强的吸波作用，还造成反射波的不规则散射，极大地影响了检测精度。并且无法解决激光发射窗口的污 染问题，难于发挥作用。因此，多年来这些技术中没有哪一个是能够保持长期、稳定、 安全、可靠工作的。而且，上述方法都存在一个共同的缺点，就是在显示煤位的同时不 能显示煤仓内的现场实景，因此一旦受到某种影响导致料位信息不准确时，就会误导操 作人员，发生事故。根据煤仓及煤表面的特点，研究一种新型煤位图像的深度检测方法 显得十分重要。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， 该数字视频料位计由视频输入器、图像采集卡、微处理器和显示屏相互连接而成。采用 机器视觉技术检测固体物料料位，其检测料位步骤为料位图像采集、数字图像处理和分 析、存储显示。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，并对该图像进 行处理，将分析出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。其测量料位的主要手段是利用料 位坐标点处标定的刻度计上的读数来获取料位真实值的。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 的料位测量方法和装置，该装置由特殊点光源、图像采集机、机器视觉模块等组成。采 用机器视觉技术检测固体物料料位，其检测料位步骤为由安装在料仓顶部的特殊的点 光源发射出的光束，投射在物料表面，从料仓的垂直剖面上看是等腰的锥形。在不同高 度的水平横截面上得到不同直径的高亮度光圆图像，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，计算出光源的直径或面积大小进而获得料位值。同时，真实 的显示料位现场实景图像的装置。中国专利申请号99100675.5，
公开日2000.8.16，公开了一种散焦聚距离测定方 法，尤指一种利用影像处理的方法做广角度的物体距离测定，即利用一对某一特定距离 为焦距的镜头，取得实际景物的模糊影像后，再利用不同的反函数(散焦函数的反函数) 的卷积换算，将其划分为若干区块，并对其区块进行散焦情况的对比，由对比结果与预 先求得的值比较求出距离值，获得以镜头圆心的各点距离的估计值。鉴于此，当前煤矿企业迫切需要一种新型煤仓煤位的测量装置。本发明尝试着 通过实时摄取激光光斑照射在物料表面的有效数字图像，计算激光光斑成像点与图像中 心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度 值。同时，真实的显示料位现场实景图像的装置，并将该测量方法与装置应用在井下煤 仓煤位的深度估计中。
发明内容
本发明公开了一种结构简单、精确度高的矿井非接触式煤仓煤位光电测量方法 与装置，该测量装置将CCD数字相机和激光发射器安装于筒状煤仓主轴顶部，相机光路 垂直于物料表面，预置激光发射器的光路偏离相机光轴一个固定角度9 (与水平方向所 夹角度为e)，该夹角的设置满足激光光路与相机光轴间夹角的约束条件，即最小值大于 0° ；最大值必须确保激光光斑的成像区域在煤仓煤位的最低极限位置时能够投射在相机 视场范围内的物料表面上，而不是投影到煤仓的仓壁上。CCD数字相机采用N档(N =1，2，…，n)分段定焦，N次调节数字相机的焦距f和光圈F，以满足在整个煤仓的不同 煤位处均能摄取较为清晰的图像。本发明的测量方法是利用CCD数字相机实时摄取照射 在煤仓煤位表面上的激光光斑图像，运用数字图像处理方法，进行激光光斑成像点的检 测和定位，通过计算图像中激光光斑成像点与图像中心像素点间的像素数，查询预先标 定的对应不同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度值H。本发明的思路是伴随着煤仓煤位的上升和下降，从CCD数字相机获取的数字图 像看，煤仓中煤位越高，图像中激光光斑偏离图像中心的像素数就越小；相反，煤仓中 煤位越低，图像中激光光斑偏离图像中心的像素数就越大。通常，激光光斑在CCD靶面 上所占的面积越大，即占有更多的像素数，光斑图像的细节就越清晰，激光光斑能量中 心的位置就分析得越准确。考虑到煤矿井下高粉尘、高湿度、低照度的恶劣成像环境， 采集到的光斑图像受辅助光源光照强度的影响很大，原始图像往往质量较差、亮度不均 勻。图像质量的下降导致图像模糊、特征淹没，目标光斑区域不易从背景区域中分离出 来，使得数字图像处理技术应用于煤仓煤位深度测量受限。为了识别出感兴趣的目标区 域(激光光斑)，本发明提出了一种融合多种图像处理算法的激光光斑检测方法，具体包 括源图像采集、图像去噪、OSTU法自适应图像分割、图像形态学光斑提取、光斑形心的 计算。主要步骤是首先，对激光光斑在煤位表面的数字图像进行预处理，以便将我们 感兴趣的激光光斑目标突显出来；其次，对图像进行降噪，根据激光光斑图像的高亮度 特征，运用平滑和滤波，对图像进行OSTU法自适应阈值分割，把目标区域和背景区域 分离出来，确定光斑区域；然后通过图像形态学的方法进行光斑提取，根据光斑为近似 圆的图形的特征，对图像进行标注和边缘检测；最后，对光斑重心、光斑质心、照射精 度等激光光斑参数进行统计测量计算。确定图像中激光光斑的成像点与图像中心像素点 间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，进而确定煤仓煤位的深度 信息。其中，查询深度表，即预先标定对应不同像素数均值的深度表，首先将数字相机 的焦聚位置设定在第1档处，使用下方水平悬吊一板材和带有长度标志的M米的细绳(M
为煤仓的深度)，顺次下放板材，每次下放间隔X米(X为料位检测绝对误差，取|为整
数)，并保证不同深度的板材上均有激光光斑，拍摄对应不同深度的板材表面激光光斑图
像，共摄取f幅；然后，针对|幅图像，分别运用图像处理算法，得到不同深度所对应
图像激光成像点与图像光路中心点之间的像素数的列表；根据不同的焦距档位(第2档、
第3档........第N档)，重复上述标定的过程，获得对应不同焦距和光圈下，激光成像
点与图像光路中心点之间像素数对应煤仓煤位值的N个列表。本发明的有益效果是，可以在准确检测煤仓煤位的深度信息的同时，方便地实 时显示当前的煤仓内部实景，避免出现空仓和满仓的事故，并且将激光发射器、数字相 机以及图像处理器置于一个具有透明视窗的防爆外壳中，透明视窗具有高压水冲尘、高 压空气冲尘，防尘刷刷尘措施，测量数据准确，无灰尘堆积。1.结构简单、精确度高。本发明的测量装置由CCD数字相机，激光发射器和图 像处理器构成，结构简单；基于图像中激光光斑成像点与图像中心像素点间的像素数， 随着煤仓煤位高低变化直接反映在图像中，运用识别激光光斑成像点的图像处理算法， 查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度值，精确度高。
2.鲁棒性好。本发明的测量装置采用N档(N= 1，2，…，n)分段定焦，N次 调节数字相机的焦距f和光圈F，以满足在整个煤仓的不同煤位处，数字相机均能摄取包 含有激光光斑成像区域的清晰图像，排除了因图像散焦模糊而带来的外在干扰，测量的 鲁棒性好。3.实时快速。本发明的测量方法中煤的深度信息是利用查询预先标定的对应不 同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度值，算法只计算以图像中心像素点与激光 光斑成像点之间的一小部分的像素差，很好保证了系统的高实时性。4.可视化效果好。本发明的测量装置将激光光斑图像的有效数据经过同轴电缆 和光纤传输至煤矿井下监控系统分站和地面控制终端，完成煤仓煤位表面图像的实时显 示，可视化效果好。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明装置的结构原理图。图2是非接触式煤仓煤位光电测量装置硬件原理图。图3是图像采集系统框图。图4是激光光斑识别的流程图。图5是非接触式煤仓煤位光电测量方法流程图。图6是标定对应不同像素数均值深度表的流程中1.矿用本安型光纤摄像机XSN8KBA149，2.长距离半导体激光发射器 Trimble LL400, 3.成像中心像素点，4.具有透明视窗的防爆外壳，5.激光光路，6.相机光 轴，7.筒状煤仓，8.煤位上限位置，9.煤位下限位置，10.激光成像光斑，11.煤仓煤位表 面，12.煤仓仓壁，13.DSP图像处理芯片TMS320C6416。
具体实施例方式在图1中，本发明装置在筒状煤仓(7)主轴的内顶部，按照先验信息(基线 b，夹角e)固定矿用本安型光纤摄像机XSN8KBA149(1)和长距离半导体激光发射器 Trimble LL400 (2)的位置。相机光轴(6)垂直于煤仓煤位表面(11)，确保相机(1)的视 场范围能够涵盖整个筒状煤仓(7)内的煤位表面(11)。数字相机(1)采用N档(N = 1， 2，…，n)分段定焦，N次调节数字相机(1)的焦距f和光圈F，以满足在整个筒状煤仓 (7)的不同煤位(11)处，数字相机(1)均能摄取较为清晰的图像。将激光发射器(2)安装 于煤仓内顶部，激光光路(5)布置在与水平方向成e角的位置，确保激光成像光斑(10) 能够投射在相机视场范围内的煤仓煤位表面(11)上。激光发射器(2)采用红色点光源， 圆型光斑模式。光电测量装置夹角的设置满足激光光路(5)与相机光轴(6)间夹角的约束 条件，即最小值大于0° ；最大值必须确保激光束光路(5)在煤仓煤位的上限位置(8)或 煤仓煤位的下限位置(9)时仍然能够投影在煤仓煤位表面(11)上，而不是投影到煤仓的 仓壁(12)上。摄取的有效数字图像信息送入DSP图像处理器(13)中，图像处理器采用 DSP芯片TMS320C6416(13)作为内核，使用通用USB 2.0接口控制器CY7C68001 (210) 进行接口设计，将处理后的煤位图像信号实时传到PC机(301)中，完成煤仓煤位的深度检测。在图2所示实施例中，采用DSPTMS320C6416(13)作为图像处理器内核，高速 通用串行总线 USB 2.0 的接 口器件 CY7C68001 (210)，IS61LV256 是 256K*16bit SRAM1 芯片(203)，STT39VF1601 是 lM*16bitFLASH 芯片(204)。选用 FIFO CY7C68001 (210) 缓存数据块，实现DSP TMS320C6416(13)与高速模数转换器AD9220 (209)的接口， 完成数据采集的智能控制。由DSP确定实时采样或等效采样的采样时钟频率，由 SRAM1 (203)写入时钟。采用 FPGAEP1C6Q240 芯片(208)，AD9220 芯片(209)， 在最佳采样时钟控制下，将转换后的信号送到SDRAM中。其中，为扩展数据的存 储空间，提高读写速度，采用K4S641632 SDRAM芯片(213)，提出一种基于FPGA EPIC6Q240(208)的SDRAM控制器的数据采集实现方法。为减轻FPGA I/O数量压力， 采用AD9220串行转换芯片(209)，将FPGA接受的用户输入电路偏置电平、触发电平 校准控制信号转换为模拟信号去控制输入电路和触发电路。运用可调节电平触发方式 采用高速比较器AD96685、LM1881器件将触发信号转换成方波触发信号。采用CPLD EPM1270T144(205)、SRAM IDT71V416L-10PH (206)以及 TFT PT35TN01 (207)组成实 时显示模块。在图3所示实施例中，本发明装置选用矿用本安型光纤摄像机XSN8KBA149⑴ 来采集图像，使用本安外壳将固体ICX205AL型CCD传感器与激光发射器(2)融合在 一起，密闭于具有透明视窗的防爆外壳(4)中。煤仓被测煤位表面(11)通过玻璃视窗 经光学系统成像在摄像头的CCD传感器上，然后输出信号本安传输至AD9220型A// D(209)转换器，所转换的数据再经DSPTMS320C6416(13)预处理，通过USB2.0接口器 件CY7C68001 (210)对TMS320C6416 (13)进行接口设计，实现DSP和PC机通信，将 DSP处理过的图像信号实时传输到PC机(301)进行存储、显示或进行数据分析等，完成 了图像采集和实时传输的过程。在图4所示实施例中，由于图像的目标背景对比度低，噪声大而图像的能量主 要集中在其低频部分，需要提取的激光光斑边缘信息主要集中在其高频部分，因此，本 发明中提取激光光斑首先要解决的内容是去掉低频干扰同时保持边缘信息。首先，选用 LaPlace微分算子进行锐化(401)，强调图像中灰度的突变及降低灰度缓慢变化的区域， 增强边缘和其它突变(如噪声)，并削弱灰度变化缓慢的区域(图像背景中可见的大面 积连续噪声)。可以使图像中的各灰度值得到保留，使灰度突变处的对比度得到增强， 最终结果是在保留图像背景的前提下，突现出图像中小的细节信息，使图像反差增加， 边缘明显；其次，实际获取的激光光斑图像在形成、传输、接收和处理过程中受到煤仓 内高粉尘，高湿度，低照度成像环境的影响，数字化过程的量化噪声及人为因素等多方 面的噪声干扰，恶化了图像质量，使图像模糊，特征淹没，给图像处理带困难。运用分 段非线性直方图拉伸(402)，通过对比度拉伸对直方图进行调整，扩大图像前景和背景 灰度的差别，根据图像区域亮度分布的不同采用不同的变换曲线，拟合拉伸曲线，实现 对激光光斑图像进行增强处理；然后，图像平滑(403)采用邻域平均法的均值滤波器， 去除通过扫描得到的图像中的颗粒噪声。虽然抑制了噪声，同时也由于平均而引起了模 糊现象，因而造成视觉上的失真，还需要进行中值滤波(404)，克服平均值滤波所带来 的图像细节模糊，对滤波脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效。经过非线性拉伸，背景干扰与其临近像素的灰度值有很大差异，因此经排序后取中值的结果是将此干扰变成与 其临近象素的灰度值一样，达到去除干扰的目的。此外经过LaPlace变换后的图像会增 加噪声，直方图拉伸后会突出噪声的影响，虽已采用了中值滤波，但要作去噪处理，选 用Wiener滤波器(405)，更好地保存图像的边缘和高频细节信息；再次，根据激光光斑 图像的高亮度特征，再采用自适应阈值(406)的办法做图像分割，将目标从背景中提取 出来，当照明不均勻、有突发噪声，或者背景灰度变化比较大时，整幅图像分割将没有 合适的单一门限，因为单一的阈值不能兼顾图像各个像素的实际情况。为减少亮度不均 勻，采用自适应阈值分割将图像细分成多个图像子区域，对每一子图像分别选取一个阈 值进行分割，用于定位图像中的物体和边界。通常选取每块图像中各像素阈值的平均值 或最大值与最小值的平均值作为阈值T = (max Value+min Value) /2。由于目标是提取激 光光斑，不需要所有象素的灰度值，为加快运算速度，先将灰度图像二值化(407)，就是 把图像转换为只有0和1两个值的图像。通过选用阈值δ，若象素灰度值小于δ值， 则置其新灰度值为0，否则置为1。这样使整个图像变成仅用两个值(0和1)来分别表 示的图像目标和背景图像的二值图像，将目标从背景中分离出来；图像形态学光斑提取 (408)，在分割的基础上利用数学形态学的方法进行更高层次的特征量进行提取，将目标 区域分为前景和背景两个部分，前景包括可能的目标及噪声。为了去除噪声干扰，并对 分割的前景进行光斑提取，根据光斑为近似圆的图形的特征，对图像进行标注和边缘检 测，最后完成对图像中目标的统计计算。可用的特征量包括长度、光斑成像椭圆像素 和、重心和质心；最后，进行光斑形心计算(409)，假设图像在CCD上所成像的长度为 RgnWidth,高度为(RgnBottom-RgnTop+1)，已知靶面长度为 Lwidth,靶面高度为 Llleigth, 则图像的长度像素比为kx = Lwldth/RgnWidth，ky = Llleigth/ (RgnBottom-RgnTop+1)。 通过激光照射器的设计束散角a(mrad)、照射距离L(Km)及图像的长度像素系数kx, ky计算出激光光斑在煤面上的成像椭圆的长轴像素值
权利要求
1.一种非接触式煤仓煤位光电测量装置，其特征在于将激光发射器和数字相机安装 于煤仓顶部，相机光路垂直于物料表面，激光发射器布置在与水平方向成θ角的位置， 确保激光光斑的成像区域能够投射在相机视场范围内的物料表面上；调节数字相机焦 距，实时摄取激光光斑照射在物料表面的有效数字图像；计算激光光斑成像点与图像中 心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度 值H。
2.根据权利要求1所述的光电测量方法与装置，光电测量装置夹角的设置其特征在于 满足激光光路与相机光轴间的夹角90° -Θ的约束条件，即最小值大于0° ；最大值必须 确保激光束在煤仓煤位的最低极限位置时仍然能够投影在物料表面上，而不是投影到煤 仓的仓壁上。
3.根据权利要求1所述的检测方法与装置，其特征在于采用N档(N=1，2，…，η) 分段定焦，N次调节数字相机的焦距f和光圈F，以满足在整个煤仓的不同煤位处，数字 相机均能摄取包含有激光光斑成像区域的清晰图像。
4.根据权利要求1所述的光电测量方法与装置，生成预先标定对应不同像素数均值的 深度表的方法，其特征在于首先将数字相机的焦聚位置设定在第1档处，使用下方水平 悬吊一板材和带有长度标志的M米的细绳(M为煤仓的深度)，顺次下放板材，每次下放间隔X米(X为料位检测绝对误差，取#为整数)，并保证不同深度的板材上均有激光光 斑，拍摄对应不同深度的板材表面激光光斑图像，共摄取I幅；然后，针对I幅图像，X. JC分别运用图像处理算法，得到不同深度所对应图像激光成像点与图像光路中心点之间的像素数的列表；根据不同的焦距档位(第2档、第3档........第N档)，重复上述标定的过程，获得对应不同焦距和光圈下，激光成像点与图像光路中心点之间像素数对应煤 仓煤位值的N个列表。
5.根据权利要求1所述的光电测量方法与装置，计算煤位深度值的方法，其特征在于 通过计算实时数字图像中激光光斑成像点与图像光路中心点间的像素数，结合数字相机 的N次分档焦距值，查询预先标定对应不同像素数的深度表中激光成像点与图像光路中 心点间像素数所对应的料位深度，确定煤仓煤位的实际深度值。
6.根据权利要求1所述的光电测量方法与装置，测量装置其特征在于将激光发射器、 数字相机以及图像处理器置于一个具有透明视窗的防爆外壳中，透明视窗具有高压水冲 尘、高压空气冲尘，防尘刷刷尘措施。
7.根据权利要求1所述的检测方法与装置，识别激光光斑成像点的图像处理算法，其 特征在于包括源图像采集、图像去噪、OSTU法自适应图像分割、图像形态学光斑提取、 光斑形心的计算。
全文摘要
本发明提供了一种非接触式，基于图像中激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，获取料仓内物料深度值的光电测量方法及装置，属物位测量技术领域。特别适用于煤仓煤位的深度测量。本发明装置在筒状煤仓主轴顶部固定数字相机和激光发射器，使相机光路垂直于物料表面，将激光发射器布置在与水平方向成θ角的位置，确保激光光斑的成像区域能够投射在相机视场范围内的物料表面上。相机采用N档分段定焦，以满足在煤仓的不同煤位处均能摄取清晰的图像。采用DSP作为处理器内核，通过计算激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，完成深度检测。该测量装置由数字相机、激光发射器、图像处理器和实时显示模块组成。
文档编号G01F23/292GK102023045SQ20101050991
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者孙继平, 江静 申请人:中国矿业大学(北京)