一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法与流程

本发明涉及一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法。

背景技术：

输送带在工业运输中受到广泛的应用，然而带式输送机在运行过程中，经常会发生输送带跑偏现象，不仅引起物料倾洒或带边磨损，严重时还会造成输送带断裂、烧损甚至引发火灾。这将直接影响输送带使用寿命，甚至导致煤炭运输线停运，影响安全生产，造成重大经济损失。所以及时准确的检测皮带跑偏有着重要的意义。现在市面上的皮带跑偏检测装置多为接触式检测，当输送带不跑偏时,输送带边缘与矫正装置的侧挡辊不接触,矫正装置维持原状不动作；当输送带发生跑偏时,输送带边缘就会挤压呈圆柱体侧挡辊产生推力,反之圆柱体侧挡辊会给输送带--个阻挡力,从而起到阻止输送带跑偏或将其推回原位的作用,并且在重载输送时更能发挥矫正跑偏作用,然而在轻载或空载输送时圆柱体侧挡辊给皮带的阻挡力没有重载输送时大,这个阻挡力起到阻止皮带跑偏的作用,有时却没有起到将皮带推回原位的作用，使得皮带边缘紧贴着圆柱体侧挡辊运动。因此，自动化程度偏低，影响生产效率。另外，基于红外技术对输送带横向跑偏检测，需要经常清洁红外检测环境,保证检测器与输送带间无杂物。而且针对物品偏出输送带会产生误报纠偏,最终造成输送带跑偏,因此稳定性差。

综上所述，为提高输送带使用寿命，亟需一种新的非接触式检测系统解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测量简便、结构简单、成本低、抗干扰能力强的皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法。

本发明的技术解决方案是：

一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法，其特征是：采用基于激光横向扫描皮带边缘测距的输送带跑偏检测系统，包括分别位与传送带下上端托辊旁皮带支架上的激光扫描仪a、激光扫描仪b，与输送带在同一个平面内，使激光扫描仪垂直于皮带边缘截面扫描扇面区域，并且应该保证扫描测距范围应该大于输送带厚度，用于获得皮带边缘与皮带滚筒边缘支架的横向距离；激光扫描数据可由串口处理器发送至以太网实现远程传输；上位机根据激光扫描仪a、b测量数据，实时计算皮带边缘两端二维坐标点，并转化为皮带边缘实时二维函数图像，实现在线皮带跑偏过程中偏移角与偏移量的实时计算；声光报警器与急停装置通过上位机数据处理后做出相应判断处理，控制声光报警器与急停装置的运行；

工作方法包含以下步骤：

步骤1：初始化：令激光扫描仪a采集当前帧变量k＝1，i＝1,2,…,n，n为a在单位时间t内采集皮带边缘截面数量，由单位时间t和激光扫描仪频率fspeed确定其大小(n＝t·fspeed)；从激光扫描仪a、b开始与停止工作获取检测开始或停止时刻；

步骤2：同时启动激光扫描仪a、b工作，记录t＝0时激光扫描仪a、b扫描数据值，规定为标准值，上位机接收并记录该数据；

步骤3：激光扫描仪a、b继续扫描得到皮带边缘截面实时数据，上位机接收并记录单位时间t内皮带边缘截面实时信息数据；

步骤4：融合标准参数值与实时皮带边缘截面数据信息，得到皮带上下端边缘截面二维激光点云数据；

步骤5：将皮带上下端边缘截面二维激光点云数据进行二维直角坐标转换，得到皮带上、下端边缘截面二维坐标数据；

步骤6：利用最小二乘法建立皮带边缘图像方程，联立皮带边缘图像标准方程y1和单位时间t内皮带边缘图像时刻方程y2；

图像边缘方程用基于最小二乘法的回归分析得到，为了综合所有扫描点对边缘方程的影响,设回归方程为y＝b+kx；其中x为激光扫描仪a、b扫描得到了各点横坐标，y为各点纵坐标，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距；并将检测点分为激光扫描仪a与激光扫描仪b在单位时间t内扫描各帧数得到坐标点分为2组：x1,x2,…,xm，y1,y2,…,ym，即前t/2时间内激光扫描仪a、b扫描得到的横、纵坐标；和xm+1,xm+2,…,xn,ym+1,ym+2,…,yn，即后t/2时间内激光扫描仪a、b扫描得到的横、纵坐标；分别建立观测方程：

2组方程分别相加可得：

当n＝2m时,可求得回归系数

步骤7：根据联立方程y1、y2，计算皮带偏移角θ和偏移量λ；

由上述步骤已得到k、b值，将激光扫描仪a与激光扫描仪b在单位时间t内扫描的所有帧数坐标点分为两组，即为激光扫描仪a扫描所得坐标点x1,x2,…,xm，激光扫描仪b扫描所得坐标点xm+1,xm+2,…,xn；将坐标值中最大值与最小值舍去，剩下的坐标点取平均值，即为

偏移量可知：下端皮带偏移量

上端皮带偏移量

偏移角：θ＝|acrtank|；

步骤8：将所得数据进行对比分析，判断传送带是否出现跑偏，若出现跑偏，判断出现何种程度跑偏，报警与急停装置启动；

若偏移量λ1、λ2＝0&θ＝0时，皮带未出现跑偏；

若偏移量0<λ1、λ2<h，h＝10％m，&0<θ<5°时，皮带出现轻度跑偏，声光报警器启动；m为皮带宽度；

若偏移量λ1、λ2>h&θ>5°时，皮带出现重度跑偏，急停装置启动。

步骤5的具体转换方法：l、l’为激光扫描仪激光发射中心点与皮带侧面厚度上点之间的距离、α激光扫描仪激光发射中心与皮带侧面厚度上的点之间的连线与水平线的夹角，p、p’为激光扫描皮带边缘点；p点横坐标根据图像可得为0,纵坐标为0，p’点横坐标根据图像计算可得为l’sinα-l，纵坐标为0；

综上所述p(0,0)，p’(l’sinα-l，0)；以此类推，上端激光扫描皮带边缘点坐标为ps(0,h)，p’s(l’sinα-l,h),h为传送带皮带长度值。

本发明弥补本领域尚无精度高的非接触式带式输送机实时跑偏检测系统的现状。本发明测量简便、结构简单、成本低、抗干扰能力强、检测精度高、实时性强，不受粉层、天气、光线等外界环境对物料分布测定的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的系统结构示意图。

其中有带式输送机(槽式或平直式，含驱动电机、托辊等基本配置)，激光扫描仪a，激光扫描仪b,直流稳压电源c，直流稳压电源d，串口处理器e，串口处理器f，以太网g，服务器h，上位机i，显示屏j，声光报警器k，急停装置l，储存芯片m，皮带与扫描仪同步启动开关n。激光扫描仪a与激光扫描仪b分别位与传送带下上端托辊旁皮带支架上，与输送带在同一个平面内，使激光扫描仪垂直于皮带边缘截面扫描扇面区域，并且应该保证扫描测距范围应该大于输送带厚度，用于获得皮带边缘与皮带滚筒边缘支架的横向距离。激光扫描数据可由串口处理器e、f发送至以太网实现远程传输。上位机i根据激光扫描仪a、b测量数据，实时计算皮带边缘两端二维坐标点，并转化为皮带边缘实时二维函数图像，实现在线皮带跑偏过程中偏移角与偏移量的实时计算。声光报警器k与急停装置l通过上位机i数据处理后做出相应判断处理，控制声光报警器k与急停装置l的运行。储存芯片m将上位机i处理得出的具体数据实时储存，保证即用即取。皮带与扫描仪同步启动开关n控制皮带与激光扫描仪同步开启工作运行状态，保证扫描的实时性，并节约能耗。

图2是本发明的一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法中，基于激光横向扫描皮带边缘测距的输送带跑偏检测系统结构图。

其中包含激光扫描测距模块(激光扫描仪、串口处理器)、通讯模块(输入端口、输出端口)、数据处理模块(上位机)、监管控制模块(声光报警器、急停装置)、人机交互模块(操作键盘、显示器)和数据储存模块(储存芯片)。激光扫描仪采用二维激光扫描仪，实现激光数据采集。通讯模块包含有输入端口与输出端口，皮带速度数据以及激光扫描测距数据通过输入端口输入，输出端口把数据输送到其他设备中，可使用网络端口或现场总线端口，除有线端口外，还可采用无线通信方式。声光报警器具有喇叭和报警灯，实现声光报警功能。

图3是本发明的基于激光横向扫描皮带边缘测距的输送带跑偏检测系统中，基于激光横向扫描皮带边缘测距的输送带跑偏检测系统流程图。

图4是本发明的一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法中，皮带产生上下浮动时边缘距与坐标转化算法原理图。

图5是本发明的一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法中，激光扫描仪a、b放置位置与皮带边缘关系状态图。

激光扫描仪a、b安装在输送带回程段头尾滚筒支架边缘，激光扫描模块应与输送带在同一个平面内，并应与并且应该保证扫描测距范围应该大于输送带厚度，用于获得皮带边缘与皮带滚筒边缘支架的横向距离及激光扫描仪激光发射中心与皮带侧面厚度上的点之间的连线与水平线的夹角。

图6是本发明的一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法中，最终拟合得到的函数图像示意图。

具体实施方式

以单托辊式或槽式带式输送机为例，如图1所示。其中有带式输送机(槽式或平直式，含驱动电机、托辊等基本配置)，激光扫描仪a，激光扫描仪b,直流稳压电源c，直流稳压电源d，串口处理器e，串口处理器f，以太网g，服务器h，上位机i，显示屏j，声光报警器k，急停装置l，储存芯片m，皮带与扫描仪同步启动开关n。激光扫描仪a与激光扫描仪b分别位与传送带下上端托辊旁皮带支架上，与输送带在同一个平面内，使激光扫描仪垂直于皮带边缘截面扫描扇面区域，并且应该保证扫描测距范围应该大于输送带厚度，用于获得皮带边缘与皮带滚筒边缘支架的横向距离。激光扫描数据可由串口处理器e、f发送至以太网实现远程传输。上位机i根据激光扫描仪a、b测量数据，实时计算皮带边缘两端二维坐标点，并转化为皮带边缘实时二维函数图像，实现在线皮带跑偏过程中偏移角与偏移量的实时计算。声光报警器k与急停装置l通过上位机i数据处理后做出相应判断处理，控制声光报警器k与急停装置l的运行。储存芯片m将上位机i处理得出的具体数据实时储存，保证即用即取。皮带与扫描仪同步启动开关n控制皮带与激光扫描仪同步开启工作运行状态，保证扫描的实时性，并节约能耗。

图2是本发明的一种皮带边缘检测的皮带跑偏报警急停的方法中，基于激光横向扫描皮带边缘测距的输送带跑偏检测系统结构图。其中包含激光扫描测距模块(激光扫描仪、串口处理器)、通讯模块(输入端口、输出端口)、数据处理模块(上位机)、监管控制模块(声光报警器、急停装置)、人机交互模块(操作键盘、显示器)和数据储存模块(储存芯片)。激光扫描仪采用二维激光扫描仪，实现激光数据采集。通讯模块包含有输入端口与输出端口，皮带速度数据以及激光扫描测距数据通过输入端口输入，输出端口把数据输送到其他设备中，可使用网络端口或现场总线端口，除有线端口外，还可采用无线通信方式。声光报警器具有喇叭和报警灯，实现声光报警功能。

所述系统的工作流程如图3所示，包含以下步骤：

步骤1：初始化。令激光扫描仪a采集当前帧变量k＝1，i＝1,2,…,n，n为a在单位时间t内采集皮带边缘截面数量，由单位时间t和激光扫描仪频率fspeed确定其大小(n＝t·fspeed)；从激光扫描仪a、b开始与停止工作获取检测开始或停止时刻；

步骤2：同时启动激光扫描仪a、b工作，记录t＝0时激光扫描仪a、b扫描数据值，规定为标准值，上位机接收并记录该数据。

步骤3：激光扫描仪a、b继续扫描得到皮带边缘截面实时数据，上位机接收并记录单位时间t内皮带边缘截面实时信息数据。

步骤4：融合标准参数值与实时皮带边缘截面数据信息，得到皮带上下端边缘截面二维激光点云数据。

步骤5：将皮带上下端边缘截面二维激光点云数据进行二维直角坐标转换，得到皮带上、下端边缘截面二维坐标数据。

具体转换方法如图4所示。l、l’为激光扫描仪激光发射中心点与皮带侧面厚度上点之间的距离、α激光扫描仪激光发射中心与皮带侧面厚度上的点之间的连线与水平线的夹角，p、p’为激光扫描皮带边缘点。p点横坐标根据图像可得为0,纵坐标为0，p’点横坐标根据图像计算可得为l’sinα-l，纵坐标为0。

综上所述p(0,0)，p’(l’sinα-l，0)。以此类推，上端激光扫描皮带边缘点坐标为ps(0,h)，p’s(l’sinα-l,h),h为传送带皮带长度值。

步骤6：利用最小二乘法建立皮带边缘图像方程，联立皮带边缘图像标准方程y1和单位时间t内皮带边缘图像时刻方程y2。

图像边缘方程可用基于最小二乘法的回归分析得到，为了综合所有扫描点对边缘方程的影响,设回归方程为y＝b+kx(其中x为激光扫描仪a、b扫描得到了各点横坐标，y为各点纵坐标，k为拟合直线的斜率，b为拟合直线的截距),并将检测点分为激光扫描仪a与激光扫描仪b在单位时间t内扫描各帧数得到坐标点分为2组：x1,x2,…,xm，y1,y2,…,ym(前t/2时间内激光扫描仪a、b扫描得到的横、纵坐标)和xm+1,xm+2,…,xn,ym+1,ym+2,…,yn(后t/2时间内激光扫描仪a、b扫描得到的横、纵坐标)分别建立观测方程：

2组方程分别相加可得：

当n＝2m时,可求得回归系数

步骤7：根据联立方程y1、y2，计算皮带偏移角θ和偏移量λ。

由上述步骤已得到k、b值，将激光扫描仪a与激光扫描仪b在单位时间t内扫描的所有帧数坐标点分为两组，即为激光扫描仪a扫描所得坐标点x1,x2,…,xm，激光扫描仪b扫描所得坐标点xm+1,xm+2,…,xn。将坐标值中最大值与最小值舍去，剩下的坐标点取平均值，即为

偏移量可知：下端皮带偏移量

上端皮带偏移量

偏移角：θ＝|acrtank|

步骤8：将所得数据进行对比分析，判断传送带是否出现跑偏，若出现跑偏，判断出现何种程度跑偏，报警与急停装置启动。

若偏移量λ1、λ2＝0&θ＝0时，皮带未出现跑偏。

若偏移量0<λ1、λ2<h(h＝10％m，m为皮带宽度)&0<θ<5°时，皮带出现轻度跑偏，声光报警器启动。

若偏移量λ1、λ2>h&θ>5°时，皮带出现重度跑偏，急停装置启动。