基于可见光图像识别技术的加热炉自动上料系统的制作方法

本发明涉及冶金行业棒线材加热炉上料装置和系统，具体涉及一种基于可见光图像识别技术的加热炉自动上料系统，用于棒线材加热炉上料台架到输送辊道间。

背景技术：

轧钢加热炉在钢铁企业中占有重要的地位，它的任务是加热钢坯，使钢坯温度及其温度分布满足轧制要求。加热炉上料装置是将钢坯运送到加热炉的装置，主要由上料台架、挡钢钩、拨钢叉和输送辊道组成，上料时先由吊车将多根方坯成排的摆放到上料台架上，然后上料台架的步进驱动装置和挡钢钩根据加热炉的生产节奏配合动作将钢坯一根一根的运送到拨钢叉上，拨钢叉将钢坯放置在输送辊道上方，然后输送辊道运转将方坯送至加热炉炉内。目前主要通过在在辊道两侧加装金属检测元件来实现钢坯从辊道到炉内的自动上料，但现阶段钢坯从加热炉上料台架到输送辊道的运输过程需要通过人眼观察钢坯的位置、拨钢叉的状态(拨钢叉上有无钢坯等信息)后手动操作上料台架驱动装置将钢坯一根根运送至拨钢叉，拨钢叉再将钢坯运送到输送辊道上。整个操作过程机械枯燥，人工长期操作容易疲劳引起操作失误从而导致故障。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有加热炉上料存在的上述不足，提供一种基于可见光图像识别技术的加热炉自动上料系统，实现加热炉上料的全流程自动化和无人化，尤其在上料台架到输送辊道的钢坯运输流程上使用自动化装置和技术替代传统的人工操作以提高生产效率，降低人工成本。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于可见光图像识别技术的加热炉自动上料系统，包括上料台架、挡钢钩、拨钢叉和输送辊道，挡钢钩设置于上料台架一侧，输送辊道用于将钢坯由上料台架输送到拨钢叉，还包括两台可见光摄像机、两套led光源、自动控制单元和上料台架电控系统，所述两台可见光摄像机平行于钢坯断面设置并安装在上料台架出口两侧，用于拍摄钢坯由上料台架到拨钢叉的输送过程中钢坯断面的可见光图像；所述两套led光源分别靠近一台可见光摄像机设置并对准钢坯断面照射，用于在暗光条件下辅助可见光摄像机的照明；所述自动控制单元与可见光摄像机及上料台架电控系统连接，所述上料台架电控系统与上料台架、挡钢钩、拨钢叉连接；

所述自动控制单元包含图像处理模块、决策模块和通讯模块，所述图像处理模块用于采集可见光摄像机拍摄到的可见光图像，并逐帧的对可见光图像的画面进行分析；所述决策模块根据图像处理模块的分析结果生成上料台架、挡钢钩和拨钢叉的动作指令；所述通讯模块将决策模块产生的动作指令发送至上料台架电控系统，上料台架电控系统用于根据动作指令控制上料台架、挡钢钩和拨钢叉动作(完成现场电气和机械设备的相应动作)。

按上述方案，所述图像处理模块包括：

候选模块，用于在可见光图像上使用亮度分割和颜色分割技术进行预分割，从画面中分割出满足预设的钢坯灰度和颜色特征的候选区域rp；

分割模块，用于对候选区域rp使用形状匹配技术进行形状匹配和过滤，从画面中分割出满足预设的钢坯形状特征的钢坯区域rs；

距离信号计算模块，用于根据钢坯区域rs的分析结果计算出成排钢坯中距离上料台架出口最近的钢坯横截面边缘的位置并根据预设的挡钢钩位置计算出两台可见光摄像机拍摄的图像中钢坯横截面边缘到挡钢钩的距离信号p1；

钢坯信号生成模块，用于结合两个钢坯横截面边缘到挡钢钩的距离信号p1，生成钢坯两端对齐信号s1、钢坯到达出口信号s2，并根据钢坯区域分析结果扫描预设的拨钢叉区域得到拨钢叉上有钢坯信号s3。

按上述方案，当两个钢坯横截面边缘到挡钢钩的距离信号p1都小于预设值且两者之差小于预设值时生成钢坯两端对齐信号s1；当两个钢坯横截面边缘到挡钢钩的距离信号p1都大于预设值时生成钢坯到达出口信号s2，预设值是指钢坯两端对齐的偏差值。

按上述方案，所述决策模块包括：

第一s3信号判断模块，用于判断是否收到拨钢叉上有钢坯信号s3，如果是，产生拨钢叉拨钢指令c5，向输送辊道拨钢后再返回循环判断拨钢叉上是否有钢坯；如果否，产生台架驱动装置前进指令c1，台架驱动装置驱动钢坯向前移动；

s1信号判断模块，用于在台架驱动装置驱动钢坯向前移动时，判断是否收到钢坯两端对齐信号s1，如果是，产生挡钢钩降下指令c2；如果否，返回台架驱动装置前进指令c1，台架驱动装置继续驱动钢坯向前移动；

s2信号判断模块，用于在产生挡钢钩降下指令c2后，判断是否收到钢坯到达出口信号s2，如果是，产生台架驱动装置停止指令c3，驱动装置停止，钢坯依靠惯性和自重滑落到拨钢叉上，继续判断是否收到拨钢叉上有钢坯信号s3；如果否，返回挡钢钩降下指令c2；

第二s3信号判断模块，用于在产生台架驱动装置停止指令c3后，判断是否收到拨钢叉上有钢坯信号s3，如果是，说明钢坯已经滑落到了拨钢叉上，产生挡钢钩抬起指令c4，延时产生拨钢叉拨钢指令c5，并返回通过s1信号判断模块判断是否收到钢坯两端对齐信号s1；如果否，返回产生台架驱动装置停止指令c3。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用机器视觉技术替代人眼观察并配合预设的设备动作决策方案实现加热炉上料的全流程自动化和无人化，尤其在上料台架到输送辊道的钢坯运输流程上使用自动化装置和技术替代传统的人工操作以提高生产效率，降低人工成本。

附图说明

图1是本发明基于可见光图像识别技术的加热炉自动上料系统的布置图；

图1中，1-可见光摄像机，2-自动控制单元，3-上料台架电控系统，4-led光源，5-上料台架，6-挡钢钩，7-拔钢叉，8-输送辊道，9-钢坯；

图2是本发明系统简图及工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明基于可见光图像识别技术的加热炉自动上料系统，包括上料台架5、挡钢钩6、拨钢叉7和输送辊道8，挡钢钩6设置于上料台架5一侧，输送辊道8用于将钢坯9由上料台架5输送到拨钢叉7，还包括两台可见光摄像机1、两套led光源4、自动控制单元2和上料台架电控系统3，两台可见光摄像机1平行于钢坯断面设置并安装在上料台架5出口两侧，用于拍摄钢坯9由上料台架5到拨钢叉7的输送过程中钢坯断面的可见光图像；两套led光源4分别靠近一台可见光摄像机1设置并对准钢坯9断面照射，用于在暗光条件下辅助可见光摄像机1的照明；自动控制单元2与可见光摄像机1及上料台架电控系统3连接，上料台架电控系统3与上料台架5、挡钢钩6、拨钢叉7连接。

自动控制单元2包含图像处理模块、决策模块和通讯模块，图像处理模块用于采集可见光摄像机1拍摄到的可见光图像，并逐帧的对可见光图像的画面进行分析；决策模块根据图像处理模块的分析结果生成上料台架5、挡钢钩6和拨钢叉7的动作指令；通讯模块将决策模块产生的动作指令发送至上料台架电控系统3，上料台架电控系统3根据动作指令控制上料台架5和拨钢叉7动作，完成现场电气和机械设备的相应动作。

在上料台架5出口两侧附近安装两台可见光摄像机1、两套led光源4并就近设置一套自动控制单元2，两台可见光摄像机1能拍摄到钢坯9由上料台架5到拨钢叉7的输送过程，视野范围包括上料台架5的出口端和拨钢叉7，为保证控制精度空间分辨率须满足<1.5mm/pixel，实际应用时根据视野大小和安装距离(一般约2-3m)来选择合适镜头焦距和相机分辨率。两套led光源4对准钢坯9断面照射，以便在暗光条件保证可见光摄像机1仍能够拍摄到清晰的画面。

自动控制单元2为一台高性能计算机及一套自动控制软件。图像处理模块是自动控制单元2的核心，图像处理模块实时采集可见光摄像机1拍摄到的可见光图像，然后对可见光图像进行分析，其主要任务是从画面中将钢坯9与其它背景物体分割出来再为决策模块的决策提供可靠的信息保障。分析开始前应由操作人员设定roi区域，roi区域为钢坯可能出现最大区域，分析过程只会在图像的roi区域进行，这样一方面提高了识别的准确度，一方面提高了识别的速度。

如图2所示，图像处理模块的分析主要包括以下步骤：

1、根据画面的亮度自适应地设定亮度阈值实现对钢坯的第一次预分割；

2、根据钢坯的颜色阈值实现对钢坯的第二次预分割，经过实测观察钢坯断面的颜色呈浅蓝色，且颜色不随光照的变化而剧烈变化，所以可以通过颜色来区分钢坯和背景；

3、综合亮度分割和颜色分割得到更进一步的候选区域rp；

4、由于颜色和亮度阈值都设置的比较宽泛所以候选区域rp中除了钢坯以外还包含了其它背景物体，所以需要进一步使用形态率滤波和形状匹配来去除掉其它的背景，保证分割结果中只包含钢坯，于是得到钢坯区域rs；

5、每次输送钢坯时只是将离上料台架出口最近的一根钢坯运送到辊道，所以只关心离上料台架出口距离最近的那根钢坯，通过分析钢坯区域rs中每个区域的位置就查找到距离上料台架出口最近的钢坯；

6、在距上料台架出口最近的钢坯g的图像上使用边缘查找技术能准确的计算出钢坯断面e边缘的水平位置坐标，跟预设的挡钢钩水平坐标进行比较，就能计算出钢坯到挡钢钩的距离p1；

7、由于上料台架驱动装置长时间运转后的磨损会导致钢坯两端的运动速度会不相同，即一端已经运动至挡钢钩而另一端却还未到达，如果此时放下挡钢钩，则可能钢坯一端滚落至拨钢叉而另一端翘起在半空中无法继续移动，引起上料中断，所以需要保证钢坯两端对齐后再放下挡钢钩，因此根据两台可见光摄像机拍摄的钢坯左右两个端头(端头表示钢坯两端的横截面边缘)的钢坯横截面边缘到挡钢钩的距离信号p1生成钢坯两端对齐信号s1，即两个端头的p1都小于预设值(预设值是指钢坯两端对齐的偏差值)且两者之差小于预设值时生成钢坯两端对齐信号s1。另外当钢坯已经到达出口时，钢坯会依靠惯性滑落到拨钢叉上，此时需要立即停止上料台架驱动装置并及时升起挡钢钩以防紧随其后的钢坯跟随一起滑到到拨钢叉上，因此还需要根据p1信号生成钢坯到达出口信号s2，即两个端口的p1都大于预设值时生成钢坯到达出口信号s2；

8、当钢坯滑落到拨钢叉之后应升起挡钢钩，如过早的升起挡钢钩可能导致挡钢钩碰撞到下落中的钢坯，因此当钢坯完全滑落到拨钢叉上时生成拨钢叉上有钢坯信号s3。

决策模块根据图像处理模块的分析结果生成上料台架和拨钢叉的各个部件的动作指令，决策模块具体步骤(逻辑流程)如图2所示：

步骤1、判断是否收到拨钢叉上有钢坯信号s3，如果未收到，即拨钢叉上没有钢坯，则需要台架向拨钢叉运送钢坯，因此产生台架驱动装置前进指令c1，进入步骤2；否则拨钢叉上有钢坯，产生拨钢叉拨钢指令c5，拨钢叉向输送辊道拨钢后流程再转回判断是否收到拨钢叉上有钢坯信号s3；

步骤2、台架驱动装置驱动钢坯向前移动，根据上述分析只有钢坯两端对齐后才允许通过挡钢钩并继续向出口移动，所以判断是否收到钢坯两端对齐信号s1，如果收到钢坯两端对齐信号s1则产生挡钢钩降下指令c2，进入步骤3；否则流程返回台架驱动装置前进指令c1(保持在步骤2)；

步骤3、台架驱动装置继续驱动钢坯，钢坯通过挡钢钩的位置后继续向前移动，判断是否收到钢坯到达出口信号s2(当钢坯到达上料台架出口)，当收到钢坯到达出口信号s2时，产生台架驱动装置停止指令c3，停止上料台驱动装置，保证紧随其后的钢坯不一起落下，钢坯依靠惯性和自重滑落到拨钢叉上，进入步骤4；否则流程返回挡钢钩降下指令c2(保持在步骤3)；

步骤4、进一步判断是否收到拨钢叉上有钢坯信号s3，当收到拨钢叉上有钢坯信号s3后，即说明钢坯已经滑落到了拨钢叉上，产生挡钢钩抬起指令c4，以防紧随其后的钢坯滑落到到拨钢叉上，然后延时产生拨钢叉拨钢指令c5，拨钢叉向输送辊道输送钢坯，并转回步骤2；否则返回产生台架驱动装置停止指令c3。

自动控制单元2的通讯模块将决策模块产生的动作指令发送至上料台架电控系统3，一般的上料台架电控系统3为plc系统及配套的电气装置，通讯模块和plc系统之间可以采用以太网通讯方式和opc通讯协议，上料台架电控系统3根据动作指令完成现场电气和机械设备的相应动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。