专利名称：一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型为一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置，属于机器视觉、立 体测量和自动化领域，用于快速正确获得煤仓料位的位置信息。
背景技术：
煤仓料位的检测是煤矿安全生产的重要措施，随着煤源源不断地送入煤仓，煤面 离煤仓顶部的距离越来越小，如不及时停止加煤，就有可能溢出，造成煤堆积，从而引发胶 带输送机头积煤埋压和胶带机重载启动现象，进而引发一系列重大事故；如果煤下降到规 定的最低料位后，如果不及时停止卸煤，一方面其下口结构受冲击而破坏，另一方面可以保 证下部工作人员的安全。同时，还可防止由于贮仓上下口风流负压而造成的漏风和煤尘粉 尘的飞扬，造成粉尘浓度急剧增加，可能造成爆炸，酿成煤矿事故。煤仓煤位的检测非常重 要，通过实时检测煤仓的煤位，掌握煤仓储煤量情况，便于控制各部胶带机的送煤量，杜绝 了煤仓堆煤事故的发生，消除隐患，实现安全运输生产。目前常用的煤仓料位检测方法有重锤式、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。最常用的有基于射频电 容技术、基于超声波技术和基于雷达技术的三种测量方法，基于射频电容技术测量方法将 一个无线电频率发送到探头上，通过连续的分析电容量的变化来实现测量；基于超声波技 术的测量方法利用超声波发送和接受的时间差来实现测量；基于雷达技术的测量方法利用 电磁波的发射波与反射波时间差来实现测量。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 的非接触式连续测量小颗粒状物质料位的高可信度方法及其装置，装置由特殊点光源、图 像采集机、机器视觉模块等组成，图像采集机采集由点光源发射出的光束在物料表面形成 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 光圆的直径或面积大小，进而获得物料值，从而实现物料测量。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，由 视频输入器、图像采集卡、微处理器和显示屏等相互连接而成，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、并对图像进行处理，将分析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。目前存在的煤仓料位测量方法有多种，这些方法和设备有着以下问题。1)接触性测量方法由于探头接触物料，易粘住物料和损坏，而且大部分方法测量 距离也比较小，重锤式料位传感器多是机械式的，包括显示部分整个结构很复杂，工作可靠 性差，易出故障。2)非接触式的测量方法，一旦测量头污染，测量精度大幅度下降，且该类方法一般 要求煤面形状规则，内表面光滑，且测量盲区较大，测量精度不稳定，另外波传播时，仓内湿
3度也影响测量精度，且很多方法对煤仓的直径与深度比有一定的要求。3)基于单个相机的测距方法，由于成像存在太多盲点和图像的多解析性，如图7 真实世界的5中不同的物体其2D图像是一样的，测量误差大；4)精度低，当空间三维场景物体投影到二维图像时，同一景物在不同视点下图像 相差很大，且由于煤仓中条件恶劣，煤的几何形状和物理特性，噪声干扰等，都被综合在单 一的图像灰度里。从包含如此之多不利因素的图像中很难求得高精度的、深度信息，很可 能造成很大误差。5)主动性差；由于煤仓的高深度，无光、煤的颗粒程度差别很大，无明显一致的特 征，主动性差。6)不易部署，在井下煤仓的有限位置部署，基于PC的视觉系统，比较困难，且很难 实现煤矿安全生产的特性。为了提高煤仓料位测量的主动性，高精度，实时获得煤仓中煤的深度信息，且易于 部署，本实用新型提供了 一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置。
发明内容本实用新型的目的在于提出一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置，为了 提高煤仓料位测量的主动性，高精度，实时获得煤仓中煤的深度信息，且易于部署。它受人 双眼观测距离的启示，利用成本较低的激光发射器和两个相机，以相对较高的精度测量煤 仓料位的深度。本实用新型的前述目的将由以下提出的一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测 量装置来实现，所述装置包括立体成像部分、立体视觉处理部分、照明光源部分、电机旋转 部分和隔爆部分。立体成像部分包括一个或多个激光器和成像部分，成像部分包括两个具有相同参 数的CCD相机、两个参数一致的镜头。激光器用于产生激光束，且激光束大小可变；激光器 由多个激光发射头组成，根据煤仓的深度确定接通激光发射头的数量；成像单元，由两个参 数一致的CCD相机和两个参数一致的镜头组成，用于获取所述激光束在煤面上形成的光斑 图像对；立体视觉处理部分为一嵌入式处理器，与两CXD相机相连，接受来自两CXD相机的 图像对数据，并利用所述的图像对数据计算在光斑在一对图像中视差，进而计算煤面到装 置间的实际距离；所述的嵌入式处理器还与光源，激光器和电机相连，控制光源，激光器和 电机的工作。照明光源部分由LED阵列组成，照明光源部分通过光源固定架与隔爆外壳相连。 LED阵列分为多组分别与上述的嵌入式处理器相连，它用于提供相机采集图像时的照明，且 根据煤仓的深度确定接通LED阵列中LED的数量，从而使光照在一个合适的范围。电机旋转部分与两CXD相机和激光器通过相机固定架相连，受其转动可以使两 CXD相机和激光器沿圆周运动。当用一个激光器时，两CXD相机和激光器通过相机固定架与电机旋转部分相连， 受其转动可以沿圆周运动。当用多个激光器时，两CCD相机和激光器通过相机固定架与隔 爆外壳相连；[0021]隔爆部分包括隔爆外壳和高透光视窗，通过不同的固定架与其余各部分相连，用 来实现煤矿井下的防爆要求。所述的嵌入式处理器主要包括图像读取单元，与两个CCD相机相连，用于读取两个相机的图像对数据，并存储到 指定的存储单元。图像存储单元，用来存储图像读取单元读取的图像对数据，并根据立体处理单元 的要求把图像对数据输入到处理单元。立体处理单元，用来对两个图像进行预处理、立体匹配和深度计算。控制单元，用来控制光源点亮LED阵列的数量，用来控制激光发射与关闭，用来控 制两个相机开始采集图像和停止采集，控制传感器信号的处理。本实用新型一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置有两种工作方式可选 实时检测模式和传感器检测模式。当工作在实时检测模式时可以不安装卸煤传感器和装煤传感器；当工作在传感器模式时，装置必须安装卸煤传感器和装煤传感器；本实用新型的有益效果是1)精度高，鲁棒性好。本发明利用人观察物体的双目原理，利用高效的匹配算法推 出三维景物的深度信息，精度高，由于可以操作传感器只接受某个频段范围的光，排除了很 多外在干扰，测量的鲁棒性好。2)主动性强。由于煤仓的高深度，无光、煤的颗粒程度差别很大，无明显一致的特 征，利用激光斑主动提供统一的特征，大幅度减少运算量，具有很好的主动性。3)易于部署，本发明采用嵌入式架构，采用多层电路板设计，可以做的很小，在井 下有限的空间里，很容易部署，且易于实现煤矿安全的防爆要求。4)扩展性好。本发明采用嵌入式主处理，处理器本身集成了大量的常规接口，易于 扩展，以便和不同的设备进行交互和通信。
图1是本实用新型用多个激光头时激光和双目视觉煤仓料位料位测量装置平面 示意图；图2是本实用新型用一个激光头时激光和双目视觉煤仓料位测量装置平面示意 图；图3是本实用新型激光发射模块环形布置结构示意图；图4是本实用新型一种激光和双目视觉煤仓料位测量装置的方框图。图5是本实用新型激光和双目视觉煤仓料位测量装置的装配体主视图部分剖面 图。图6是本实用新型用多个激光器时激光和双目视觉煤仓料位测量装置的主视图 剖面图；图7是本实用新型用多个激光器时激光和双目视觉煤仓料位测量装置的主视图 剖面图；[0042]具体实施方式
下面将结合附图中所列的实例对本实用新型的优选实施例进行详细，说明，其中 使用相似的附图标记来表示类似部件。图1是本实用新型用多个激光头时激光和双目视觉煤仓料位料位测量装置平面 示意图。如图1所示，本发明的煤仓料位测量装置包括多个激光器8、两个参数一致的电荷 耦合器件(CCD)相机相机6和相机7、两个参数一直镜头镜头4和镜头5、光源3、隔爆外 壳15和外壳视窗16。当装置工作在可选的传感器工作模式时，装置还包括装煤传感器14 和卸煤传感器13。上述的激光器8产生激光束，且激光束的大小根据煤仓料位的深度进行 调整。所述的多个激光器818每次接通一个，依次接通直至在煤面上形成合适的光斑；所 述的CXD相机6和CXD相机7通过同时拍摄激光束在煤面上形成的同一光斑而得到两幅图 像，两幅图像组成图像对。所述的光源3是由LED阵列组成，根据煤仓的深度点亮LED阵列 中LED的数量，为获取好的图像提供合适的照明。所述的隔爆外壳15是为了满足煤矿井下 防爆要求而设计，其中的镶嵌的视窗16是高透光的。图2是本实用新型用一个激光头时激光和双目视觉煤仓料位测量装置平面示意 图。如图2所示，本发明的煤仓料位测量装置包括激光器8、两个参数一致的电荷耦合器件 (CCD)相机相机6和相机7、两个参数一直镜头镜头4和镜头5、光源3、电机旋转机构86、 隔爆外壳15和外壳视窗16。当装置工作在可选的传感器工作模式时，装置还包括装煤传感 器14和卸煤传感器13。上述的激光器8产生激光束，且激光束的大小根据煤仓料位的深度 进行调整。所述的C⑶相机6和C⑶相机7通过同时拍摄激光束在煤面上形成的同一光斑 而得到两幅图像，两幅图像组成图像对。所述的光源3是由LED阵列组成，根据煤仓的深度 点亮LED阵列中LED的数量，为获取好的图像提供合适的照明。所述的电机旋转机构86带 动激光器8旋转，直至在煤面上形成合适的光斑点；所述的隔爆外壳15是为了满足煤矿井 下防爆要求而设计，其中的镶嵌的视窗16是高透光的。图3是本实用新型激光头环形布置结构示意图；如图3所示，本发明的激光器8包 括激光发射模块外壳26、固定架27和激光发射器28。上述的激光发射模块外壳26用来固 定整个激光器8。所述的固定架27用来固定激光发射器28。激光器8是由多个激光发射 器28组成，根据煤仓的深度确定接通激光发射器28的数量，以确保光斑大小提供合适的信 肩、ο图4是本实用新型一种激光和双目视觉煤仓料位测量装置的方框图。如图4所示， 控制单元25控制上述的激光器8发射激光束，并根据煤仓料位的深度确定接通上述的激光 发射器28数量，进而改变激光束的大小；通过控制接通光源3中的LED阵列中LED的数量 实现光源亮度的控制；并且作为可选的传感器工作模式时，与卸煤传感器13和装煤传感器 14进行通讯。图像读取单元21控制所述的CXD相机6和CXD相机7获取由激光束在煤面 上形成的光斑点的图像，从而得到一对图像对数据。所述的C⑶相机6、C⑶相机7和图像 读取单元21将获得的图像对数据被存储在存储单元23中，并被用于立体处理单元24进行 图像预处理、立体匹配和计算煤仓料位深度。图5是本实用新型激光和双目视觉煤仓料位测量装置的装配体主视图部分剖面 图。如图5所示，相机基板88和光源基板93与隔爆外壳15螺钉连接；光源3与光源基板 93螺钉连接；激光器8与相机固定架92过盈配合；相机6和相机7与相机固定架92螺钉连接；镜头4和相机6螺纹连接；镜头5和相机7螺纹连接；电机86和电机固定板87与 相机基板88螺钉连接；轴承套90和相机基板88螺钉连接；轴承套80和轴承91过盈配合； 相机固定架92和转轴89螺钉连接；电机86的轴与转轴89键连接；图6是本实用新型用多个激光器时激光和双目视觉煤仓料位测量装置的主视图 剖面图；如图6所示，相机台127和光源台130与隔爆外壳15焊接；光源固定架129与光源 台130螺钉连接；光源3和光源固定架螺钉连接；相机固定架128和相机台127螺钉连接； 相机6和相机7与相机固定架128螺钉连接；镜头4和相机6螺纹连接；镜头5和相机7螺 纹连接；多个激光器818外壳和相机固定架128螺钉连接。图7是本实用新型多个激光器时激光和双目视觉煤仓料位测量装置的主视图剖 面图；如图7所示，多个激光器818由多个激光器8沿圆周均勻或非均勻布置，每次接通一 个激光器，依次接通直至在煤面上形成合适的光斑点；光源3行多个LEDll组成；镜头4和 相机6螺纹连接；镜头5和相机7螺纹连接。如上所述，本实用新型提供一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置。其原 理是激光发射模块作为主动光源，在煤面上形成光斑，通过双目视觉求取光斑在两幅相机 图像的视差来实现煤仓料位的测量。于是，本实用新型利用结构简单且结构低廉的激光发 射器和CCD相机，使该煤仓料位测量装置在使用起来既方便又经济。另外，本实用新型的优 点在于，由于利用激光作为主动光源，在煤面上形成激光光斑，有效解决了煤仓料位特征的 复杂性，使得整个系统的鲁棒性好，由于激光作为主动光源在煤面上形成光斑点，对视觉系 统的照明要求大幅度降低，从而解决了深煤仓照明最大难题。尽管已描述了本实用新型的一些实施例，但对于熟悉本领域的人而言是清楚的， 对这些实施例做多种改型而不致使脱离本实用新型的原理和精髓；所附个权利要求及其 等效用语限定本实用新型请求保护范围。
权利要求一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置，包括立体成像部分、立体视觉处理部分、照明光源部分、电机旋转部分和隔爆部分；立体成像部分包括两个具有相同参数的CCD相机、两个参数一致的镜头和一个或多个激光器；当用一个激光器时，两CCD相机和激光器通过相机固定架与电机旋转部分相连，受其转动引导可以沿圆周运动；当用多个激光器时，两CCD相机和激光器通过相机固定架与隔爆外壳相连；立体视觉处理部分为一嵌入式处理器，与两CCD相机和激光器相连，嵌入式处理器与照明光源部分和电机旋转部分相连；照明光源部分通过光源固定架与隔爆外壳相连。
2.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的两个CCD相机分别 和所述的两镜头同心，两镜头中心相对距离，称为基线，长度为120mm，通过精密加工和微小 调整保证镜头轴心线平行。
3.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的激光器由多个激光 发射头组成，多个激光发射头按圆形紧凑布置，且激光器是本质安全型的模块。
4.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的处理器单元是一个 嵌入式处理器，与CXD相机相连，接受来组两个CXD相机的数据并进行并行处理。所述的嵌 入式处理还与光源，激光器和电机相连，控制光源，激光器和电机的工作。
5.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的电机旋转机构通过 相机固定架和激光器固定架分别与相机和激光器相连，电机旋转机构通过旋转带动两相机 和激光器旋转，并且两相机和激光的相对位置不变。
6.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的多个激光器沿圆周 均勻或非均勻布置，多个激光器分别与嵌入式处理器相连。
7.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的具有视窗的隔爆外 壳是隔爆的，且视窗是高透光的。
8.根据权利要求1所述的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的光源，由多个红外 LED沿圆周均勻或非均勻布置，多个LED分为多组分别与上述的嵌入式处理器相连。
专利摘要本实用新型是一种基于激光和双目视觉的煤仓料位测量装置，属于机器视觉领域。它包括立体成像部分、立体视觉处理部分、照明光源部分、电机旋转部分和隔爆部分。立体成像部分包括两个具有相同参数的CCD相机、两个参数一致的镜头和一个或多个激光器，当用一个激光器时，两CCD相机和激光器通过相机固定架与电机旋转部分相连，受其转动可以沿圆周运动。当用多个激光器时，两CCD相机和激光器通过相机固定架与隔爆外壳相连；立体视觉处理部分为一嵌入式处理器，与两CCD相机和激光器相连，嵌入式处理器与照明光源部分和电机旋转部分相连。照明光源部分通过光源固定架与隔爆外壳相连。本实用新型结合主被动视觉的优点进行立体测量，且有效地避免了光斑丢失。
文档编号G01F23/00GK201653485SQ200920299960
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者刘松, 孙继平 申请人:中国矿业大学(北京)