专利名称：一种基于激光和单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单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深度信息。
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，另一方面可能造 成下部工作人员伤亡事故。同时，还可能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。因此，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)基于光圆图像的测距方法，由于成像存在太多盲点和图像的多解析性，特别煤 的成分，颗粒度等差别，可能在缺失光斑或缺少光斑的大部分信息，因而测量误差大，鲁棒 性低；4)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。5)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，且成本 低廉。本实用新型提供了一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置和方法。
发明内容本实用新型的目的是提出一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置，它利用 激光器对提供主动光源，解决了高深煤仓煤质特征复杂的问题，用单个相机检测光斑点的 间距，进而实现煤仓料位测量的目的，用较低的成本实现了较高的测量精度和高实时性。本实用新型所述的目的由以下提出的基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置 得以实现。所述的装置包括成像部分、处理部分、照明光源部分和隔爆部分。成像部分包括 CXD相机和一组或多组激光器对。所述的激光器对根据煤仓的深度产生两束成一定夹角的 激光束。所述的CCD相机用于获取激光束在煤仓中煤面上形成的两点光斑图像。当用一 组激光器对时，装置还包括旋转电机和直线电机。相机、直线电机和激光器对与旋转电机相 连，受其转导可以做圆周旋转。激光器对与直线电机相连，受其引导可以做圆弧运动，以保 证在煤面上形成两个大小相差不大的光斑。当用多组激光对时，相机和多组激光器，照明光 源部分通过固定架与隔爆部分相连，每次接通一组激光器对，依次接通直至在煤面上形成 两个大小相差不大的光斑。照明光源部分由红外LED阵列组成。隔爆部分包括隔外壳和高 透光视窗。本实用新型利用激光对产生两个成一定夹角的激光束，在煤面上产生两个光斑， 用CXD相机采集光斑图像，处理器计算两个光斑的距离并结合一组激光对的夹角实现煤仓 料位测量的目的。本实用新型的优点在于结构简单，成本低廉，精度高，鲁棒性好，且解决 了光斑丢失问题。
以下结合附图对优选实施例进行详细描述，从这些描述中实用新型的上述目的和 优点将变得更加清楚。其中
图1是本实用新型多组激光器对一种实施例料位测量装置的平面图；图2是本实用新型用一组激光器对时一种实施例料位测量装置的平面图；图3是本实用新型激光对中每个激光器的蜂窝布置结构示意图；图4是本实用新型激光和单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单目视觉煤仓料位测量原理示意图图6、图7和图8表示本实用新型煤仓料位测量时所得图像的示意图；[0023]图9是本实用新型用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图；图10是本实用新型用一组激光器对时料位测量装置装配体右视图；图11是本实用新型用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图半剖面图；图12是本实用新型用一组激光器对时料位测量装置装配体主视图局部剖面图；图13是本实用新型用多组激光器对时料位测量装置主视图剖面图；图14是本实用新型用多组激光器对时料位测量装置仰视图剖面图；具体实施方法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是本实用新型多组激光器对一种实施例料位测量装置的平面图；如图1所示， 本实用新型煤仓料位测量装置包括多组激光器对100，一个电荷耦合器件(CCD)相机6、光 源5、防爆外壳8和外壳视窗10;所述的多组激光器对的每个激光器成圆周均勻或非均勻布 置，多组激光对100的每一组激光器对中的两个激光器(比如激光器3和激光器4)对称 布置，并产生固定夹角的激光束。所述的CXD相机6通过拍摄两束激光在煤面上形成的两 个光斑的像而得到一副图像。所述的多组激光器对每次接通一组激光器对，依次接通，直到 所述的CXD相机获得两个光斑的像。所述的光源5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。所述的防爆外壳7是为了满 足煤矿井下防爆要求而设计，其中的镶嵌的视窗10是高透光的。图2是本实用新型用一组激光器对时一种实施例料位测量装置的平面图。如图2 所示，本实用新型的煤仓料位测量装置包括一组激光器对激光器3和激光器4、一个电荷 耦合器件(CXD)相机6、光源5、电机7、直线电机11、防爆外壳8和外壳视窗10。上述的激 光器3和激光器4对称布置，并产生固定夹角的激光束。所述的CCD相机6通过拍摄两束激 光在煤面上形成的两个光斑的像而得到一副图像。所述的光源5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7， 通过旋转来改变激光束的方向，确保在煤面上形成两个形状和大小类似的光斑。旋转时带 动激光器固定架61、激光器固定架62、CCD相机，直线电机单元同时旋转，且一组激光器对， CCD相机，直线电机单元相对位置不变。所述的直线电机11，做直线运动，带动支撑杆63和 支撑杆64开合，支撑杆63带动激光器固定杆61，支撑杆64带动激光器固定杆62，实现两 激光束夹角的变化。所述的防爆外壳7是为了满足煤矿井下防爆要求而设计，其中的镶嵌 的视窗10是高透光的。图3是本实用新型激光器对中每个激光器的蜂窝布置结构示意图；如图3所示，本 实用新型的激光器3和激光器4是相同的，每个激光器包括激光器外壳32、蜂窝固定架31 和激光头30。上述的激光器外壳32用来固定在旋转支架上。所述的蜂窝固定架31用来固 定激光头30。激光器3和激光器4都是由多个激光头30组成，根据煤仓的深度确定接通激 光头30的数量，以确保光斑大小提供合适的信息。图4是本实用新型一种激光和单目视觉煤仓料位测量装置的方框图。如图4所 示，所述的处理单元进一步包括控制单元41、存储单元45、采集单元44、图像处理和深度计 算单元42和外部通讯单元43。控制单元41控制上述的激光器3和激光器4发射激光束， 通过控制接通光源5中的LED阵列中LED的数量实现光源亮度的控制，且控制电机7旋转，从而实现激光光束的方向的改变。采集单元44控制所述的CCD相机6获取由激光束在煤 面上形成的两个光斑点的图像。所述的CCD相机6和采集单元44获得的图像数据被存储 在存储单元45中，并被用于图像处理和深度计算单元42计算光斑的数量大小和煤仓料位 深度。外部通讯单元43负责与煤仓的装煤设备和卸煤设备进行通讯。 图5是本实用新型激光和单目视觉煤仓料位测量原理示意图。如图5所示，所述的 测量装置301产生两束激光束所成夹角为，两束激光束煤面302上形成两个光斑光斑303 和光斑304，由CXD相机所获取图像中的两点光斑图像，通过处理器单元的计算得到两光斑 的中心O1和02，O1表示光斑304的中心，O2表示光斑303的中心，0表示两光束的夹角，0， O1A2三点组成一个等腰三角形，根据O1,02之间的距离B和两光束的夹角θ可以求得煤仓 料位的深度d，其计算公式如下图6、图7和图8表示本实用新型煤仓料位测量时所得图像的示意。图6中，利用CXD相机6得到在一束激光束完全投射到煤块之间的缝隙中的情况 下的图像，根据本实用新型无法测量煤仓料位深度，需要利用上述的电机旋转机构7旋转 一定的角度，从而改变两激光束的方向，再进行CCD相机6获取图像。图7中，利用CCD相机6得到在一束激光束部分投射到煤块之间的缝隙中的情况 下的图像，根据本实用新型测量煤仓料位深度可能造成误差，为了获取较高测量精度，需要 利用上述的电机旋转机构7旋转一定的角度，从而改变两激光束的方向，再进行CCD相机6 获取图像。图8中，利用CCD相机6得到在两束激光束投射煤面上时图像，根据本实用新型就 不需要电机旋转机构7进行旋转，利用CCD采集的图像进行两个斑点中心的求取，进而计算 煤仓料位的深度。图9是本实用新型用一组激光对时料位测量装置装配体主视图；如图9所示，相机 基板14和光源基板16与隔爆外壳8螺钉连接；光源5与光源基板16螺钉连接；旋转电机 7和电机固定板15通过螺钉固定在相机基板14上；激光固定架11和激光固定架12与相 机固定架13通过销钉19连接。图10是本实用新型用一组激光对时料位测量装置装配体右视图；如图10所示， CCD相机6与相机固定架13螺钉连接；直线电机17与相机固定架13螺钉连接；图11是本实用新型用一组激光对时料位测量装置装配体主视图半剖面图；如图 11所示，激光支撑杆23和激光支撑杆24和直线电机17螺钉连接；激光支撑杆23和激光 固定架12螺钉33连接；激光支撑杆24与激光固定架11螺钉25连接。图12是本实用新型用一组激光对时料位测量装置装配体主视图局部剖面图；如 图12所示，激光器3和激光固定架11过盈配合；激光器4和激光固定架12过盈配合；相机 固定架13与转轴36通过螺栓连接；旋转电机轴37和转轴36通过键连接；轴承套34通过 螺钉固定在相机基板14上；轴承35与轴承套34过盈配合。图13是本实用新型用多组激光对时料位测量装置主视图剖面图；如图13所示，激 光固定台65和光源固定台66与隔爆外壳8焊接；多组激光对100外壳与激光固定台65螺钉连接；相机6与相机固定架69螺钉连接；相机固定架69与隔爆外壳8螺钉连接；多组激 光对紧密配合固定在多组激光对100外壳内；每组激光对中的两激光器(如激光器3和激 光器4)按一定夹角对称布置；光源固定架68与光源固定台66螺钉连接；光源5与光源固 定架68螺钉连接。图14是本实用新型用多组激光对时料位测量装置仰视图剖面图；如图14所示，多 组激光对100由多个激光器组成，且沿圆周均勻或非均勻布置；每组激光对的两激光器(如 激光器3和激光器4)对称布置；光源5有多个LED78组成。如上所述，本实用新型提供一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量方法和装 置。其原理是利用激光作为主动光源，产生成固定夹角的激光束，在煤面上形成两个光斑， 通过C⑶相机获取两个光斑图像，通过求取两光斑的中心距离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，本实用新型优点在于，由于本实用新型基于激光和单目 视觉的煤仓料位测量装置在测量煤仓料位时步骤简单，所以降低了整个煤仓料位测量系统 的负荷，而使得测量时间缩短，进而满足煤仓料位测量的实时性。再有，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，且由于激光束的方向可变有效地解决了光斑丢失问题。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单目视觉的煤仓料位测量装置，包括成像部分、处理部分、照明光源部分和隔爆部分；成像部分包括CCD相机和一组或多组激光器对；当用一组激光器对时，装置还包括旋转电机、直线电机、两个激光固定杆和两个支撑杆，相机、直线电机和激光器对与旋转电机相连，受其转导可以做圆周旋转，激光器对与直线电机相连，受其引导可以做圆弧运动；当用多组激光对时，相机和多组激光器对，照明光源部分通过固定架与隔爆部分相连，处理器部分为一块嵌入式处理器，与装置各部分相连，照明光源部分由红外LED阵列组成，隔爆部分包括隔外壳和高透光视窗。
2.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的激光对中每一个激 光器是由多个激光发射器组成，多个激光发射器成蜂窝状布置。
3.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的每组激光对按照两 激光束的初始夹角对称布置，初始夹角由煤仓的深度和直径确定，且每组激光对中激光器 位于一条直线上。
4.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的多组激光器对中激 光器沿圆周均勻布置和非均勻布置；所述的多组激光器对的每组激光器对分别与嵌入式处 理器相连，嵌入式处理每次驱动一组激光器对，依次驱动直至在煤面上形成两个大小合适 的光斑。
5.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的旋转电机和嵌入式 处理器相连，嵌入式处理器驱动旋转电机旋转；所述的旋转电机与一组激光器对，CCD相 机，直线电机相连，受旋转电机旋转引导激光器对可以沿圆周运动，用来确保在煤面上形成 两个大小合适的光斑，而且一组激光对，CCD相机，直线电机单元相对位置不变。
6.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的直线电机单元与两 个支撑杆相连，两个支撑杆与两个激光固定杆相连，两个激光杆与激光器对相连。
7.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的嵌入式处理器与CXD 相机相连，接收来自CCD相机得图像数据并进行处理。
8.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的防爆单元是包含视 窗的防爆外壳，且视窗是高透光的。
9.根据权利要求1所示的煤仓料位测量装置，其特征在于所述的照明光源部分由LED 阵列组成，LED阵列分为多组，每组分别与嵌入式处理器相连，嵌入处理器根据煤仓深度确 定驱动多少组LED，用来确保光照在一个合适的程度。专利摘要本实用新型是一种基于激光和单目视觉的煤仓料位测量装置，属于机器视觉领域。它包括成像部分、处理部分、照明光源部分和隔爆部分。成像部分包括CCD相机和一组或多组激光器对。当用一组激光器对时，装置还包括旋转电机和直线电机。相机、直线电机和激光器对与旋转电机相连，受其转导可以做圆周旋转，激光器对与直线电机相连，受其引导可以做圆弧运动。当用多组激光器对时，相机和多组激光器，照明光源部分通过固定架与隔爆部分相连。处理部分为一块嵌入式处理器，与装置各部分相连。照明光源部分由红外LED阵列组成。隔爆部分包括隔外壳和高透光视窗。本实用新型的优点在于结构简单，成本低廉，精度高，鲁棒性好，且解决了光斑丢失问题。
文档编号G01F23/292GK201653497SQ20092029996
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)