于晨晨

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100000）

受輸送帶材料性質(zhì)和礦井下復(fù)雜環(huán)境影響，礦用輸送機(jī)在生產(chǎn)過程中常因落料口物料卡堵、尖銳物體壓迫、長時間跑偏或抽芯等情況發(fā)生輸送帶縱向撕裂的事故。造成大面積的輸送帶損壞，導(dǎo)致生產(chǎn)停滯，給企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和財產(chǎn)損失[1]。本文利用機(jī)器視覺方法設(shè)計的井下檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對輸送帶表面情況的實(shí)時監(jiān)控和檢測。

1 機(jī)器視覺理論

機(jī)器視覺是一種利用光學(xué)元件、圖像傳感器等設(shè)備，自動對物體進(jìn)行圖像采集和相關(guān)處理的先進(jìn)技術(shù)，其處理結(jié)果可以用于控制各種機(jī)械設(shè)備的工作情況。通俗來講，機(jī)器視覺是用現(xiàn)代機(jī)器設(shè)備代替人的眼睛“觀看”，并將“看到”的信息傳遞給代替人類大腦的處理設(shè)備，進(jìn)行“思考”和加工處理。這樣就可以在一些危險或者環(huán)境惡劣的工作環(huán)境中利用“人”的方式實(shí)現(xiàn)一些檢測、識別、判斷的功能[2]。與各種傳統(tǒng)技術(shù)相比，機(jī)器視覺技術(shù)具有非接觸、經(jīng)濟(jì)、靈活、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)通常由三部分組成：圖像采集部分、圖像處理部分、輸出控制部分。其中圖像采集部分主要用于獲取目標(biāo)物體圖像，并交由圖像處理部分進(jìn)行后續(xù)操作。圖像處理部分主要由計算機(jī)處理裝置（通常為PC機(jī)或嵌入式系統(tǒng)），根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求，對接收到的圖像進(jìn)行調(diào)整和處理，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。輸出控制部分可根據(jù)系統(tǒng)功能要求進(jìn)行靈活組合，如加入控制平臺、報警設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的多樣化[3]。

2 輸送帶檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的基于機(jī)器視覺的輸送帶縱向撕裂檢測系統(tǒng)主要由三個系統(tǒng)部分組成：系統(tǒng)傳感器部分、下位機(jī)處理平臺、報警控制系統(tǒng)。硬件設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

（1）系統(tǒng)傳感器部分

考慮到礦井生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，輸送帶基本處于長期不間斷的工作狀態(tài)，而工業(yè)CCD相機(jī)性能比較穩(wěn)定，在井下環(huán)境中能夠長時間使用。因此，本文設(shè)計的系統(tǒng)中系統(tǒng)傳感器部分只保留工業(yè)CCD相機(jī)這一主要設(shè)備用來獲取輸送帶的實(shí)時圖像，減少設(shè)備安裝和后期檢修的復(fù)雜程度。

礦井生產(chǎn)中的多數(shù)輸送帶縱向撕裂事故多因機(jī)頭落料處發(fā)生異物或物料卡堵而發(fā)生，在壓力和輸送帶運(yùn)行張力的作用下，裂痕也不斷擴(kuò)大[4]。為及早檢測到輸送帶的撕裂事故，本文設(shè)計系統(tǒng)中將工業(yè)CCD相機(jī)安裝于靠近機(jī)頭落料口位置的輸送帶底部。安裝時，使相機(jī)與輸送帶的中線位置對齊，并設(shè)置相機(jī)光軸與輸送帶底面保持垂直，調(diào)整相機(jī)和輸送帶間的距離，使相機(jī)視野范圍能夠覆蓋整個輸送帶寬度，同時保持較好的圖像獲取質(zhì)量。工作時，設(shè)定CCD相機(jī)間隔固定時間自動獲取輸送帶的表面情況。

（2）下位機(jī)處理平臺

相機(jī)獲取到的輸送帶實(shí)時圖像通過礦用阻燃屏蔽通信電纜傳輸至下位機(jī)平臺，下位機(jī)處理平臺的主要設(shè)備為PC機(jī)。為完成對輸送帶事故的及時報警和生產(chǎn)控制，下位PC機(jī)安放于井下運(yùn)輸輸送機(jī)組的控制系統(tǒng)附近，并通過礦用通信線路連接報警裝置以及輸送機(jī)組的控制系統(tǒng)。下位PC機(jī)通過圖像特征處理與分析的方式對接收到的輸送帶圖像進(jìn)行檢測處理，當(dāng)檢測到事故發(fā)生時，下位機(jī)輸出事故信號作用于報警控制系統(tǒng)，并顯示檢測到的事故圖像，方便工作人員進(jìn)行事故分析。

（3）報警控制系統(tǒng)

報警控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)事故報警和輸送機(jī)生產(chǎn)控制的工作。當(dāng)接收到下位機(jī)平臺發(fā)出的事故信號時，報警裝置開關(guān)動作引發(fā)警報，提醒井下工作人員事故發(fā)生，及時作出響應(yīng)。同時，輸出的事故信號作用于輸送機(jī)組的工作控制系統(tǒng)，使其開關(guān)動作控制輸送機(jī)及時停機(jī)，防止事故范圍擴(kuò)大。

3 輸送帶檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了達(dá)到更好的檢測效果，本文所述的檢測系統(tǒng)在使用前，需在系統(tǒng)安裝使用時提前對CCD相機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。下位機(jī)輸出的事故信號應(yīng)直接作用于報警及控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)功能。下位機(jī)可使用MATLAB作為軟件開發(fā)工具對輸送帶圖像做相關(guān)檢測處理，軟件處理總體流程可用以下流程圖進(jìn)行表示。見圖2.

圖2 系統(tǒng)軟件處理流程圖

下位機(jī)PC系統(tǒng)對圖像的處理結(jié)果直接影響檢測裝置的工作效率，是系統(tǒng)的主要軟件工作部分，其具體處理工作包括以下幾點(diǎn)：

（1）輸送帶圖像預(yù)處理

受礦井生產(chǎn)現(xiàn)場光線暗、粉塵大等因素影響，系統(tǒng)傳感器獲取到的圖像常存在噪聲多、對比度不足的問題，影響檢測識別結(jié)果，需要通過預(yù)處理方法改善圖像質(zhì)量。首先利用中值濾波對原始含噪的輸送帶圖像進(jìn)行平滑，去除掉大部分的噪聲影響；然后利用直方圖均衡化的方法對圖像進(jìn)行增強(qiáng)，增強(qiáng)可能的裂痕信息與正常輸送帶表面的視覺對比，突出圖像中的有效信息，提高圖像的可檢測性。

（2）分割圖像，提取裂痕信息

獲取到的圖像中，輸送帶縱向撕裂產(chǎn)生的裂痕往往會在帶體張力的作用下，呈現(xiàn)出與正常部分較為明顯的“灰度差異”，利用這種視覺上的差異，可對圖像中是否存在裂痕部分進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)對撕裂事故的檢測。

為了更好的適應(yīng)煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境，使用對噪聲抑制力較強(qiáng)、圖像分割能力較好的最小誤差法對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行分割。通過圖像分割，發(fā)生事故的圖像中會顯示出裂痕的形態(tài)，正常圖像中則不顯示。

（3）事故診斷

輸送帶撕裂時裂痕具有一定“大小”且呈現(xiàn)出一定的“線形”形態(tài)的特點(diǎn)，這種特點(diǎn)在圖像中連通區(qū)域的“面積”和“長寬比”中有較好的體現(xiàn)。對分割后圖像中的每個獨(dú)立連通區(qū)域進(jìn)行面積計算，設(shè)定最小面積閾值，認(rèn)定面積大于閾值的為可能的裂痕信息，認(rèn)定面積小于閾值的連通區(qū)域?yàn)樵肼曈绊?。對分割后圖像中的每個獨(dú)立連通區(qū)域進(jìn)行外接矩的長寬比計算，設(shè)定最小長寬比閾值，認(rèn)定長寬比大于閾值的為可能的裂痕區(qū)域，認(rèn)定長寬比小于閾值的為干擾信息。

綜合兩種形態(tài)特征的計算結(jié)果，判定同時滿足“面積”和“長寬比”兩個檢測條件的部分為輸送帶發(fā)生縱向撕裂后的裂痕區(qū)域。當(dāng)最終檢測圖像中出現(xiàn)滿足檢測條件的裂痕區(qū)域時，判斷發(fā)生縱向撕裂的事故，反之則為正常工作情況。

（4）報警控制

事故診斷后，若判斷發(fā)生撕裂事故，下位機(jī)處理系統(tǒng)輸出事故信號，連接報警器及控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)動作。同時，下位機(jī)PC處理平臺顯示事故檢測結(jié)果，以便工作人員對事故進(jìn)行判斷。

4 結(jié)語

采用機(jī)器視覺的方法，設(shè)計了一套能較好適應(yīng)礦井生產(chǎn)環(huán)境的礦用輸送帶縱向撕裂檢測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對礦井生產(chǎn)運(yùn)輸現(xiàn)場輸送帶表面情況的實(shí)時監(jiān)測，減少輸送帶縱向撕裂事故對企業(yè)生產(chǎn)造成的不良影響。