浙能溫州發(fā)電有限公司 楊明花

西安華控智能系統(tǒng)工程有限公司 高繼嚴(yán)

1.引言

Opencv是一個(gè)在業(yè)界被廣泛應(yīng)用的跨平臺機(jī)器視覺庫。其擁有強(qiáng)大的跨平臺、多語言支持能力，已經(jīng)成為機(jī)器視覺領(lǐng)域最影響力的研發(fā)工具之一。目前，opencv已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，例如人臉識別、車牌識別、智慧交通、智慧城市等。本文在充分學(xué)習(xí)與研究opencv視覺庫的基礎(chǔ)上，并結(jié)合火電廠輸煤系統(tǒng)輸煤皮帶跑偏檢測的工藝要求，成功將其移植至嵌入式平臺。

目前國內(nèi)火電廠輸煤系統(tǒng)中，多采用輸煤皮帶機(jī)作為煤料運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，且輸煤皮帶的跑偏檢測多采用傳統(tǒng)的機(jī)械式跑偏開關(guān)。傳統(tǒng)的跑偏開關(guān)在使用時(shí)，需要鋪設(shè)電纜以便將動(dòng)作信號傳輸至控制室，不僅耗費(fèi)了大量電纜，而且安裝時(shí)的工作量大，隨著使用時(shí)間的加長，機(jī)械結(jié)構(gòu)的老化，其誤動(dòng)作的可能性也隨之增大。本文在研究機(jī)器視覺有關(guān)算法的基礎(chǔ)上，利用DSP嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的輸煤皮帶跑偏檢測裝置，該裝置將目前較為前沿的機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用到了傳統(tǒng)的火電廠輸煤領(lǐng)域，為進(jìn)一步替代傳統(tǒng)的跑偏檢測開關(guān)，奠定了前提基礎(chǔ)。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的火電廠輸煤皮帶跑偏檢測控制器，其實(shí)現(xiàn)原理是利用兩臺攝像機(jī)獲取輸煤皮帶左右兩側(cè)的圖像，利用相關(guān)邊緣檢測算法，準(zhǔn)確識別輸煤皮帶邊緣，設(shè)定皮帶邊緣合理的動(dòng)態(tài)檢測范圍，當(dāng)皮帶跑偏發(fā)生時(shí)，即可控制有關(guān)輸出回路，驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)行緊急停車。有效防止跑偏程度的繼續(xù)加重。輸煤現(xiàn)場光照條件較差，為皮帶跑偏的檢測帶來了困難，本文研究了多種機(jī)器視覺算法，實(shí)現(xiàn)了輸煤皮帶的跑偏的初步檢測。

Canny邊緣檢測的實(shí)現(xiàn)原理是：從不同視覺對象中提取有關(guān)結(jié)構(gòu)信息，減少對其他非關(guān)鍵信息的處理，大大減少需要處理的數(shù)據(jù)總量。該技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)器視覺領(lǐng)域主要的邊緣檢測算法之一。不同的視覺對象，其對邊緣檢測的要求卻近乎一致，Canny算子便提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化的邊緣檢測技術(shù)。

Canny算子一般的實(shí)現(xiàn)流程如下：利用高斯濾波器對視覺對象進(jìn)行平滑處理，濾除其中的噪聲；之后計(jì)算視覺對象中每一個(gè)像素點(diǎn)的梯級強(qiáng)度和方向；利用雙閾值檢測法來判定邊緣；抑制其中的弱邊緣并最終完成邊緣檢測。

本文總結(jié)和分析了輸煤皮帶跑偏的類型和原因，并搜集了有關(guān)實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，輸煤皮帶跑偏的影像資料，總結(jié)了輸煤皮帶跑偏檢測的特點(diǎn)和難點(diǎn)。提出了一種優(yōu)化邊緣檢測算法。該算法具備較高的自適應(yīng)性，有效克服了現(xiàn)有算法的局限性。

本文中提出的輸煤皮帶邊緣檢測算法主要包含圖像預(yù)處理、基于混合高斯的背景建模、canny邊緣檢測等算法組成。具體步驟如下：對原始視頻碼流中的視頻幀進(jìn)行去噪、二值化處理。利用本文提出的改進(jìn)型幀間差分法對前序操作處理后的視頻幀做差分處理。將前序操作得到的差分運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行混合高斯建模。模型初始化完成后，判斷差分結(jié)果是否與某一時(shí)刻建立的高斯背景模型相匹配，若匹配，則設(shè)為初始點(diǎn)；不匹配則更新高斯背景模型。形態(tài)學(xué)生長以及邊緣檢測。

混合高斯建模完成后，用視頻序列幀逐次與其做差分運(yùn)算，接著為得到的像素點(diǎn)建立混合高斯模型，在對模型完成初始化之后，選取優(yōu)先級較大的高斯分布作為背景模型合成的依據(jù)。經(jīng)過混合高斯模型的運(yùn)算處理，便可得到人形目標(biāo)的二值圖像。為了獲取準(zhǔn)確的人形目標(biāo)，亦可對含有人形目標(biāo)的相鄰幀進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并對圖像進(jìn)行去噪處理以及形態(tài)學(xué)生長，結(jié)合canny邊緣檢測算法，提高皮帶跑偏準(zhǔn)確度。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能檢測裝置采用TMS320F28335為中央處理器，包含DSP最小系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信單元、WIFI接口單元以及配套app開發(fā)、緊急制動(dòng)與告警單元、無線通信單元等。設(shè)備初始上電，利用WIFI通信接口以及配套開發(fā)的手機(jī)APP，對設(shè)備進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的初始化設(shè)定，通過以太網(wǎng)接口將現(xiàn)場2路攝像機(jī)的采集的輸煤皮帶邊緣視頻傳輸至DSP最小系統(tǒng)，DSP負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的機(jī)器視覺算法，準(zhǔn)確識別出輸煤皮帶邊緣，當(dāng)檢測到輸煤皮帶跑偏時(shí)，立即控制相關(guān)控制回路，緊急制動(dòng)輸煤皮帶機(jī)，防止跑偏程度的進(jìn)一步加重。并利用無線通信單元，將有關(guān)設(shè)備信息傳輸至控制室。

3.1 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMS320F28335是TI公司新推出的一款處理芯片，尤其是外設(shè)資源較為豐富。其運(yùn)算能力和外設(shè)資源都較TMS320F2812有了很大提高。由于F28335具備較強(qiáng)的運(yùn)算能力，完全滿足機(jī)器視覺有關(guān)算法的計(jì)算要求。既簡化了軟件開發(fā)的流程，又滿足了嵌入式開發(fā)的要求。

TMS320F28335最小系統(tǒng)包括電源轉(zhuǎn)換電路、JTAG電路、通訊接口電路等。其中電源電路采用TPS70351電源芯片，該芯片可實(shí)現(xiàn)直流5V轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直流3.3V和1.8V，滿足對TMS320F28335的內(nèi)核供電。此外，該芯片具備優(yōu)良的散熱性能，滿足了嵌入式開發(fā)的緊湊性要求。

3.2 以太網(wǎng)接口單元

以外網(wǎng)接口單元包含數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和以太網(wǎng)通信芯片，本文選取?？低晹?shù)字?jǐn)z像機(jī)作為現(xiàn)場視頻采集的設(shè)備。其中以太網(wǎng)接口電路選用W5500協(xié)議芯片。因本文設(shè)計(jì)的控制器需用2臺攝像機(jī)分別檢測輸煤皮帶左右兩側(cè)的視頻，因此，本文設(shè)計(jì)了2路以太網(wǎng)接口，并在DSP處理器中合理設(shè)計(jì)了任務(wù)調(diào)度和中斷處理程序，可并行處理2路攝像機(jī)采集的視頻圖像。

此外，在DSP芯片和W5500芯片之間，設(shè)置了ADUM1400高速磁耦隔離芯片，該芯片有效隔離了外界干擾源對最小系統(tǒng)的影響。

3.3 WIFI接口單元以及配套APP開發(fā)

輸煤系統(tǒng)智能檢測防護(hù)裝置初始安裝完成后，需要進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和監(jiān)控區(qū)域設(shè)置。同時(shí)考慮到輸煤現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，本文具備WIFI通信接口并配套開發(fā)了手機(jī)APP。WIFI接口選用ESM8266通信模塊，降低了二次開發(fā)的難度，加快了開發(fā)進(jìn)度。配套開發(fā)的APP可實(shí)現(xiàn)識別區(qū)域的設(shè)定、識別靈敏度設(shè)定、報(bào)警閥值設(shè)定等功能。

輸煤現(xiàn)場環(huán)境惡劣，粉塵污染嚴(yán)重，因此本文采取配套APP來進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，而未采用設(shè)置顯示屏等方案，可有效提高產(chǎn)品的防護(hù)等級。

3.4 緊急制動(dòng)與告警單元

緊急制動(dòng)單元包含1路24V繼電器輸出，其中1路為常開節(jié)點(diǎn)，1路為常閉接點(diǎn)。上述繼電器輸出接入現(xiàn)場設(shè)備的急?？刂苹芈贰．?dāng)檢測到有皮帶跑偏發(fā)生時(shí)，DSP處理器便控制繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶的緊急停車，防止意外發(fā)生。

3.5 無線通信單元

火電廠輸煤現(xiàn)場設(shè)備種類繁雜，管線眾多，如若鋪設(shè)通信電纜，需要耗費(fèi)大量人力物力，故本文設(shè)計(jì)了基于433MHz的無線通信單元，可實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶跑偏裝置與控制室的遠(yuǎn)程通信。該無線通信接口選用了宇泰U901串口轉(zhuǎn)433MHz網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)利用RS485接口與DSP最小系統(tǒng)相連接。

DSP最小系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于MAX485芯片的串口通信電路，該芯片利用TLP181光耦與DSP引腳相連接，有效避免了通信鏈路對最小系統(tǒng)的干擾。

4.試驗(yàn)

本文在火電廠輸煤系統(tǒng)中選取了一處輸煤皮帶，認(rèn)為制造皮帶跑偏，檢測了該輸煤皮帶跑偏檢測控制器的有效性。

5.小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的輸煤皮帶跑偏檢測裝置，結(jié)構(gòu)緊湊、集成化程度高，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式跑偏開關(guān)，大大減少現(xiàn)場施工作業(yè)難度，節(jié)省了大量物料和人力，為機(jī)器視覺在輸煤領(lǐng)域的應(yīng)用開闊了思路，奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)。