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        基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-02-05 04:58:34王冠軍蘇婷婷劉文博錢智平李佳澤
        工礦自動化 2020年1期
        關(guān)鍵詞:煤矸矸石攝像機(jī)

        王冠軍,蘇婷婷,劉文博,錢智平,李佳澤

        (中國礦業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

        0 引言

        傳統(tǒng)的煤矸石人工分選方法是指原煤被運(yùn)出井口后,經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)到人工揀矸樓,由工人把矸石與雜物揀出來,再輸送到選煤車間。對煤矸石自動分揀方法的研究主要集中在煤矸石圖像識別技術(shù)上,例如小波分析與DSP[1-2]、粗糙集理論[3]、紋理分析[4-5]、核典型相關(guān)分析[6]、灰度自適應(yīng)邊緣檢測[7]等。以上方法均可實(shí)現(xiàn)簡單的矸石檢測,存在的主要不足是實(shí)時性較差且整體分揀準(zhǔn)確率不高。利用密度進(jìn)行分選[8-9]的方法適用于井下初選,且成本較高。針對上述問題,本文設(shè)計(jì)了一種基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng)由EAIDK-610平臺、視覺系統(tǒng)、機(jī)械臂等組成,如圖1所示。EAIDK-610是一種面向邊緣計(jì)算的嵌入式人工智能開發(fā)平臺,硬件方面,使用高性能ARM SoC搭載OPEN AI LAB嵌入式AI開發(fā)平臺AID,具備語音、視頻等數(shù)據(jù)采集能力,有適用于多場景的運(yùn)動控制接口;軟件方面,支持視覺處理與分析、語音識別、語義分析、SLAM(即時定位與地圖構(gòu)建)等應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺和主流開源算法。視覺系統(tǒng)由PLC、智能攝像機(jī)、觸摸屏等構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理功能。機(jī)械臂安裝于輸送帶一側(cè)軌道上,可以水平運(yùn)動。

        圖1 基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        1.2 系統(tǒng)工作流程

        原煤經(jīng)過帶式輸送機(jī)輸送到原煤倉時,通過帶式輸送機(jī)上方的攝像機(jī)獲得當(dāng)前原煤圖像,識別煤和矸石,并測量矸石位置和朝向;通過手眼標(biāo)定獲得攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械臂坐標(biāo)系之間的關(guān)系;機(jī)械臂以合適的姿態(tài)運(yùn)動到矸石位置,抓取矸石并移動到矸石桶位置后放下矸石;最后機(jī)械臂歸位,進(jìn)入下一輪煤矸分揀。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

        圖2 基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng)工作流程

        2 基于EAIDK的矸石識別

        在處理的圖像中,煤塊是黑色的,而矸石基本上是灰色的,煤塊本身灰度比較低,只有當(dāng)煤塊反光時,反光部分出現(xiàn)亮點(diǎn),煤塊的這些部分灰度級才會較高,而矸石一般灰度級都比較高。以灰度分布的均值和方差作為特征值來區(qū)分煤塊和矸石,根據(jù)模式識別的原理,將煤和矸石的標(biāo)準(zhǔn)特征值作為分揀標(biāo)準(zhǔn)。在識別時,將實(shí)際煤和矸石的灰度分布與之比較,理論上就可以將煤和矸石區(qū)分開來。

        2.1 圖像預(yù)處理

        使用TEngine深度學(xué)習(xí)框架所支持的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的VGG16深度學(xué)習(xí)模型搭建檢測模型,VGG16模型如圖3所示。VGG16總共有16層,含13個卷積層和3個全連接層。圖像經(jīng)過64個卷積核的2次卷積,128個卷積核2次卷積,256個卷積核3次卷積,2次512個卷積核3次卷積后,分別進(jìn)行一次池化處理,最后進(jìn)行3次全連接。將矸石分揀圖像輸入VGG16模型,在VGG16模型中將圖片的每個像素值減去在訓(xùn)練集上計(jì)算得到的平均RGB值,并將智能處理單元EAIDK-610接收到的圖像信息調(diào)整為符合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)要求的格式。

        2.2 圖像識別標(biāo)記

        (1) 特征提取。將預(yù)處理后的圖像輸入特征提取網(wǎng)絡(luò)得到特征圖。VGG16模型經(jīng)過fine-tune處理后作為特征提取網(wǎng)絡(luò),即移除VGG16模型中conv5最后一層的后續(xù)所有層,并使用剩余的權(quán)重作為模型下一次訓(xùn)練的起點(diǎn)。這種特征提取方式相比投影方法更為科學(xué)合理,且可通過改變卷積核大小、池化和最后輸出的特征向量的大小控制整體模型的擬合能力,相比其他特征提取方法更為靈活。

        圖3 VGG16模型

        (2) 目標(biāo)檢測。對特征圖進(jìn)行滑動掃描,生成一組預(yù)定義的錨點(diǎn)框。用回歸模型和分類模型對預(yù)定義的錨點(diǎn)框進(jìn)行坐標(biāo)預(yù)測和矸石概率預(yù)測,判定目標(biāo)是否為矸石并定位錨點(diǎn)框頂點(diǎn)坐標(biāo)。最后,將回歸和分類預(yù)測的輸出進(jìn)行非極大值抑制篩選,得到最終矸石篩選結(jié)果。在conv5中加入3個新的卷積層搭建目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò):第1部分是一個常規(guī)卷積層,用于對前一層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼;第2部分卷積層用于回歸和預(yù)測;第3部分負(fù)責(zé)預(yù)測目標(biāo)概率。

        (3) 圖像標(biāo)記。根據(jù)預(yù)定義區(qū)域矸石檢測結(jié)果對矸石進(jìn)行標(biāo)記。

        通過多媒體接口將識別標(biāo)記出的矸石信息輸出到機(jī)器人接口進(jìn)行后續(xù)揀矸操作,并在顯示設(shè)備上實(shí)時顯示,EAIDK-610可提供顯示觸摸一體屏配件。

        3 矸石分揀控制

        3.1 手眼標(biāo)定

        為獲得攝像機(jī)與機(jī)械臂坐標(biāo)系的關(guān)系,需要進(jìn)行手眼標(biāo)定。對于固定視覺手眼系統(tǒng)的標(biāo)定,兩坐標(biāo)系之間的齊次坐標(biāo)變換關(guān)系可記為[10-11]

        (1)

        式中:xc,yc,zc為目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo);xr,yr,zr為目標(biāo)點(diǎn)在機(jī)械臂坐標(biāo)系中的坐標(biāo);R為機(jī)械臂坐標(biāo)系相對攝像機(jī)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)3×3的正交矩陣,描述了機(jī)械臂坐標(biāo)系在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài);Y為機(jī)械臂坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

        3.2 機(jī)械臂控制

        為實(shí)現(xiàn)煤矸石揀取,需要控制機(jī)械臂運(yùn)動,使機(jī)械臂在規(guī)定時間內(nèi)以合理姿態(tài)到達(dá)規(guī)定位置。在保證控制性能和精度的情況下,首先建立兩自由度機(jī)械臂簡化模型,通過拉格朗日方程建立動力學(xué)方程[12]:

        (2)

        根據(jù)動力學(xué)方程對機(jī)械臂進(jìn)行正逆運(yùn)動學(xué)解算,利用FPGA技術(shù)構(gòu)建專用的機(jī)器人主-從手臂運(yùn)動學(xué)硬件模型,在毫秒級的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的主機(jī)械臂模型正解和從機(jī)械臂模型逆解計(jì)算,最后結(jié)合軌跡規(guī)劃完成機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃。機(jī)械臂運(yùn)動過程分為3個階段:① 趨近階段:機(jī)械臂運(yùn)動到輸送帶末端并打開抓手到合適大小。② 揀取階段:抓取煤矸石并投放到矸石通道中。③ 回位階段:機(jī)械臂回位到初始位置,等待下一次揀取。

        4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        通過基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng)采集100組數(shù)據(jù),每組包含100張圖像,原始圖像預(yù)處理后送入VGG16模型進(jìn)行訓(xùn)練,模型平均訓(xùn)練時間為10 min,利用訓(xùn)練完的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行矸石識別和分揀。模型的訓(xùn)練在服務(wù)器端進(jìn)行,使用AI高性能計(jì)算(Alibaba Cloud HPC)平臺完成。由于模型只需訓(xùn)練一次,所付出的時間代價是可接受的。經(jīng)平臺處理后的矸石識別圖像如圖4所示。矸石識別準(zhǔn)確率曲線如圖5所示??梢钥闯觯肥R別準(zhǔn)確率穩(wěn)定保持在95%以上。

        圖4 經(jīng)平臺處理后的矸石識別圖像

        圖5 矸石識別準(zhǔn)確率曲線

        在河南神火集團(tuán)薛湖選煤廠進(jìn)行了系統(tǒng)測試,得出視覺系統(tǒng)的平均工作周期為110 ms,選煤廠自動機(jī)械臂響應(yīng)跟蹤時間小于30 ms,執(zhí)行誤差為1 mm左右,可以滿足分揀工藝要求。

        5 結(jié)語

        設(shè)計(jì)了基于EAIDK的智能煤矸分揀系統(tǒng),利用EAIDK-610平臺作為控制中心,通過視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像采集與處理,并采用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)矸石分揀。該系統(tǒng)矸石識別準(zhǔn)確率高,機(jī)械臂跟蹤時間短,執(zhí)行誤差小。該系統(tǒng)存在的主要問題是當(dāng)原煤含矸量較高時,系統(tǒng)響應(yīng)受限,此外,由于自然光源和燈光等干擾,增加了圖像處理難度,圖像檢測模型的訓(xùn)練時間也較長,下一步工作將集中于提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,進(jìn)一步提高矸石識別率,并完善實(shí)時追蹤系統(tǒng)。

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