曾 飛，任孝通，廖雅曼，李 翔

(1.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢科技大學(xué)，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430081)

0 引言

帶式輸送機(jī)是物流運(yùn)輸樞紐裝置，具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、運(yùn)輸物料類別廣等優(yōu)點(diǎn)[1]。輸送帶是帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的核心要素，完成物料的載荷、拖引工作，但是正常行進(jìn)時(shí)易受尖銳物料摩擦造成磨損和縱向撕裂等損傷，需及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)維修從而避免經(jīng)濟(jì)損失。因而準(zhǔn)確判定輸送帶縱向撕裂程度，對(duì)于保障散料輸送安全具有重要意義。

目前，輸送帶撕裂檢測(cè)方法主要分為接觸式檢測(cè)法[2]和無損檢測(cè)法[3-4]。接觸式檢測(cè)法包括嵌入感應(yīng)線圈和射頻識(shí)別等。然而接觸式檢測(cè)易受工作環(huán)境和運(yùn)輸散料影響，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別且維護(hù)困難。近年來，輸送帶撕裂無損檢測(cè)方法[5-8]逐漸得到應(yīng)用。王福斌等[5]設(shè)計(jì)了輸送帶撕裂視覺檢測(cè)系統(tǒng)，并將檢測(cè)到的輸送帶裂紋邊緣向四周延展，以提高邊緣檢測(cè)性能的魯棒性。文獻(xiàn)[6]提出基于視覺顯著性的多類支持向量機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，可識(shí)別同張圖片中輸送帶撕裂各類型損傷。文獻(xiàn)[7]使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)識(shí)別傳送帶損壞程度的分類模型，實(shí)現(xiàn)了更佳的分類和預(yù)測(cè)能力。由于帶式輸送機(jī)需要應(yīng)用于惡劣環(huán)境，圖像易受粉塵、光照不均勻等因素影響導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤報(bào)。為此，文獻(xiàn)[8]基于深度學(xué)習(xí)方法，設(shè)計(jì)兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳送帶損傷進(jìn)行分類，提高檢測(cè)精度。然而，二維目標(biāo)檢測(cè)雖然可以減少數(shù)據(jù)的計(jì)算、傳輸負(fù)載，但無法獲取目標(biāo)深度、姿態(tài)等信息，檢測(cè)精度還需進(jìn)一步提升[9]?？紤]到三維檢測(cè)比二維檢測(cè)更能反饋撕裂深度信息的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、魯棒性等需求，本文設(shè)計(jì)了基于三維重建技術(shù)的便攜式高精度輸送帶縱向撕裂檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用CCD圖像傳感器實(shí)時(shí)高速地采集輸送帶承載段表面二維圖像，經(jīng)FPGA轉(zhuǎn)換成三維信息后，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳送至中控臺(tái)上位機(jī)，最后由上位機(jī)復(fù)建輸送帶表面三維圖像、計(jì)算并反映輸送帶縱向撕裂狀況，即完成檢測(cè)工作。該系統(tǒng)可高效、可靠地實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)輸送帶縱向撕裂自動(dòng)遠(yuǎn)程預(yù)警，為保障帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式高精度輸送帶縱向撕裂視覺檢測(cè)系統(tǒng)包括輸送帶三維數(shù)據(jù)采集終端和中央控制平臺(tái)。輸送帶三維數(shù)據(jù)采集終端包含邊緣計(jì)算模塊(FPGA)、CCD相機(jī)、儲(chǔ)存器SRAM、5G(NR)通信模塊及電源。中央控制平臺(tái)包含上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。圖1即為檢測(cè)系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)圖。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 輸送帶縱向撕裂檢測(cè)流程

輸送帶縱向撕裂視覺檢測(cè)包括輸送帶圖像采集、三維重建和撕裂判定3個(gè)過程。其中輸送帶三維數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行輸送帶表面圖像采集、處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和5G遠(yuǎn)程通信，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 輸送帶三維數(shù)據(jù)采集終端示意圖

三維數(shù)據(jù)采集終端包括CCD相機(jī)、線激光器、邊緣計(jì)算模塊(FPGA)和其外圍電路。將采集到的輸送帶表面每幀線激光圖像傳送至FPGA[10]。為減少坐標(biāo)配準(zhǔn)運(yùn)算量，便于輸送帶圖像坐標(biāo)提取，將線激光器按設(shè)定夾角照射至帶式輸送機(jī)承載段表面后，再由安裝于帶式輸送機(jī)正上方的CCD相機(jī)拍攝輸送帶承載段實(shí)時(shí)圖像。

FPGA采集到疊加激光線的輸送帶表面圖像后，經(jīng)降噪、激光條紋提取、三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，便得到輸送帶表面激光線條各點(diǎn)深度信息。為降低計(jì)算量、提高檢測(cè)效率，本系統(tǒng)采用雙步判定方法，先利用激光線條曲率信息進(jìn)行粗判定損傷狀況，若判定為撕裂則直接向上位機(jī)傳送警報(bào)信號(hào)，由上位機(jī)對(duì)該處三維重建后得到撕裂深度信息；若判定為損傷，則將點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送至中控臺(tái)，待上位機(jī)對(duì)該處進(jìn)行三維重建，再計(jì)算該點(diǎn)與附近點(diǎn)深度的差值來復(fù)判斷受損程度，并給出損傷深度值。中央控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)輸送帶三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、撕裂再判定及控制牽引設(shè)備執(zhí)行調(diào)速、停機(jī)指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CCD相機(jī)與FPGA接口電路

圖像傳感器是整個(gè)輸送帶撕裂檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，高質(zhì)量的采集圖像能保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。因此，圖像傳感器選用的高清CCD攝像頭模組型號(hào)為SHL-500W/N，其分辨率達(dá)2 592 pixel×1 944 pixel，輸出速度為全像素30幀/s。激光器采用一字線激光器，波長405 nm，輸出功率為100 mW，工作電壓DC 6 V。FPGA采用Spartan-6中的XC6SLX45T-2FGG484I芯片，其包含43 661個(gè)邏輯單元、296個(gè)I/O口、401 KB的分布式RAM、2 088 KB的RAM和116個(gè)18×18乘法器，可滿足輸送帶表面圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理和存儲(chǔ)等相關(guān)功能需求[11]。

2.2 SRAM與FPGA接口電路

因?qū)崟r(shí)采集的高分辨率輸送帶表面圖像數(shù)據(jù)量大，考慮到存儲(chǔ)器讀寫速度及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸及實(shí)時(shí)處理需達(dá)到平衡，為此，本文使用2片SRAM IS61WV102416BLL通過“乒乓存儲(chǔ)”方式實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的緩存工作。該SRAM是16 Mbit的高速靜態(tài)存儲(chǔ)芯片，采用TOPS封裝，48根管腳，其中20根分成4組用作地址線，16根分成4組用作數(shù)據(jù)線。SRAM與FPGA接口電路如圖3所示[12]。

圖3 SRAM與FPGA接口電路

圖像存儲(chǔ)模塊按照采集幀的順序?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)用于計(jì)算光帶的中心坐標(biāo)。本系統(tǒng)采用“乒乓存儲(chǔ)”的流水線操作方式，在節(jié)約緩沖區(qū)空間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率的數(shù)據(jù)處理。

2.3 5G無線通訊模塊接口電路設(shè)計(jì)

采用5G通訊模塊將檢測(cè)的輸送帶撕裂圖像傳輸至上位機(jī)并進(jìn)行三維形貌重建、顯示。5G通訊模塊采用華為NR工業(yè)級(jí)5G模塊MH5000-31 M.2遠(yuǎn)程傳輸輸送帶三維數(shù)據(jù)。該模塊由3.8～4.2 V電源供電。為能夠充分保證模塊正常工作，電源輸入前端增加2 200 μF的電解電容將電源紋波保證在500 mV以內(nèi)[13-14]。

3 系統(tǒng)檢測(cè)方法

3.1 輸送帶圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

CCD相機(jī)采集的輸送帶撕裂二維圖像經(jīng)激光三角原理，可轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的輸送帶撕裂表面三維形貌，其三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型

圖4中，CCD相機(jī)安置于輸送帶承載段，水平向下對(duì)準(zhǔn)輸送帶。設(shè)CCD相機(jī)中，圖像傳感器的像面中心為原點(diǎn)O，沿輸送帶表面行進(jìn)方向?yàn)閄軸，輸送帶橫向向前為Y軸建立二維坐標(biāo)系，相機(jī)獲取得到的激光條紋圖像經(jīng)噪聲去除和中心條紋提取后，剩下的中心條紋上每個(gè)像點(diǎn)的坐標(biāo)用(x，y)表示。

為了將三維空間坐標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系轉(zhuǎn)換至二維圖像像素點(diǎn)，故需要對(duì)視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。世界坐標(biāo)系中輸送帶表面每一點(diǎn)坐標(biāo)可用(xw,yw，zw)來表示。相機(jī)坐標(biāo)系中輸送帶表面每個(gè)與像點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)在其坐標(biāo)系下的坐標(biāo)用(xc，yc，zc)表示。相機(jī)鏡頭的焦距為f，輸送帶表面物點(diǎn)成像得到像點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)(x，y)和世界坐標(biāo)系的三維物點(diǎn)坐標(biāo)P(xw,yw,zw)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

=M1M2P

(1)

式中：zc為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)；M1為相機(jī)的外參數(shù)；M2為相機(jī)的內(nèi)參數(shù)；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；t為平移矩陣；dx、dy為像素點(diǎn)的寬高值；u0、v0為主點(diǎn)坐標(biāo)。

圖5為線激光器與相機(jī)各元件間相對(duì)位置關(guān)系。線激光器光軸與鉛垂線成一定角度將光線入射至輸送帶表面，成像透鏡將被測(cè)面反射的光線匯聚至感光芯片。

圖5 相機(jī)與激光器位置關(guān)系圖

設(shè)光點(diǎn)的像在感光面上移動(dòng)為x，輸送帶表面裂痕深度記為zw。則zw與x關(guān)系為

(2)

式中：α為線激光器光軸與相機(jī)鏡頭光軸之間的夾角；φ為線激光器軸線與鉛錘線的夾角；β為CCD圖像傳感器和相機(jī)鏡頭之間的夾角；L和L′分別為線激光器光軸和成像透鏡光軸交點(diǎn)的物距和像距。

3.2 輸送帶縱向撕裂粗判定

因輸送帶表面并非確定水平面，投射的激光線會(huì)產(chǎn)生一定的弧度與偏移，因此需要對(duì)線條的曲率進(jìn)行分析。相機(jī)采集到的激光線圖像點(diǎn)在三維坐標(biāo)中為y軸、z軸方向，經(jīng)圖像空間域?yàn)V波去除噪聲點(diǎn)后，線上點(diǎn)(ywi，zwi)的曲率分析如圖6所示。

圖6 激光線條曲率分析圖

圖6中，當(dāng)輸送帶表面出現(xiàn)撕裂狀況時(shí)，撕裂處條紋曲率變化率會(huì)明顯高于正常段。依據(jù)此特征，便可從激光線坐標(biāo)信息中提取可能出現(xiàn)撕裂的點(diǎn)。

假設(shè)激光線的線條函數(shù)為zw=f(yw)，線上某一點(diǎn)的函數(shù)信息可以直接用z軸坐標(biāo)zw表示。該點(diǎn)的曲率ρi計(jì)算公式如下：

(3)

從線條中取鄰近兩點(diǎn)，計(jì)算曲率差值Δρi=ρi-ρi-1：當(dāng)|Δρi|<0.15時(shí)，判定該點(diǎn)未出現(xiàn)縱向撕裂，不需進(jìn)行三維重建；當(dāng)|Δρi|>0.65時(shí)，直接斷定該點(diǎn)發(fā)生縱向撕裂，并在后續(xù)三維重建中得到該處撕裂深度信息；若0.15≤|Δρi|≤0.65，初步斷定此點(diǎn)處帶面受損，數(shù)值越靠近右峰值，則愈趨于縱向撕裂狀況，待三維重建后再度進(jìn)行判定。

3.3 輸送帶三維數(shù)據(jù)重建

因CCD相機(jī)與線激光器每幀經(jīng)過去噪聲處理后的圖像是單元激光條紋，每次的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的是線狀的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為得到完整的輸送帶撕裂圖像，將連續(xù)采集的圖像進(jìn)行疊加，完成由線到面，實(shí)現(xiàn)三維重建。

三維數(shù)據(jù)采集終端采集空間上離散幾何點(diǎn)，輸送帶表面一系列空間采樣點(diǎn)構(gòu)成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由輸送帶表面數(shù)據(jù)點(diǎn)gi(xw,yw,zw)構(gòu)成的三維數(shù)據(jù)集G定義為[15]

G={gi(xw,yw,zw)，i=1,2,…,n}

(4)

3.4 輸送帶縱向撕裂再判定

為減小輸送帶撕裂檢測(cè)誤差，本文采用k-近鄰點(diǎn)云去噪算法[12]對(duì)采集的輸送帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。首先將輸送帶表面一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)gi(xw,yw,zw)的k-鄰域記為

KNB(gi)={h1,h2,…,hk}

(5)

式中：h1,h2,…,hk為數(shù)據(jù)點(diǎn)gi的k個(gè)近鄰點(diǎn)。

再計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)gi(xc,yc,zc)與其k-近鄰域內(nèi)各點(diǎn)的平均距離dm(gi)：

(6)

對(duì)獲取到的輸送帶表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做去噪工作，為計(jì)算出的dm(gi)設(shè)定一個(gè)合適的閾值d0。若某點(diǎn)dm>d0，即認(rèn)作離群噪聲點(diǎn)，為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性需將其去除。利用剩余點(diǎn)z軸坐標(biāo)求得均值z(mì)m，通過考慮輸送帶的厚度、粗糙度等因素，設(shè)定合適的閾值z(mì)0。將每點(diǎn)z軸坐標(biāo)與均值作差，根據(jù)差值所處區(qū)間來判定該點(diǎn)狀況。輸送帶表面異常點(diǎn)判定規(guī)則如表1所示。

表1 輸送帶表面異常點(diǎn)判定規(guī)則

若輸送帶表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)在光軸方向上的數(shù)值z(mì)w與zm差值的絕對(duì)值大于z0，則判定此處發(fā)生撕裂，上位機(jī)會(huì)給輸送帶裝置的控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)警告，并及時(shí)保存撕裂深度信息、撕裂位置、撕裂狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)搭建的便攜式高精度輸送帶縱向撕裂視覺檢測(cè)系統(tǒng)如圖7所示。試驗(yàn)平臺(tái)是長約3.5 m的帶式輸送機(jī)，輸送帶帶寬500 mm，帶速為1 m/s，相機(jī)的水平焦距和垂直焦距都調(diào)整為3.78 mm，線激光器出光口與CCD相機(jī)鏡頭光心的水平安置距離為40 cm；相機(jī)光路軸線、線激光器軸線與鉛錘線的夾角分別為30°、15°。

圖7 便攜式高精度輸送帶縱向撕裂視覺檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于MATLAB編程語言，實(shí)時(shí)處理終端設(shè)備采集的圖像。系統(tǒng)操作界面如圖8所示。

圖8 GUI程序界面

圖9為系統(tǒng)對(duì)輸送帶某處損傷取幀圖像及檢測(cè)結(jié)果。由于該處鄰近5點(diǎn)曲率變化較大，通過粗判定即可確認(rèn)該處發(fā)生縱向撕裂[15]，無需再判定。

圖9 縱向撕裂檢測(cè)結(jié)果示意圖

選取輸送帶損傷部分的4個(gè)點(diǎn)，用卡尺測(cè)量其深度值，將10次實(shí)驗(yàn)后這些點(diǎn)處的深度平均值與檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)算的深度值相比較，可得出輸送帶撕裂深度誤差統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2數(shù)據(jù)表明：使用本文測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的輸送帶裂紋深度測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量值非常接近，4個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量的平均誤差率小于2.8%，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)期[16]。

表2 輸送帶撕裂深度誤差統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的便攜式高精度輸送帶縱向撕裂視覺檢測(cè)系統(tǒng)采用FPGA作為邊緣計(jì)算模塊，結(jié)合激光三角法與5G遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，解決了中央控制平臺(tái)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)輸送帶縱向撕裂的難題，克服了傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)技術(shù)可靠性差、準(zhǔn)確度低以及易受環(huán)境和污物影響等缺陷，通過結(jié)合粗判定、再判定的方式降低了數(shù)據(jù)傳輸及計(jì)算量，同時(shí)針對(duì)輸送帶狀態(tài)的檢測(cè)精度、數(shù)據(jù)通信、功能拓展等發(fā)展需求給出了系統(tǒng)方案。本系統(tǒng)便攜性好、檢測(cè)效率高、誤判率低，將有助于帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)作，使得運(yùn)輸作業(yè)的工作效率有所提升。