溫 超，李 冰，邵 來

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

散體顆粒在自然界中無處不在，例如金屬粉末、礦物砂石、糧食料堆等，在工程機(jī)械對于作業(yè)阻力的研究也有著重要的意義［1-2］。休止角（也被稱為安息角）是散體物料在自然界中自然形成的自由錐形體與水平面的夾角［3-4］，對于休止角（安息角）的研究，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，也獲得不少研究成果［4、7］，可以表征散裝物料的特性行為（包括物料特性、材料特性），并且隨著物料間摩擦系數(shù)的增大而增大，隨著散裝物料越接近于球形而減小，安息角將散裝物料特性與宏觀行為相聯(lián)系，并成為工程機(jī)械鏟裝作業(yè)阻力研究的重要物料特性參數(shù)［8］。目前測量安息角的物理實驗方法有：傾斜盒法［9］、轉(zhuǎn)筒法［10］、空心圓柱法［11］等，然而實驗室獲取的方法很難應(yīng)用于真實工況下工程機(jī)械對鏟裝阻力研究的影響且根據(jù)物理實驗測得安息角與真實該物料的安息角相差（4～5）°存在較大誤差，導(dǎo)致該物料的作業(yè)阻力測量存在較大差值，并在實際工況環(huán)境中物料堆由于體積很大，形狀有不規(guī)則，人工測量難度較大，且不能隨工程機(jī)械作業(yè)實時測量，因此需要一種新的方法去解決此類問題。

針對上述問題，采用機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過攝像機(jī)等圖像采集裝置提取目標(biāo)生成圖像信號，利用灰度圖像的陣列表示法和二值圖像表示法進(jìn)行圖像處理，通過Matlab 軟件編程判斷獲得安息角，此方法既可解決傳統(tǒng)測試方法不準(zhǔn)確度也可以運(yùn)用在實際工況下。

2 安息角測量系統(tǒng)總體方案

2.1 測量系統(tǒng)的總體框架

測量系統(tǒng)包括一臺相機(jī)、光源、計算機(jī)。工作過程為：將料堆通過圓筒無底洞法形成自然安息角，在其前面放置一臺攝像機(jī)與其同一水平，通過相機(jī)對其拍攝，獲得料堆輪廓及物料信息；然后通過電腦軟件對其圖像進(jìn)行圖像處理、獲得物料輪廓曲線、物料安息角、物料種類，如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)圖Fig.1 Measuring System Diagram

光源選用LED燈光，環(huán)形圍繞攝像頭，將光源調(diào)整到合適，可以提高圖像的對比度。將相機(jī)固定在環(huán)形燈光中間，通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接。計算機(jī)中的軟件包括可以運(yùn)行圖像采集、圖像處理、圖像分析于一體的程序。此測量系統(tǒng)將安置在裝載機(jī)工作裝置前端，通過在裝載機(jī)工作實驗臺進(jìn)行實驗測試真實工況下的鏟裝物料，此方法可以模擬真實工程機(jī)械在作業(yè)過程的作業(yè)情況。

2.2 測量流程

測量流程中主要包括3個模塊：采集、圖像預(yù)處理、檢測。根據(jù)測量系統(tǒng)的總體框架，設(shè)置處理流程，如圖2所示。

圖2 測量流程圖Fig.2 Flowchart of Measurement

圖3 同態(tài)濾波處理流程圖Fig.3 Homomorphic Filter Processing Flow Chart

圖4 采集圖像與濾波處理后的圖片F(xiàn)ig.4 Acquisition of Images and Filtered Images

3 物料料堆圖像預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集過程中，因為外界環(huán)境中光照，鏡頭清晰等外界環(huán)境問題和內(nèi)在客觀參數(shù)的影響，采集獲取的圖片信息對比度不高，反而圖像中存在較大噪聲，因此獲取物料輪廓時一定要進(jìn)行預(yù)處理。

3.1 灰度變換

攝像頭拍攝的圖像是彩色，因為黑白圖片的數(shù)據(jù)簡單且可靠性高，計算機(jī)容易識別信息，所以，將采集圖像進(jìn)行灰度變換，選擇加權(quán)平均法進(jìn)行灰度變換［12］，即：

式中：ωR、ωG、ωB—顏色分量R、G、B對應(yīng)的權(quán)重；Y—圖像轉(zhuǎn)為灰度圖后的像素值。

3.2 濾波去噪

采集圖像存在噪聲，為保證提取邊緣輪廓及包裝圖像對比度，采用高斯濾波和同態(tài)濾波聯(lián)合處理［13］。

第一步：利用高斯濾波對圖像處理。高斯濾波是利用高斯函數(shù)的分布曲線決定每個像素比重的一種線性平滑濾波。其表達(dá)式為：

第二步：高斯濾波后的圖片再進(jìn)行同態(tài)濾波處理，同態(tài)濾波是將像素灰度值比作光照度和反射率的兩個判斷方式。由于光照度相對變化小，就可以作為低頻部分，而反射率變化較大，成為高頻部分，通過與像元灰度對比影響，可以增加圖像的對比度。

3.3 閾值分割

圖像的閾值分割是利用圖像中需提取對象與無關(guān)對象在灰度上進(jìn)行差異化設(shè)定，使得圖像中出現(xiàn)不同灰度。根據(jù)物料圖像的特性，分為兩個區(qū)域，即：需提取對象、白色背景。根據(jù)采集到的圖像信息決定采用OTSU雙閾值分割算法［14］對去噪后的圖像進(jìn)行閾值分割。由于提取對象與背景灰度值較大，所以在算法中設(shè)置閾值T1= 175，根據(jù)閾值區(qū)分背景。目標(biāo)提取與背景分割閾值為T2，白色背景的像素點(diǎn)占總圖像的比例為ω0，平均灰度為μ0；無關(guān)目標(biāo)陰影背景的像素點(diǎn)占總圖像比例為ω1，平均灰度μ1；其對應(yīng)的像素點(diǎn)占總圖像的比例為ω2，平均灰度μ2，進(jìn)而圖像的總平均灰度為μ，類間方法g，如果所獲取的圖像背景比較亮度高，按照圖像長寬記為M*N，圖像像素值小于閾值T2的像素點(diǎn)個數(shù)記為N2；像素值大于T2、小于T1的像素點(diǎn)個數(shù)記N1；像素值大于T1的像素個數(shù)為N0。根據(jù)上述描述，其公式為：

通過此方法可以算出類間方差最大值，并可以獲得閾值T2。通過閾值分割得到的圖像，如圖5所示。

圖5 閾值分割后的圖像Fig.5 Threshold Segmentation Image

3.4 根據(jù)形態(tài)學(xué)處理圖像

由于圖像閾值后物料輪廓中還存在一部分白色像素點(diǎn)，不利于物料輪廓曲線的測量。于是選擇采用種子填充法［15］。其方法為從指定某個種子點(diǎn)開始，沿著輪廓邊界進(jìn)行搜索，對每個像素點(diǎn)周圍四鄰域進(jìn)行逐點(diǎn)判斷，并賦予其邊界圖像的灰度值［16］。

4 實驗驗證及分析

為驗證機(jī)器視覺識別物料安息角的可靠性，進(jìn)行了實驗驗證，保證光照條件穩(wěn)定下，采用相機(jī)像素點(diǎn)個數(shù)為（1248×640），并對其相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定［17］后，進(jìn)行安息角的測量。我們在真實環(huán)境中選取無煙煤、碎石作為參考對象，測量該物料的自然安息角，通過實際測得數(shù)據(jù)和機(jī)器視覺進(jìn)行測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗證可靠性和準(zhǔn)確度。人工測量方法為使用一通徑與桶高1：3的無底洞，將物料倒入桶中，在鉛直方向緩慢抬起，物料從桶底卸出，利用測量安息角的方法a=arctan（2H/D），得出物料安息角。人工測量和機(jī)器測量分別測量三種不同物料安息角求得平均值。

由于現(xiàn)有階段無法進(jìn)行真實工況下大型料堆的測量，于是選擇軟件EDEM模擬仿真，料堆按照已知安息角和物料間關(guān)系形成料堆，測量安息角與軟件設(shè)置的安息角進(jìn)行對比。模擬仿真中碎石按照顆粒形狀及大小比例落料，顆粒形狀：條狀、等徑方形、角狀，落料比例為8：1：1。

4.1 碎石堆測量安息角

現(xiàn)實碎石堆中砂石的顆粒大小不同，可分為小碎石顆粒（10～20）mm（包括（10～15）mm 和（15～20）mm 兩個粒組），中碎石顆粒（20～30）mm（包括（20～25）mm，（25～30）mm兩個粒組），大碎石顆粒（30～35）mm。所以根據(jù)不同的物料對應(yīng)的安息角不同，小碎石顆粒對應(yīng)的安息角為33.96°，中碎石顆粒安息角為32.11°，大碎石顆粒安息角為30.96°。為還原真實工況下的砂石堆，選擇混合碎石堆進(jìn)行測量，獲得左側(cè)碎石堆安息角34.5757°，右側(cè)碎石堆安息角30.8720°機(jī)器測量安息角平均值32.72385°，而人工測量碎石安息角平均值33.06°，相差1.02%，如圖6、表1所示。

表1 人工測量安息角Tab.1 Rest Angle Measured Manually

圖6 物料輪廓左側(cè)、右側(cè)曲線擬合圖Fig.6 Curve Fitting Diagram of Left and Right Sides of Material Contour

4.2 無煙煤測量

因為不同的物料對應(yīng)的安息角為固定值，通過無底洞圓筒測定無煙煤的安息角為28.22°，無煙煤通過程序自動識別測量的安息角左側(cè)為29.5631，右側(cè)為28.0504°，經(jīng)過均值處理后所得無煙煤安息角28.801°。計算得出機(jī)器視覺結(jié)果與該物料對應(yīng)安息角的相對誤差為2.06%，誤差值較小，可以說明無煙煤的實際測量安息角與程序識別安息角所得參數(shù)較為準(zhǔn)確，如圖7、表2所示。同理對碎石料堆進(jìn)行同樣的實驗。

表2 無煙煤人工測量安息角Tab.2 Rest Angle of Anthracite Manually Measured

圖7 無煙煤左側(cè)、右側(cè)輪廓曲線擬合圖Fig.7 Fitting Diagram of Left and right Contour Curves of Anthracite

圖8 模擬仿真的物料堆和處理后的物料堆Fig.8 Simulated Material Heap and Treated Material Heap

4.3 EDEM模擬仿真物料料堆測量

由于實際情況所限，無法進(jìn)行實際大型料堆測量安息角，因此通過軟件EDEM進(jìn)行模擬仿真落料，形成與真實環(huán)境中大型物料堆相近的形狀，通過對其進(jìn)行測量。其中軟件EDEM可以通過安息角的設(shè)置進(jìn)行落料，進(jìn)而可通過其設(shè)置安息角角度與測量安息角角度進(jìn)行分析。模擬仿真中碎石按照顆粒形狀及大小比例落料，顆粒形狀：條狀、等徑方形、角狀，落料比例為8：1：1。

由于物料圖是側(cè)視圖，只統(tǒng)計左側(cè)安息角，EDEM模擬真實環(huán)境同顆粒大小比例落料形成的安息角為31.74°，通過機(jī)器視覺測量實驗數(shù)據(jù)為31.1681°，相對誤差為1.7%，誤差較小，證明該程序測量下的安息角與EDEM軟件“模擬安息角”，證明識別和獲取安息角方法可行。

使用一通徑與桶高1：3的無底洞，將物料倒入桶中，在鉛直方向緩慢抬起，物料從桶底卸出，利用測量安息角的方法a=arctan（2H/D），得出物料安息角。仿真料堆的安息角曲線，如圖9所示。

圖9 仿真料堆的安息角曲線Fig.9 Repose Angle Curve of Simulated Pile

5 實驗數(shù)據(jù)分析

通過原始方法測量安息角存在系統(tǒng)誤差，由于物料在受鏟裝物料后會有散裝物料下落沖擊造成削峰現(xiàn)象和散裝物料在滑落過程中由于慣性作用導(dǎo)致物料落地后較零散，不容易形成連續(xù)型輪廓曲線，導(dǎo)致人工測量安息角不準(zhǔn)確。機(jī)器視覺由于物料堆輪廓不連續(xù)，存在誤差的原因有兩點(diǎn)：（1）對象物的背景顏色，其由于采取二值化處理方法，背景與物料顏色相近容易造成獲取對象物輪廓曲線存在雜物信息，導(dǎo)致對象物輪廓像素點(diǎn)識別有誤。（2）是物料顆粒形狀導(dǎo)致物料料堆輪廓無法近似為直線，通過像素點(diǎn)進(jìn)行測量安息角不準(zhǔn)確。通過上述數(shù)據(jù)，機(jī)器視覺識別無煙煤、碎石、EDEM 軟件料堆的安息角依然存在誤差，誤差分別為：2.06%、1.02%和0.003%、1.7%，按照誤差參數(shù)比對，誤差均在3%之內(nèi)，符合工程項目的誤差要求。

6 結(jié)語

提出一種通過機(jī)器視覺對物料輪廓將那些輪廓形態(tài)學(xué)處理，獲得物料特征信息，進(jìn)而獲得安息角參數(shù)的方法。該方法實現(xiàn)了快捷精準(zhǔn)的測量，測量結(jié)果與人工測量對比，誤差均在3%之內(nèi)，符合工程項目的誤差要求，該測量方法簡單快捷，且精度達(dá)到97%，為后續(xù)工程機(jī)械在真實工況下鏟裝物料過程中計算更為精準(zhǔn)的鏟裝阻力。