基于機器視覺的礦用輸送帶縱向撕裂檢測系統(tǒng)設(shè)計

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)濟和財產(chǎn)損失[1]。本文利用機器視覺方法設(shè)計的井下檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對輸送帶表面情況的實時監(jiān)控和檢測。

1 機器視覺理論

機器視覺是一種利用光學(xué)元件、圖像傳感器等設(shè)備，自動對物體進行圖像采集和相關(guān)處理的先進技術(shù)，其處理結(jié)果可以用于控制各種機械設(shè)備的工作情況。通俗來講，機器視覺是用現(xiàn)代機器設(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，機器視覺技術(shù)具有非接觸、經(jīng)濟、靈活、可靠等優(yōu)點。

典型的機器視覺系統(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行后續(xù)操作。圖像處理部分主要由計算機處理裝置（通常為PC機或嵌入式系統(tǒng)），根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求，對接收到的圖像進行調(diào)整和處理，達到預(yù)期結(jié)果。輸出控制部分可根據(jù)系統(tǒng)功能要求進行靈活組合，如加入控制平臺、報警設(shè)備等，實現(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相機這一主要設(shè)備用來獲取輸送帶的實時圖像，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，在壓力和輸送帶運行張力的作用下，裂痕也不斷擴大[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相機安裝于靠近機頭落料口位置的輸送帶底部。安裝時，使相機與輸送帶的中線位置對齊，并設(shè)置相機光軸與輸送帶底面保持垂直，調(diào)整相機和輸送帶間的距離，使相機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相機間隔固定時間自動獲取輸送帶的表面情況。

（2）下位機處理平臺

相機獲取到的輸送帶實時圖像通過礦用阻燃屏蔽通信電纜傳輸至下位機平臺，下位機處理平臺的主要設(shè)備為PC機。為完成對輸送帶事故的及時報警和生產(chǎn)控制，下位PC機安放于井下運輸輸送機組的控制系統(tǒng)附近，并通過礦用通信線路連接報警裝置以及輸送機組的控制系統(tǒng)。下位PC機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行檢測處理，當(dāng)檢測到事故發(fā)生時，下位機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)事故報警和輸送機生產(chǎn)控制的工作。當(dāng)接收到下位機平臺發(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組的工作控制系統(tǒng)，使其開關(guān)動作控制輸送機及時停機，防止事故范圍擴大。

3 輸送帶檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了達到更好的檢測效果，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相機進行校準(zhǔn)和標(biāo)定。下位機輸出的事故信號應(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行表示。見圖2.

圖2 系統(tǒng)軟件處理流程圖

下位機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：

（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行增強，增強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行判斷，從而實現(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、圖像分割能力較好的最小誤差法對預(yù)處理后的圖像進行分割。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，這種特點在圖像中連通區(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立連通區(qū)域進行面積計算，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)域為噪聲影響。對分割后圖像中的每個獨立連通區(qū)域進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，下位機處理系統(tǒng)輸出事故信號，連接報警器及控制系統(tǒng)進行相關(guān)動作。同時，下位機PC處理平臺顯示事故檢測結(jié)果，以便工作人員對事故進行判斷。

4 結(jié)語

采用機器視覺的方法，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)。實現(xiàn)了對礦井生產(chǎn)運輸現(xiàn)場輸送帶表面情況的實時監(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。