機器視覺在斗輪機無人值守中的應用

文/任斌濤 楊勇

火電廠輸煤系統中，斗輪機的無人值守已經在個別電廠初有成效，火電廠來煤時，相關當班人員只需在程控室，利用斗輪機遠程控制系統，就可將由輸煤皮帶運輸來的煤料，卸載至指定區域。在該類斗輪機無人值守控制系統中，首先利用大功率雷達料位計，獲取露天煤場的堆煤高度數據，并結合激光盤煤數據，建立煤場3D模型；當班人員根據建立的模型，尋找最優堆煤點，并最終將煤料卸載至上述區域。當需要將煤料運輸至燃煤鍋爐時，當班人員根據現場煤堆高度信息，選取適宜的取煤點，并在控制室發出相應指令，完成斗輪機上煤操作。

上述控制方案雖實現了斗輪機遠程控制，使得工作人員無需進入斗輪機作業現場，大大減少了勞動強度，但仍未實現真正的無人值守。堆煤位置、取煤位置均需人工選擇，同時也需要工作人員對煤堆高度信息進行實施監測。因此，如何根據煤場實時三維信息，實現斗輪機完全自主選擇堆煤、取煤位置，并智能調節斗輪機運行區間，是本文的研究重點。

隨著人工智能的迅猛發展，其所包含的機器視覺技術在眾多領域得到大量應用，本文將利用機器視覺技術實現露天煤場煤堆的三維建模，采用邊緣檢測、圖像矩運算等，實現煤堆輪廓的智能識別，并結合基于分水嶺算法的圖像分割技術，幫助實現斗輪機無人值守。本文利用嵌入式硬件平臺，設計了基于嵌入式PC的上位機控制軟件。

1 系統總體設計

本文采用嵌入式PC作為開發平臺，采用3D數字攝像機獲取煤堆圖像信息，并以POE方式將視頻數據傳輸至斗輪機就地控制箱；采用激光掃描器，獲取煤堆外形特征數據，輔助機器視覺建立準確煤堆三維模型；控制箱內安裝有集成了機器視覺相關算法的嵌入式PC，軟件實時監測煤堆形態特征，計算最適宜的堆煤、取煤地點；嵌入式PC將最終計算的有關位置坐標、行走區間等信息傳輸至斗輪機PLC控制柜，最終由PLC控制斗輪機完成自主堆煤、取煤。同時，斗輪機就地控制箱可將斗輪機運行的狀態數據通過無線網絡傳輸至程控室上位機，在實現了硬件兼容與數據共享的同時，亦可實現控制室人員遠控操作。

安裝于斗輪機懸臂前端的數字攝像機負責采集斗輪機視野正前方的圖像信息，并將視頻信息壓縮打包，通過POE方式發送至斗輪機就地控制箱；斗輪機就地控制箱內集成的嵌入式PC負責實現有關機器視覺算法的實現，負責檢測煤堆輪廓、高度等數據，建立露天煤場實時三維模型，進而選取合適的堆煤、取煤位置。此外，該機器視覺算法具備人臉識別功能，當有人員意外進入作業區域時，可發出預警。

安裝于斗輪機機載司機室的PLC控制系統，負責斗輪機的行走、懸臂控制、取煤、卸煤等功能，機器視覺單元將計算所得的位置本文在實現了斗輪機無人值守的同時，也保留了人工控制的功能，司機仍然可以通過手控方式，實現對斗輪機的操作。

本項目同時利用Canny 邊緣檢測算子實現煤堆外輪廓的檢測。Canny 算子可檢測露天煤廠中煤堆的實際邊緣，具有較高識別精度；Canny 算子對圖像中邊緣只標記一次，不會把存在的圖像噪聲標記成邊緣。

Canny 邊緣檢測算子的操作步驟如下：

（1）去噪聲：原始視頻會含有一定的噪聲，本文先利用高斯濾波、中值濾波等手段，將圖像中的噪聲濾除。

（2）梯度計算：利用導數算子來找到圖像灰度沿兩個方向的導數。設點(i, j)處兩個方向的導數分別為Gx、Gy，則

則點f(i,j)處的梯度的幅值G和方向θ為：

（3）確定梯度方向：確定了邊緣的方向之后，按照不同梯度方向獲得鄰域內的像素。

（4）遍歷圖像：將某個像素點的灰度值與其梯度方向上的像素作閾值判斷，介于閾值之外的像素，判定該像素點不是邊緣，其灰度值為 0。

（5）計算雙閾值：設定高低兩個閾值，如果某個像素點的灰度值高于高閾值，則該像素點是邊緣；如果低于低閾值，則該像素點一定不是邊緣。

2 硬件設計

本文主要設計開發了視頻采集控制器、激光掃描控制器、斗輪機就地控制箱。

2.1 視頻采集控制器

視頻采集控制器采用STM32微控芯片作為中央處理器，STM32 系列產品基于低功耗的 ARM Cortex-M4處理器內核， 內部集成SPI、SCI、以外網接口等模塊。其最小系統包括電源電路、JTAG電路、無線通信擴展電路等。其中電源電路采用AMS1117-3.3電源芯片，該芯片可以輸出相應電壓供STM32內核使用。同時，高速JTAG電路，可保證代碼燒寫以及在線仿真的速度。該視頻采集控制器模塊包含電源轉換模塊、數字高清攝像機、以太網接口、輔助照明控制單元、無線通信單元等。其中，電源轉換模塊采用金升陽ACDC轉換模塊，將AC220V轉換為DC12V、DC5V，分別給數字攝像機、STM32主控芯片供電。采集的視頻通過POE方式傳輸至斗輪機就地控制箱。

圖1：上位機畫面

圖2：程控室畫面

2.2 激光掃描控制器

斗輪機機體外架設激光探頭，通過激光器的環視掃描，獲取煤堆外形數據，該控制器包含激光探頭、云臺、探頭清灰裝置等組成。因煤場在堆煤、取煤作業時，揚塵嚴重，斗輪機在長期運行中，探頭表面的積灰會導致探頭性能下降，影響了探測精度。本文設計了基于壓縮氣體的氣動清灰裝置，同時加裝清潔刷配合清灰，經過實際檢驗，可完全滿足現場作業需求。

2.3 斗輪機就地控制箱

斗輪機就地控制箱采用嵌入式PC為控制主板，主板移植嵌入式linux操作系統，基于QT5.6.0集成開發環境開發斗輪機智能控制軟件。斗輪機就地控制箱包含斗輪機行走控制單元、懸臂控制單元、機器視覺處理單元、無線通信單元、以太網通信單元等。斗輪機行走控制單元包含行走電機控制器、防碰撞預警開關、聲光報警器；懸臂控制單元包含4-20mA模擬輸出通道，用來給定調節懸臂角度和方向；機器視覺處理單元集成基于分水嶺法背景差分法等機器視覺智能算法，圖像經過濾波，二值化，目標識別與圖像分割，有效識別煤堆外形以及人員特征。無線通信單元采用2.4GHzzigbee通信終端，利用RS485接口與嵌入式PC相聯。同時，就地控制箱可將運行狀態數據回傳至程控室。

3 上位機軟件設計

本文設計的基于機器視覺的斗輪機無人值守控制系統，可自主實現斗輪機堆煤、取煤，無需人工干預。斗輪機就地控制箱同時可將所有運行狀態數據傳輸至程控室上位機，供當班人員查看。必要時，程控室人員可使用最高權限，人工遠程操作斗輪機。本文設計了上位機監控軟件，可顯示當前斗輪機位置、斗輪機前端畫面、沿線皮帶機畫面、斗輪機全景畫面等信息。軟件界面如圖1所示，圖2位程控室操作畫面。

4 小結

本文提出了基于機器視覺的斗輪機無人值守控制系統，實現了機器視覺技術在傳統輸煤系統的應用探索，并利用激光掃描等先進技術，建立了煤場三維模型，實現了煤場的可視化控制，又減少了人工，具有重要社會和經濟效益。