基于多道線性激光的帶式輸送機(jī)縱向撕裂檢測

徐輝， 劉麗靜， 沈科， 鄒盛

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦井下主要運(yùn)煤設(shè)備，運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)鐵器等夾雜在落煤中壓砸輸送帶，導(dǎo)煤槽、清掃器等與輸送帶之間卡入硬質(zhì)異物，錨桿、釬子等尖銳異物刮扯輸送帶等情況，易導(dǎo)致輸送帶縱向撕裂。為避免進(jìn)一步損失，需進(jìn)行輸送帶縱向撕裂檢測[1]。

現(xiàn)有的輸送帶縱向撕裂檢測方法分為接觸式與非接觸式2類[2]。常見的接觸式檢測方法包括測力法、嵌入法、線圈探測法、拉力檢測法等；非接觸式檢測方法包括閉合線圈法、X射線法、機(jī)器視覺法等[3]。接觸式檢測方法因準(zhǔn)確度較低、有磨損，逐漸被非接觸式檢測方法代替。非接觸式檢測方法中的機(jī)器視覺法因損耗小、準(zhǔn)確度較高、維護(hù)簡單等優(yōu)勢[4-5]，得到越來越多的關(guān)注和研究。

基于機(jī)器視覺檢測輸送帶縱向撕裂的方法[6-7]主要分為2類：針對可見光或紅外光圖像進(jìn)行分析；針對線性輔助激光圖像進(jìn)行分析。第1類方法的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確分割輸送帶圖像上的撕裂損傷。文獻(xiàn)[8-11]分別采用最大類間方差法、閾值迭代法、全局閾值法分割損傷。上述方法應(yīng)用于煤礦井下時，因光照較弱且不均勻，粉塵、濕度較大，輸送帶在運(yùn)行過程中上下振動且表面磨損程度不一，導(dǎo)致采集的圖像清晰度較低甚至模糊，撕裂損傷分割較困難。第2類方法借助投射在輸送帶表面的線性激光條紋(光條)特征變化判斷是否有撕裂損傷。文獻(xiàn)[12]將單道線性激光投射在輸送帶表面，利用最大值法提取光條骨架、鄰域差分確定斷點(diǎn)位置、二階導(dǎo)數(shù)判斷波動異常位置，進(jìn)而檢測并標(biāo)志輸送帶縱向撕裂區(qū)域；文獻(xiàn)[13]通過檢測投射到輸送帶表面的1條線性激光輪廓線的斷裂特征來識別縱向撕裂。上述方法只關(guān)注有無縱向撕裂，不涉及撕裂損傷的長度、寬度、深度等特征信息計(jì)算，無法實(shí)現(xiàn)對損傷的定位與趨勢跟蹤[14]。

本文提出一種基于多道線性激光的帶式輸送機(jī)縱向撕裂檢測方法。通過機(jī)器視覺實(shí)時連續(xù)在線分析多道線性激光投射在輸送帶表面的圖像特征，融合多幀圖像分析結(jié)果與帶式輸送機(jī)速度傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)縱向撕裂特征識別，損傷寬度、深度、長度定量分析，損傷定位跟蹤及損傷變化趨勢分析的一體化處理。采用多道線性激光較單道線性激光的檢測精度有較大提升，減小了損傷長度估算誤差。該方法復(fù)雜度低，可運(yùn)行于礦用本質(zhì)安全(簡稱本安)型嵌入式設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場分析及決策，無需將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，避免了時間延遲。

1 方法原理

帶式輸送機(jī)縱向撕裂檢測方法基于礦用本安型工業(yè)相機(jī)、礦用本安型結(jié)構(gòu)光發(fā)射器和礦用本安型多傳感融合計(jì)算盒實(shí)現(xiàn)，采用機(jī)器視覺技術(shù)，對帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中的輸送帶上下表面進(jìn)行實(shí)時掃描和分析，融合速度傳感器輸出值，對輸送帶縱向撕裂進(jìn)行檢測與跟蹤。

該方法主要包括數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)融合2個部分，流程如圖1所示。數(shù)據(jù)分析主要針對單幀圖像進(jìn)行處理，以提取單幀圖像撕裂損傷特征及標(biāo)志物特征；數(shù)據(jù)融合主要針對多幀圖像分析結(jié)果進(jìn)行融合計(jì)算，以定位撕裂損傷在輸送帶上的縱向位置并跟蹤損傷變化趨勢。

圖1 帶式輸送機(jī)縱向撕裂檢測方法流程

2 數(shù)據(jù)分析

獲取輸送帶圖像后，對單幀圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括：形態(tài)學(xué)處理與雙邊濾波，以去除圖像噪聲，使圖像平滑；采用大津法(即OTSU法[15]或最大類間方差法)提取圖像灰度閾值；根據(jù)圖像灰度閾值分割圖像前景并進(jìn)行二值化處理，分割出多道線性光條。之后依次進(jìn)行標(biāo)志物檢測、中心線提取、損傷特征提取操作。

2.1 標(biāo)志物檢測

人為在輸送帶指定位置粘貼反光條作為標(biāo)志物，以定位撕裂損傷在輸送帶上的縱向位置。標(biāo)志物圖像如圖2所示。由于反光條有反光效果，標(biāo)志物在圖像上呈現(xiàn)較粗的短光條段。

圖2 標(biāo)志物圖像

檢測輸送帶縱向撕裂時，檢測光條上下邊界，求取光條寬度。當(dāng)某一列上檢測到光條寬度超過鄰近列且差值在設(shè)定閾值[Wmin，Wmax]范圍內(nèi)，繼續(xù)檢測寬光條所占列數(shù)，即寬光條長度，當(dāng)其落在設(shè)定閾值[Lmin，Lmax]范圍內(nèi)時，認(rèn)為檢測到標(biāo)志物，記錄標(biāo)志物所在圖像幀的信息。

2.2 中心線提取

單道線性光條中心線提取一般采用灰度重心法、極值法、曲線擬合法、骨架細(xì)化法等[16]。其中灰度重心法、極值法、曲線擬合法不適用于多道線性光條中心線提取，而骨骼細(xì)化法運(yùn)算量大、效率較低。結(jié)合多道線性光條特點(diǎn)，提出一種分組中心點(diǎn)法提取多道線性光條中心線。假設(shè)有N道線性激光，設(shè)置1個N維數(shù)組用于存放每道光條中心點(diǎn)坐標(biāo)。光條中心線提取步驟如下。

(1) 尋找每道光條上下邊界。按列掃描二值化圖像，若檢測到像素值由0變?yōu)?55，則定義為光條上邊界，若像素值由255變?yōu)?，則定義為光條下邊界。

(2) 按列搜索，每搜索到1條光條的上下邊界，求取上下邊界終點(diǎn)，根據(jù)上下邊界終點(diǎn)的均值得到當(dāng)前光條在該列的中心點(diǎn)。

(3) 采用最近鄰聚類算法，將步驟(2)中求取的中心點(diǎn)歸類到N維數(shù)組中對應(yīng)的光條中心坐標(biāo)數(shù)組。

(4) 重復(fù)按列掃描，直到求取所有光條上的中心點(diǎn)。分組后的中心點(diǎn)連線即為光條中心線。

2.3 損傷特征提取

輸送帶完整時，線性光條形成多條近乎完整的光滑曲線，當(dāng)檢測到撕裂損傷時，曲線出現(xiàn)畸變或斷裂，如圖3所示。畸變或斷裂點(diǎn)處離散導(dǎo)數(shù)會出現(xiàn)較大的跳變。利用該特性可檢測線性光條中心線上的損傷邊界點(diǎn)。

圖3 線性光條圖像

對每道光條的中心線求離散導(dǎo)數(shù)。設(shè)定1個經(jīng)驗(yàn)閾值，當(dāng)中心線上某點(diǎn)的離散導(dǎo)數(shù)超過該閾值時，即為第1個損傷邊界點(diǎn)。在該點(diǎn)一定范圍的鄰域內(nèi)尋找第2個離散導(dǎo)數(shù)跳變點(diǎn)，即為第2個損傷邊界點(diǎn)。計(jì)算2個邊界點(diǎn)之間的距離，即為損傷在當(dāng)前位置的寬度特征值。在邊界點(diǎn)之間查找極值點(diǎn)，計(jì)算極值點(diǎn)到邊界點(diǎn)連線中點(diǎn)的垂直距離，即為損傷在當(dāng)前位置的深度特征值。

3 數(shù)據(jù)融合

3.1 數(shù)據(jù)融合計(jì)算

當(dāng)檢測到損傷結(jié)束點(diǎn)時，即完成1道光條上的損傷檢測與記錄。為了獲取整條完整損傷的特征值(包括長度、平均寬度、平均深度等)，需要分析損傷起點(diǎn)幀到結(jié)束幀的多幀圖像，并融合速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中f為工業(yè)相機(jī)采樣速率。

(2) 損傷平均寬度。計(jì)算從損傷起始幀A1到結(jié)束幀A2之間所有單幀圖像中損傷寬度特征值的平均值，得到整條損傷平均寬度：

(2)

式中Wi為單幀圖像上的損傷寬度特征值。

(3) 損傷平均深度。計(jì)算從損傷起始幀A1到結(jié)束幀A2之間所有單幀圖像中損傷深度特征值的平均值，得到整條損傷平均深度[17]：

(3)

式中Di為單幀圖像上的損傷深度特征值。

假設(shè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度為3 m/s，工業(yè)相機(jī)采樣速率為25 幀/s，則采用單道線性激光檢測并計(jì)算損傷長度時誤差為24 cm，采用3道線性激光(光條間隔為8 cm)時誤差為4 cm，為采用單道線性激光時的1/6。

3.2 損傷定位

針對已檢測到的標(biāo)志物，求取損傷起點(diǎn)距標(biāo)志物的縱向長度作為損傷縱向位置，求取損傷起點(diǎn)在輸送帶上的位寬占比定位損傷橫向位置。綜合橫縱向位置，得到損傷在輸送帶上的二維坐標(biāo)。

縱向位置為

(4)

橫向位置為

R=x0/P

(5)

式中：R為損傷起點(diǎn)在輸送帶上的位寬占比；x0為損傷起點(diǎn)相對于輸送帶左側(cè)邊緣的坐標(biāo)；P為輸送帶寬度所占的像素值。

3.3 損傷跟蹤與趨勢分析

在煤礦生產(chǎn)中，若檢測到短、窄、淺的輸送帶縱向撕裂就報警停機(jī)，會給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，對輸送帶縱向撕裂損傷進(jìn)行跟蹤，實(shí)時分析損傷變化趨勢，當(dāng)損傷變長、變寬、變深并超過閾值時，及時提醒檢修人員，對于超過相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的損傷發(fā)出停機(jī)信號。當(dāng)損傷被處理后，帶式輸送機(jī)繼續(xù)工作，持續(xù)檢測并跟蹤損傷變化，完成損傷實(shí)時監(jiān)控。

定義損傷趨勢因子：

(6)

式中ω0，ω1，ω2分別為損傷長度、平均寬度、平均深度系數(shù)。

根據(jù)損傷定位結(jié)果，在數(shù)據(jù)庫中搜索同一損傷的記錄，根據(jù)2次記錄的損傷特征值計(jì)算損傷趨勢因子并進(jìn)行比較，判斷損傷變化趨勢。若長度、寬度、深度特征值中任1個或多個明顯增大，則損傷趨勢因子增大，可判定損傷有更加嚴(yán)重的趨勢，超過設(shè)定閾值則提醒檢修。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括帶式輸送機(jī)、礦用本安型結(jié)構(gòu)光發(fā)射器、礦用本安型工業(yè)相機(jī)、礦用本安型多傳感融合計(jì)算盒等，如圖4所示。結(jié)構(gòu)光發(fā)射器與工業(yè)相機(jī)固定在帶式輸送機(jī)機(jī)架上，位于上下輸送帶之間。結(jié)構(gòu)光發(fā)射器向上輸送帶背面發(fā)射3道線性激光，工業(yè)相機(jī)鏡頭朝向上輸送帶背面，與結(jié)構(gòu)光發(fā)射器相向，用于采樣3道線性激光覆蓋的輸送帶區(qū)域圖像，采樣速率設(shè)定為25 幀/s。

(a) 安裝示意

在試驗(yàn)輸送帶上人為設(shè)置1處縱向撕裂損傷及標(biāo)志物，如圖5所示。

圖5 輸送帶縱向撕裂損傷及標(biāo)志物圖像

4.2 單幀圖像損傷檢測

檢測單幀圖像損傷時，在提取的中心線圖像中用2個圓標(biāo)志損傷的雙側(cè)邊界點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 單幀圖像損傷檢測結(jié)果

當(dāng)檢測到中心線上的反光條特征時，識別為標(biāo)志物，如圖7所示。

圖7 標(biāo)志物檢測結(jié)果

4.3 多幀圖像數(shù)據(jù)融合及趨勢分析

輸送帶縱向撕裂損傷參數(shù)設(shè)置：與標(biāo)志物距離為8 m，損傷長度為0.73 m，損傷平均寬度為0.01 m，損傷平均深度為0.008 m。在帶式輸送機(jī)不同運(yùn)行速度下，采用本文方法檢測縱向撕裂，每種速度下測試60組。定義輸送帶有撕裂損傷為正例，無縱向撕裂為負(fù)例。設(shè)將正例判為正例為TP，負(fù)例判為正例為FP，負(fù)例判為負(fù)例為TN，正例判為負(fù)例為FN。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。之后將縱向撕裂損傷加長至0.95 m，其他參數(shù)不變，進(jìn)行第2組測試，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

表1 損傷長度為0.73 m時部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表

表2 損傷長度為0.95 m時部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知：采用本文方法能夠檢測出帶式輸送機(jī)有無縱向撕裂損傷，準(zhǔn)確率達(dá)100%；損傷長度計(jì)算誤差平均值為0.06 m，損傷平均寬度、平均深度計(jì)算誤差平均值均為0.001 m，對損傷特征信息的計(jì)算較準(zhǔn)確；損傷縱向位置計(jì)算誤差不超過0.1 m，定位較準(zhǔn)確。試驗(yàn)設(shè)置ω0，ω1，ω2分別為10，1 000，100，根據(jù)式(6)可知損傷長度為0.95 m時趨勢因子較0.73 m時大，判斷損傷有擴(kuò)大趨勢。

5 結(jié)論

(1) 針對煤礦井下帶式輸送機(jī)工作區(qū)域昏暗、潮濕、粉塵大條件下視頻圖像模糊，難以識別輸送帶縱向撕裂損傷的問題，采用結(jié)構(gòu)光發(fā)射器向輸送帶表面發(fā)射多道線性激光，通過分析線性光條畸變特征檢測輸送帶縱向撕裂損傷，方法簡單，且具有較高的檢測準(zhǔn)確度。

(2) 為便于跟蹤輸送帶縱向撕裂損傷變化趨勢，在輸送帶表面人為粘貼反光條作為標(biāo)志物，以定位損傷縱向位置，并將該位置作為判斷損傷變化的唯一標(biāo)志。該方法工程施工難度低，能夠?qū)崟r檢測并跟蹤輸送帶縱向撕裂損傷趨勢，為帶式輸送機(jī)檢修提供了有效依據(jù)。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，基于多道線性激光的帶式輸送機(jī)縱向撕裂檢測方法能夠準(zhǔn)確檢測帶式輸送機(jī)有無縱向撕裂，損傷長度計(jì)算誤差平均值為0.06 m，損傷平均寬度、平均深度計(jì)算誤差平均值為0.001 m，縱向定位誤差不超過0.1 m，并可準(zhǔn)確判斷縱向撕裂發(fā)展趨勢。該方法檢測速率達(dá)25幀/s，滿足現(xiàn)場實(shí)時性要求。