一种基于双目线激光相机的皮带跑偏监测系统及方法与流程

1.本技术涉及煤矿开采自动化领域，具体为一种基于双目线激光相 机的皮带跑偏监测系统及方法。


背景技术：

2.皮带运输机在煤矿的应用越来越广泛，对皮带的预警和保护措施 越来越重要。皮带跑偏是皮带机在运行过程中最常遇到的现象，皮带 跑偏到一定程度时，会触发皮带机反偏转器，导致皮带机不能正常运 行，影响正常的生产效率和进程。损坏设备的主要部件，皮带跑偏后 会使滚简、托辊承受的轴向力增加，引起滚简窜轴，托辊轴承损坏。 跑偏会使物料洒落到回程皮带上，引起皮带与滚简非正常磨损，缩短 了滚筒和皮带的使用寿命。因此，针对皮带机跑偏原因，采取相对应 的措施进行处理显得十分重要。
3.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本技术实施例提供一种基于双目线激 光相机的皮带跑偏监测系统及方法，提高了跑偏检测精度和实时性。
5.第一方面，本技术实施例解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种基于双目线激光相机的皮带跑偏监测系统，包括数据采集模块和 后端处理器；
6.所述数据采集模块至少包括一个双目线激光相机，所述双目线激 光相机安装在目标皮带上方，且用于在所述目标皮带运行时，获取所 述目标皮带上部的点云数据；
7.所述后端处理器至少包括一个数据处理模块，所述数据处理模块 用于获取所述目标皮带上部的点云数据，进行跑偏计算。
8.进一步的，对所述点云数据，具体是采用一种滑动窗口思想构建 单位时间内的点云，对单位时间内的点云进行边缘检测，对提取到所 有的边缘点，去掉将头部与尾部的所述边缘点，只留下皮带两边的边 缘点集，根据点云边缘点集进行跑偏计算。
9.进一步的，所述边缘点的提取包括提取第一条线与最后一条线的 x值，提取点云的y值范围，去掉横坐标值为x切纵坐标在y值范 围的点。
10.进一步的，所述跑偏计算方式包括：a.记录激光在皮带位置的皮 带边缘三维坐标信息，b.计算初始的皮带边缘与相机中心点之间的夹 角，c.通过计算的实时皮带边缘点集计算与相机中心点之间的夹角， d.通过初始的皮带边缘与相机中心点之间的夹角与实时皮带边缘点 计算与相机中心点之间的夹角计算跑偏角度。
11.进一步的，还包括后端控制单元；
12.所述后端控制单元的输入端与所述数据处理模块的输出端连接。
13.进一步的，所述后端控制单元的输出端连接有声光报警器，所述 声光报警器用于根据接收的声光报警指令执行声光报警操作。
14.第二方面，一种基于双目线激光相机的皮带跑偏监测系统的方 法，其特征在于，
包括所述一种基于双目线激光相机的皮带跑偏监测 系统，以及以下步骤：
15.s1.获取目标皮带上部的点云数据；所述点云数据是通过安装在 目标皮带上方的双目线激光相机所采集的；
16.s2.利用滑动窗口思想构建单位时间内的点云，对单位时间内的 点云进行边缘检测，并提取边缘点形成边缘点集；
17.s3.基于点云边缘点集计算所述目标皮带的跑偏角度并与设定阈 值对比判断是否跑偏，根据所述计算的跑偏角度，判断是否大于设定 阈值，若是则认为出现皮带跑偏，并进一步进行报警联动处理，若否 则认为皮带正常。
18.本技术的技术效果是：
19.1.通过点云处理技术实时在线识别双目线激光投射在目标皮带 上部的点云数据；其次对单位时间内的点云数据进行边缘检测，提取 边缘点形成边缘点集；然后基于点云边界计算皮带跑偏角度。相比于 图像及单道线性激光，本发明采用的双目线激光，提高了跑偏检测精 度。
20.2.本发明复杂度低，可运行于矿用本质安全型嵌入式设备现场分 析及决策，无需将数据传输至上位机，避免了时间延迟，满足检测的 实时性和准确性需求。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发 明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较 佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
22.图1为本技术实施方式提供的一种基于双目线激光相机的皮带 跑偏监测系统框图；
23.图2为本技术实施方式提供的一种基于双目线激光相机的皮带 跑偏监测系统的方法的流程图。
具体实施方式
24.本发明的目的是提供了一种基于双目线激光相机的皮带跑偏监 测系统及方法，主要是利用双目测距技术、点云处理技术对皮带跑偏 进行检测。具体为：利用双目线激光相机实时获取皮带上部的点云数 据，对单位时间内的点云数据进行边缘检测，并提取边缘点形成边缘 点集，基于点云边界计算皮带跑偏角度并与设定阈值对比判断是否跑 偏，相比基于可见光和单线性激光方法而言，准确率更高。本发明能 够实时对皮带进行跑偏检测和跑偏角度计算并输出报警信息，对皮带 的智能检测与保护有较大的应用价值。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结 合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.实施例一
27.如图1所示，本发明实施例提供的一种基于双目线激光相机的皮 带跑偏监测系统主要包括数据采集模块和后端处理器。
28.所述数据采集模块至少包括一个双目线激光相机；所述双目线激 光相机安装在目标皮带上部；所述双目线激光相机用于在目标皮带运 行时，获取目标皮带上部的点云数据；所述双目线激光相机是按照固 定频率进行工作的。
29.所述后端处理器至少包括一个数据处理模块。所述数据处理模 块，用于：
30.首先，获取所述目标皮带上部的点云数据；其次对所述单位时间 内的点云进行边缘检测，对提取到所有的边缘点，去掉将头部与尾部 的边缘点，只留下皮带两边的边缘点集；最后根据所述点云边缘点集， 进行跑偏计算，判断计算的跑偏角度否大于设定阈值，若是则认为出 现皮带跑偏，并进一步进行报警联动处理，若否则认为皮带正常。
31.其中，该数据处理模块的硬件结构为hi3559开发板。
32.进一步地，所述后端处理器还包括辅助模拟量输入模块、辅助模 拟量输出模块、dc12v输入模块、dc12v输出模块、系统管理模块 (系统管理模块用于设置后端处理器各项参数)。
33.数据处理模块内部移植有相关应用算法以及交互界面，完成对点 云数据的提取、跑偏检测处理、算法结果表达。算法结果表达包含模 拟量输出，同时兼容modbustcp、tcp、数据库常见的网络通讯输出。
34.优先地，还包括后端控制单元；
35.所述后端控制单元的输入端与所述数据处理模块的输出端连接， 所述后端控制单元的输出端与所述声光报警器连接，所述声光报警器 用于根据接收的声光报警指令执行声光报警操作。
36.优选地，所述后端控制单元为plc或者其他设备。
37.后端处理器输出的模拟量信号到后端控制单元进行联动控制或 者报警输出。联动控制包括对皮带停机控制及声光报警器控制，一旦 算法检测到皮带出现跑偏现象并达到相关设定报警界限时立刻进行 声光报警，并对皮带进行停机操作，避免发生更大的损失。
38.进一步地，后端处理器与后端控制单元之间通过电缆或者光缆连 接。
39.实施例二
40.为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于双目线激光相机的 皮带跑偏监测方法，如图2所示，包括：
41.s1：获取目标皮带上部的点云数据；所述点云数据是通过安装在 目标皮带上方的双目线激光相机所采集的；
42.s2：对单位时间内的点云数据进行边缘检测并提取边缘点形成边 缘点集。利用滑动窗口思想构建单位时间内的点云，对单位时间内的 点云进行边缘检测，判断点云p边缘点集的过程如下：
43.a)对点云o中任意点oi设定搜索半径r，并将搜索半径 r内的领域点记为集合n(oi)，即 n(oi)＝{oj|oj∈o，||o
i-oj||＜r}。
44.b)设定曲面方程ax by cz＝d(d≥0)，a2 b2 c2＝1，取oi对应的集合n(oi)， 计算n(oi)到曲面的距离di＝|ax by cz-d|，求解最小时对应的特征向量即 为改点的法向量n。
45.c)根据oi和其法向量n做该点的切平面ω，将集合n(oi)内的点投影到切平面ω上， 记为n(oi′
)。在n(oi′
)中取一点oj′
，以为u轴，n为w轴，u
×
w为v轴，以oi为 坐标中心构建局部坐标系，记为(oi，u，v，w)。
46.d)分别计算集合n(oi)中其他点on到点oi的向量 oion与坐标轴u的顺时针夹角对相邻夹角 两两做差得到夹角集合其中：
47.ε
n-1
′
＝ε
n-ε
n-1
48.为相邻两向量之间的夹角，将集合中的元素降序排 列，找出其中最大的夹角ε
max
′
，当ε
max
′
大于阈值(一般取 π/2)时，认为该点为边缘点。
49.提取到所有的边缘点之后对将头部与尾部的边缘点去掉，只留下 皮带两边的边缘点集，具体步骤如下：
50.a)提取第一条线与最后一条线的x值。
51.b)提取点云的y值范围。
52.c)去掉横坐标值为x切纵坐标在y值范围的点。
53.s3：基于点云边界计算所述目标皮带的跑偏角度并与设定阈值对 比跑到是否跑偏，步骤为：
54.a)记录激光在皮带位置的皮带边缘三维坐标信息。
55.b)计算初始的皮带边缘与相机中心点之间的夹角。
56.c)通过计算的实时皮带边缘点集计算与相机中心点之间的夹角。
57.d)通过初始的皮带边缘与相机中心点之间的夹角与实时皮带边 缘点计算与相机中心点之间的夹角计算跑偏角度。
58.e)根据所述计算的跑偏角度，判断是否大于设定阈值，若是则 认为出现皮带跑偏，并进一步进行报警联动处理，若否则认为皮带正 常。
59.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
60.本发明激光设备可根据精度和时效性设置采集点云的密度和数 量，同时可配合使用并发分块处理的思想实现皮带跑偏检测，检测速 度可实现在200ms内，跑偏角度检测准确率达98％，误报率小于2％。
61.核心算法实现部署在边端设备hi3559板上，该设备为矿用本安 型设备，系统稳定性好，容错率高，不受环境的电磁环境干扰；嵌入 式算法移植，支持边缘计算，可大幅降低中心服务器的运算压力，在 井下环网出现问题时仍然保持正常工作，提升了系统的稳定性。
62.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明 所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人 员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变 动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的 显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。