基于机器视觉和DSP技术的输煤皮带跑偏检测控制器

2018-08-31浙能温州发电有限公司杨明花

电子世界 2018年16期

浙能温州发电有限公司杨明花

西安华控智能系统工程有限公司高继严

1.引言

Opencv是一个在业界被广泛应用的跨平台机器视觉库。其拥有强大的跨平台、多语言支持能力，已经成为机器视觉领域最影响力的研发工具之一。目前，opencv已经成功应用到多个领域，例如人脸识别、车牌识别、智慧交通、智慧城市等。本文在充分学习与研究opencv视觉库的基础上，并结合火电厂输煤系统输煤皮带跑偏检测的工艺要求，成功将其移植至嵌入式平台。

目前国内火电厂输煤系统中，多采用输煤皮带机作为煤料运输的主要工具，且输煤皮带的跑偏检测多采用传统的机械式跑偏开关。传统的跑偏开关在使用时，需要铺设电缆以便将动作信号传输至控制室，不仅耗费了大量电缆，而且安装时的工作量大，随着使用时间的加长，机械结构的老化，其误动作的可能性也随之增大。本文在研究机器视觉有关算法的基础上，利用DSP嵌入式技术，设计了一种基于机器视觉的输煤皮带跑偏检测装置，该装置将目前较为前沿的机器视觉技术应用到了传统的火电厂输煤领域，为进一步替代传统的跑偏检测开关，奠定了前提基础。

2.系统软件设计

基于机器视觉的火电厂输煤皮带跑偏检测控制器，其实现原理是利用两台摄像机获取输煤皮带左右两侧的图像，利用相关边缘检测算法，准确识别输煤皮带边缘，设定皮带边缘合理的动态检测范围，当皮带跑偏发生时，即可控制有关输出回路，驱动继电器，实行紧急停车。有效防止跑偏程度的继续加重。输煤现场光照条件较差，为皮带跑偏的检测带来了困难，本文研究了多种机器视觉算法，实现了输煤皮带的跑偏的初步检测。

Canny边缘检测的实现原理是：从不同视觉对象中提取有关结构信息，减少对其他非关键信息的处理，大大减少需要处理的数据总量。该技术已经成为机器视觉领域主要的边缘检测算法之一。不同的视觉对象，其对边缘检测的要求却近乎一致，Canny算子便提供了一种标准化的边缘检测技术。

Canny算子一般的实现流程如下：利用高斯滤波器对视觉对象进行平滑处理，滤除其中的噪声；之后计算视觉对象中每一个像素点的梯级强度和方向；利用双阈值检测法来判定边缘；抑制其中的弱边缘并最终完成边缘检测。

本文总结和分析了输煤皮带跑偏的类型和原因，并搜集了有关实际生产活动中，输煤皮带跑偏的影像资料，总结了输煤皮带跑偏检测的特点和难点。提出了一种优化边缘检测算法。该算法具备较高的自适应性，有效克服了现有算法的局限性。

本文中提出的输煤皮带边缘检测算法主要包含图像预处理、基于混合高斯的背景建模、canny边缘检测等算法组成。具体步骤如下：对原始视频码流中的视频帧进行去噪、二值化处理。利用本文提出的改进型帧间差分法对前序操作处理后的视频帧做差分处理。将前序操作得到的差分运算结果进行混合高斯建模。模型初始化完成后，判断差分结果是否与某一时刻建立的高斯背景模型相匹配，若匹配，则设为初始点；不匹配则更新高斯背景模型。形态学生长以及边缘检测。

混合高斯建模完成后，用视频序列帧逐次与其做差分运算，接着为得到的像素点建立混合高斯模型，在对模型完成初始化之后，选取优先级较大的高斯分布作为背景模型合成的依据。经过混合高斯模型的运算处理，便可得到人形目标的二值图像。为了获取准确的人形目标，亦可对含有人形目标的相邻帧进行逻辑运算，并对图像进行去噪处理以及形态学生长，结合canny边缘检测算法，提高皮带跑偏准确度。

3.系统硬件设计

该智能检测装置采用TMS320F28335为中央处理器，包含DSP最小系统、以太网通信单元、WIFI接口单元以及配套app开发、紧急制动与告警单元、无线通信单元等。设备初始上电，利用WIFI通信接口以及配套开发的手机APP，对设备进行有关参数的初始化设定，通过以太网接口将现场2路摄像机的采集的输煤皮带边缘视频传输至DSP最小系统，DSP负责实现相关的机器视觉算法，准确识别出输煤皮带边缘，当检测到输煤皮带跑偏时，立即控制相关控制回路，紧急制动输煤皮带机，防止跑偏程度的进一步加重。并利用无线通信单元，将有关设备信息传输至控制室。

3.1 DSP最小系统设计

TMS320F28335是TI公司新推出的一款处理芯片，尤其是外设资源较为丰富。其运算能力和外设资源都较TMS320F2812有了很大提高。由于F28335具备较强的运算能力，完全满足机器视觉有关算法的计算要求。既简化了软件开发的流程，又满足了嵌入式开发的要求。

TMS320F28335最小系统包括电源转换电路、JTAG电路、通讯接口电路等。其中电源电路采用TPS70351电源芯片，该芯片可实现直流5V转转换为直流3.3V和1.8V，满足对TMS320F28335的内核供电。此外，该芯片具备优良的散热性能，满足了嵌入式开发的紧凑性要求。

3.2 以太网接口单元

以外网接口单元包含数字摄像机和以太网通信芯片，本文选取海康威视数字摄像机作为现场视频采集的设备。其中以太网接口电路选用W5500协议芯片。因本文设计的控制器需用2台摄像机分别检测输煤皮带左右两侧的视频，因此，本文设计了2路以太网接口，并在DSP处理器中合理设计了任务调度和中断处理程序，可并行处理2路摄像机采集的视频图像。

此外，在DSP芯片和W5500芯片之间，设置了ADUM1400高速磁耦隔离芯片，该芯片有效隔离了外界干扰源对最小系统的影响。

3.3 WIFI接口单元以及配套APP开发

输煤系统智能检测防护装置初始安装完成后，需要进行参数标定和监控区域设置。同时考虑到输煤现场的恶劣环境，本文具备WIFI通信接口并配套开发了手机APP。WIFI接口选用ESM8266通信模块，降低了二次开发的难度，加快了开发进度。配套开发的APP可实现识别区域的设定、识别灵敏度设定、报警阀值设定等功能。

输煤现场环境恶劣，粉尘污染严重，因此本文采取配套APP来进行参数设定，而未采用设置显示屏等方案，可有效提高产品的防护等级。