机器视觉在斗轮机无人值守中的应用

文/任斌涛 杨勇

火电厂输煤系统中，斗轮机的无人值守已经在个别电厂初有成效，火电厂来煤时，相关当班人员只需在程控室，利用斗轮机远程控制系统，就可将由输煤皮带运输来的煤料，卸载至指定区域。在该类斗轮机无人值守控制系统中，首先利用大功率雷达料位计，获取露天煤场的堆煤高度数据，并结合激光盘煤数据，建立煤场3D模型；当班人员根据建立的模型，寻找最优堆煤点，并最终将煤料卸载至上述区域。当需要将煤料运输至燃煤锅炉时，当班人员根据现场煤堆高度信息，选取适宜的取煤点，并在控制室发出相应指令，完成斗轮机上煤操作。

上述控制方案虽实现了斗轮机远程控制，使得工作人员无需进入斗轮机作业现场，大大减少了劳动强度，但仍未实现真正的无人值守。堆煤位置、取煤位置均需人工选择，同时也需要工作人员对煤堆高度信息进行实施监测。因此，如何根据煤场实时三维信息，实现斗轮机完全自主选择堆煤、取煤位置，并智能调节斗轮机运行区间，是本文的研究重点。

随着人工智能的迅猛发展，其所包含的机器视觉技术在众多领域得到大量应用，本文将利用机器视觉技术实现露天煤场煤堆的三维建模，采用边缘检测、图像矩运算等，实现煤堆轮廓的智能识别，并结合基于分水岭算法的图像分割技术，帮助实现斗轮机无人值守。本文利用嵌入式硬件平台，设计了基于嵌入式PC的上位机控制软件。

1 系统总体设计

本文采用嵌入式PC作为开发平台，采用3D数字摄像机获取煤堆图像信息，并以POE方式将视频数据传输至斗轮机就地控制箱；采用激光扫描器，获取煤堆外形特征数据，辅助机器视觉建立准确煤堆三维模型；控制箱内安装有集成了机器视觉相关算法的嵌入式PC，软件实时监测煤堆形态特征，计算最适宜的堆煤、取煤地点；嵌入式PC将最终计算的有关位置坐标、行走区间等信息传输至斗轮机PLC控制柜，最终由PLC控制斗轮机完成自主堆煤、取煤。同时，斗轮机就地控制箱可将斗轮机运行的状态数据通过无线网络传输至程控室上位机，在实现了硬件兼容与数据共享的同时，亦可实现控制室人员远控操作。

安装于斗轮机悬臂前端的数字摄像机负责采集斗轮机视野正前方的图像信息，并将视频信息压缩打包，通过POE方式发送至斗轮机就地控制箱；斗轮机就地控制箱内集成的嵌入式PC负责实现有关机器视觉算法的实现，负责检测煤堆轮廓、高度等数据，建立露天煤场实时三维模型，进而选取合适的堆煤、取煤位置。此外，该机器视觉算法具备人脸识别功能，当有人员意外进入作业区域时，可发出预警。

安装于斗轮机机载司机室的PLC控制系统，负责斗轮机的行走、悬臂控制、取煤、卸煤等功能，机器视觉单元将计算所得的位置本文在实现了斗轮机无人值守的同时，也保留了人工控制的功能，司机仍然可以通过手控方式，实现对斗轮机的操作。

本项目同时利用Canny 边缘检测算子实现煤堆外轮廓的检测。Canny 算子可检测露天煤厂中煤堆的实际边缘，具有较高识别精度；Canny 算子对图像中边缘只标记一次，不会把存在的图像噪声标记成边缘。

Canny 边缘检测算子的操作步骤如下：

（1）去噪声：原始视频会含有一定的噪声，本文先利用高斯滤波、中值滤波等手段，将图像中的噪声滤除。

（2）梯度计算：利用导数算子来找到图像灰度沿两个方向的导数。设点(i, j)处两个方向的导数分别为Gx、Gy，则

则点f(i,j)处的梯度的幅值G和方向θ为：

（3）确定梯度方向：确定了边缘的方向之后，按照不同梯度方向获得邻域内的像素。

（4）遍历图像：将某个像素点的灰度值与其梯度方向上的像素作阈值判断，介于阈值之外的像素，判定该像素点不是边缘，其灰度值为 0。

（5）计算双阈值：设定高低两个阈值，如果某个像素点的灰度值高于高阈值，则该像素点是边缘；如果低于低阈值，则该像素点一定不是边缘。

2 硬件设计

本文主要设计开发了视频采集控制器、激光扫描控制器、斗轮机就地控制箱。

2.1 视频采集控制器

视频采集控制器采用STM32微控芯片作为中央处理器，STM32 系列产品基于低功耗的 ARM Cortex-M4处理器内核， 内部集成SPI、SCI、以外网接口等模块。其最小系统包括电源电路、JTAG电路、无线通信扩展电路等。其中电源电路采用AMS1117-3.3电源芯片，该芯片可以输出相应电压供STM32内核使用。同时，高速JTAG电路，可保证代码烧写以及在线仿真的速度。该视频采集控制器模块包含电源转换模块、数字高清摄像机、以太网接口、辅助照明控制单元、无线通信单元等。其中，电源转换模块采用金升阳ACDC转换模块，将AC220V转换为DC12V、DC5V，分别给数字摄像机、STM32主控芯片供电。采集的视频通过POE方式传输至斗轮机就地控制箱。

图1：上位机画面

图2：程控室画面

2.2 激光扫描控制器

斗轮机机体外架设激光探头，通过激光器的环视扫描，获取煤堆外形数据，该控制器包含激光探头、云台、探头清灰装置等组成。因煤场在堆煤、取煤作业时，扬尘严重，斗轮机在长期运行中，探头表面的积灰会导致探头性能下降，影响了探测精度。本文设计了基于压缩气体的气动清灰装置，同时加装清洁刷配合清灰，经过实际检验，可完全满足现场作业需求。

2.3 斗轮机就地控制箱

斗轮机就地控制箱采用嵌入式PC为控制主板，主板移植嵌入式linux操作系统，基于QT5.6.0集成开发环境开发斗轮机智能控制软件。斗轮机就地控制箱包含斗轮机行走控制单元、悬臂控制单元、机器视觉处理单元、无线通信单元、以太网通信单元等。斗轮机行走控制单元包含行走电机控制器、防碰撞预警开关、声光报警器；悬臂控制单元包含4-20mA模拟输出通道，用来给定调节悬臂角度和方向；机器视觉处理单元集成基于分水岭法背景差分法等机器视觉智能算法，图像经过滤波，二值化，目标识别与图像分割，有效识别煤堆外形以及人员特征。无线通信单元采用2.4GHzzigbee通信终端，利用RS485接口与嵌入式PC相联。同时，就地控制箱可将运行状态数据回传至程控室。

3 上位机软件设计

本文设计的基于机器视觉的斗轮机无人值守控制系统，可自主实现斗轮机堆煤、取煤，无需人工干预。斗轮机就地控制箱同时可将所有运行状态数据传输至程控室上位机，供当班人员查看。必要时，程控室人员可使用最高权限，人工远程操作斗轮机。本文设计了上位机监控软件，可显示当前斗轮机位置、斗轮机前端画面、沿线皮带机画面、斗轮机全景画面等信息。软件界面如图1所示，图2位程控室操作画面。

4 小结

本文提出了基于机器视觉的斗轮机无人值守控制系统，实现了机器视觉技术在传统输煤系统的应用探索，并利用激光扫描等先进技术，建立了煤场三维模型，实现了煤场的可视化控制，又减少了人工，具有重要社会和经济效益。