专利名称：一种基于图像处理的煤矿井下煤仓料位检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种料仓的料位检测装置。本实用新型具体涉及采用程序控制焦 距调节的数字相机进行图像拍摄、采用环形照明设备进行辅助照明、采用基于DSP的图像 处理设备进行图像处理得出料仓料位值，并采用现场总线连接矿井监控系统。
背景技术：
煤矿井下煤仓料位检测是安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法对料仓 料位进行检测。常用的检测方法有重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式、回转翼轮式、 雷达式、超声波式、激光式、核子式等。其中重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式和回转 翼轮式属于接触式测量方法，其余的为非接触式测量方法。可以进行极限位置测量的方法 有重锤式、电极式、核子式和激光式。可进行煤位连续测量的方法有雷达式、超声波式、 机杆式、称重式、核子式、激光式等。采用图像处理的方式进行深度测量应用广泛。目前采用的多是采用数字相机自动 对焦，直接拍摄图像，然后经过图像处理进行深度，高度测量。见专利公开号为CN1378086 的发明专利，然而，对于煤矿井下煤仓这种特殊的料仓环境，图像拍摄环境特别恶劣，存在 以下特点(1)料仓中粉尘浓度大、湿度大，照度低。(2)料仓中照度波动频繁，例如煤矿井下大型设备很多，电网扰动大，造成照度波动。因此，由于特殊的图像环境，采用普通的图像处理方式进行深度测量的方法不能 得到满足图像处理要求的适合的图像，难以实现长期可靠、准确的检测。专利公开号为CN101270981是一种基于机器视觉的料位测量方法与装置，提出了 针对煤矿井下料仓的料位检测方法，然而这种方法可靠性难以保证，也只能作为静态的连 续测量，不能作为动态的极限位置测量，难以实际应用。技术问题而由于料仓的图像环境特殊，采用目前已有的方式，具有以下问题(1)数字相机难以自动对焦、拍得可靠的图像；(2)根据此类图像进行料位测量的方法可靠度、精度低；由于料仓是一个封闭、半封闭的环境，设备运行情况的监控和校验困难，没有一个 基于检测系统的可靠度、精度评价的自检机制，系统可靠性无法得到保证，难以实际应用。
发明内容本实用新型拟解决的技术问题是1煤矿井下煤仓由于照度低、粉尘大，数字相机自动对焦困难、难以拍得可靠的图 像；2现有的图像处理方式进行料位测量的方法可靠度、精度低。[0016]本实用 新型采用的技术方案是系统装置组成本实用新型装置包含一个采用程序调节镜头焦距的数字相机及其镜头(1)、一组 辅助照明设备(2)、一个基于DSP的数字图像处理设备(3)、其提供RS485通信接口可以直 接与煤矿井下分站连接，实现远程监控，一个以上设备的封装外壳及固定装置(4)。一个带 有透明拍摄窗口的密封罩(5)，一个密封罩的除尘装置(6)。装置煤仓布置图如图1所示。装置结构及封装图如图2所示数字相机及其镜头(1)数字相机及其镜头(1)应安装在料仓的顶部，避开料仓下料口及相关下料口的设 施、以免被阻挡拍摄角度。数字相机应可以采用程序控制调节镜头焦距，并带有一个USB总 线接口。辅助照明设备(2):辅助照明设备(2)采用一组射灯(7)，射灯选用本安防爆射灯，其中一个邻近数字 相机(1)设置，其余呈等分角度设置于煤仓仓壁圆周上。光源采用单色光源，选择波长较长 的红光光源。根据煤仓的实际尺寸及环境选择射灯数量，辅助照明布置如图3所示，这里选 择的是射灯数量N = 8，煤仓的尺寸大及粉尘较大时选用较多的射灯数量。辅助照明系统主要针对例如煤矿井下煤仓这一类图像环境特别恶劣的料仓的图 像特点设计，料仓图像成像有两个主要难点，一是受安全生产条件约束，料仓环境存在粉尘 浓度大、湿度大的特点，造成照度衰减很快，且泛光不足；二是出于安全考虑，照明功率应尽 量低。采用多角度照明设计，能有效克服以上困难。基于DSP的数字图像处理设备(3)基于DSP的数字图像处理设备(3)实现以下功能按照预设程序控制数字相机拍 摄图像，并对图像进行处理，计算得到料位值，同时实时的进行料位检测过程进行可靠性监 测，并将相关控制信息、料位检测结果、系统运行情况通过通信接口与煤矿矿井监控系统连 接，实现远程监控。实现方式如下(1)与数字相机通信，控制数字相机拍摄图像，并接收数字相机拍摄的图像。与数 字相机通信采用USB通信方式。通信数据流包括数字图像、控制信息(DSP-USB数据流如 图4所示)。(2)根据拍摄方法的不同，分别对图像进行存储、处理，得到料位值与相关的系统 运行可靠性情况。(3)与煤矿井下分站实现通信，接收分站的控制信息，将相关控制信息、料位检测 结果、系统运行情况传送至分站，实现矿井监控系统对料位检测系统装置的远程控制功能。 与矿井监控系统通信采用RS485通信方式。通信数据流根据现场矿井监控系统的实际要求 包括料位信息、控制信息、系统可靠性报告、设备号以及设备运行状态信息等(DSP-RS485 数据流如图5所示)，DSP选用芯片TMS320DM672芯片。功能框图如图6示。RS485通信模块选用MAX485芯片。RS 485总线是一种通信总线，DSP芯片本身不 具备RS 485总线接口，采用两个485通信芯片MAX485可以把TMS320DM672的串口 RXD和TXD的TTL电平转换为RS 485电平，TMS320DM672的RXD和TXD引脚分别连接到第一片485 通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引脚。TMS320DM672的SPISIM0和SPIS0MI连接 到MAX485的使能引脚RE，用于控制TMS320DM672芯片的数据发送口挂接到总线上或和总线分离。RS485通信模块电路图如图7示。USB通信模块选用PDIUSBD12芯片，电路图如图8示。
封装外壳及固定装置⑷与带有透明拍摄窗口的密封罩(5)连接，将采用程序调节镜头焦距的数字相机及 其镜头(1)、基于DSP的数字图像处理设备(3)、密封罩的除尘装置(6)的动力部分封装在 其内，并采用螺栓直接固定在煤仓顶部。封装外壳及固定装置(4)具有隔爆功能，采用圆筒形，上下截面带有法兰连接螺 孔，均安装底板，上下底板采用带有胶垫密封的螺栓连接与圆筒形的外壳主体，其中上底板 螺栓直接固定在煤仓顶部，上下底板均带有走线孔用于设备电缆走线，走线孔应在电缆铺 设完成后使用符合煤矿井下防爆标准的防爆材料进行密封处理以隔断空气；基于DSP的数 字图像处理设备(3)安装于上下底板密封的圆筒空间内；数字相机及其镜头(1)采用螺栓 连接安装于下底板上，带有透明拍摄窗口的密封罩(5)，采用半圆球形壳体，材料选用符合 煤矿井下防爆标准的防爆材料，采用带有胶垫密封的螺栓连接与下底板，(一组螺栓对装置 固定外壳的下部、下底板、密封罩进行连接)。密封罩的除尘装置(6)密封罩的除尘装置(6)为半圆形刷，形状与密封罩(5)的外壳吻合并紧贴其上。半 圆形刷以半圆的直径为轴，往复动作，动作一次成180度，恰好每次动作能够将密封罩(5) 表面清洁一次，除尘装置(6)的动力机构采用本安防爆电机。安装于上下底板密封的圆筒 空间内，转动轴安装于密封罩(5)内。图像处理过程基于区间收敛的料仓料位检测方法将深度为h的料仓粗分为N等份(粗分档)， 按照物距对应划分的档位，采用程序控制方式调节数字相机镜头焦距拍摄图像，得到对应 划分档位的一组N幅图像，对图像进行预处理后分别计算每幅图像的图像熵，选择熵值较 大的K幅图像(1 < K < N)，记这K幅图像对应的档位中最小的档位为Ni，最大的档位为 Nj，则确定了一个收敛区间[Ni，Nj]；将区间[Ni，Nj]细分为M等份(细分档)，按照物距 对应划分的档位，采用程序控制方式调节数字相机镜头焦距拍摄图像，得到对应划分档位 的一组M幅图像，对图像进行预处理后分别计算每幅图像的图像熵，选取熵值较大的P幅图 像，采用料位边沿检测算法计算得到料位边沿，并计算得到料位值。料位检测流程图如图9所示本实用新型的有益效果是1采用了程控调节相机镜头焦距的工业相机，采用区间收敛的方式获取图像从而 更迅速的通过图像处理方式进行料位定位；2采用DSP进行检测装置的开发，检测装置更紧凑、精简；3采用防爆外壳设计，使设备满足了煤矿井下的防爆要求。
图1装置煤仓布置图图2装置结构及封装图图3辅助照明布置图图4DSP-USB数据流图.
图OTSP-RS485数据流图图6DSP的数字图像处理设备功能框图图7RS485通信模块电路图图8USB通信模块电路图图9料位检测流程图
具体实施方式
本实用新型结合实施例参见附图进一步说明如下本实用新型装置包含一个采用程序调节镜头焦距的数字相机及其镜头(1)、一组 辅助照明设备(2)、一个基于DSP的数字图像处理设备(3)、其提供RS485通信接口可以直 接与煤矿井下分站连接，实现远程监控，一个以上设备的封装外壳及固定装置(4)。一个带 有透明拍摄窗口的密封罩(5)，一个密封罩的除尘装置(6)。装置布置图见图1所示。其中装置安装在煤仓顶部，靠近煤仓壁处，这样能够避开 料仓下料口及相关下料口的设施、以免被阻挡拍摄角度。装置结构及封装如图2所示。封装外壳及固定装置具有隔爆功能，采用圆筒形，上下截面带有法兰连接螺孔，均 安装底板，上下底板采用带有胶垫密封的螺栓连接与圆筒形的外壳主体，其中上底板螺栓 直接固定在煤仓顶部，上下底板均带有走线孔用于设备电缆走线，走线孔应在电缆铺设完 成后使用符合煤矿井下防爆标准的防爆材料进行密封处理以隔断空气，DSP的数字图像处 理设备安装于上下底板密封的圆筒空间内，数字相机及其镜头安装于下底板上，带有透明 拍摄窗口的密封罩，采用半圆球形壳体，材料选用符合煤矿井下防爆标准的防爆材料，采用 带有胶垫密封的螺栓连接与下底板。密封罩的除尘装置为半圆形刷，形状与密封罩的外壳 吻合并紧贴其上。半圆形刷以半圆的直径为轴，往复动作，动作一次成180度，恰好每次动 作能够将密封罩表面清洁一次，除尘装置的动力机构采用本安防爆电机。安装于上下底板 密封的圆筒空间内，转动轴安装于密封罩内。数字相机采用可自动调节焦距的数字相机，相机焦距由程序控制，根据所处料仓 的实际尺寸，自动调节焦距，进行图像拍摄。辅助照明布置图如图3所示。其中一个邻近装置设置，其余呈等分角度设置于煤仓仓壁圆周上。数字图像处理设备采用DSP芯片设计，选用TMS320DM672，并扩展FLASH，SDRAM, CPLD，本实用新型采用的CPLD是Xilinx公司的XC9572XL。该芯片具有72个宏单元，1600 个逻辑门，5ns pin-to-pin的逻辑延迟，178MHz的系统频率。CPLD的功能主要是为FLASH、 UART和CPLD异步寄存器空间作地址解码，为FLASH产生3bit的页选信号，监控来自UART 的电平中断信号，转换为边沿触发中断信号送给DSP。[0065]DSP的数字图像处理设备功能框图如图6所示。包括DSP及电源模块、CPLD模块、FLASH、SDRAM、RS485通信模块、USB通信模块6个部分，其中DSP及电源模块、CPLD模块、 FLASH、SDRAM的电路设计采用芯片的标准外围电路即可。数字图像处理设备与数字相机通信采用USB1. 1方式。选用PDIUSBD12芯片。自 供电、非DMA方式的连接电路如图1所示。D12的8根数据线直接与DSP的数据线相连。读 写使能由CPLD译码DSP的R/W、IOSTRB后提供。当D12在以12Mbps的速度传输并与微控 制器并口连接时，存储器管理单元(MMU)和集成RAM作为USB之间速度差异的缓冲区。这 就允许微控制器以自己的速度对USB信息包进行读写。SUSPEND引脚直接拉低，使得D12芯 片不挂起，但是中断寄存器中的挂起中断仍会置位。在没有使用DMA方式时，DMACK_N、E0T_ N上接上拉电阻与Vcc相连。D+/D-信号线上串接18Ω的匹配电阻。DSP-USB数据流如图4所示，包括图像信息与数字相机的焦距控制信息。其中，数 据流101包括数字相机镜头焦距调节控制；数据流102包括数字图像。USB通信模块电路图如图8所示。数字图像处理设备与矿井监控系统通信采用RS485总线。RS485通信模块选用 MAX485芯片。RS 485总线是一种通信总线，DSP芯片本身不具备RS 485总线接口，采用两 个485通信芯片MAX485可以把TMS320DM672的串口 RXD和TXD的TTL电平转换为RS 485 电平，TMS320DM672的RXD和TXD引脚分别连接到第一片485通信芯片RO和第2片485通 信芯片DI的引脚。TMS320DM672的SPISIM0和SPIS0MI连接到MAX485的使能引脚RE，用 于控制TMS320DM672芯片的数据发送口挂接到总线上或和总线分离。DSP-RS485数据流图如图5所示。包括设备号等设备信息、运行巡检信息、控制信 息等，通信信息内容根据矿井监控系统的数据信息要求设计。RS485通信模块电路图如图7所示。进行料位检测时，首先，由矿井监控系统发送检测开始指令，启动数字图像处理设 备，数字图像处理设备启动数字相机，并程序控制数字相机镜头焦距，拍摄图像，图像通过 USB实时的传送给数字图像处理设备；数字图像处理设备处理图像，分析图像料位检测实 时值与系统运行可靠性等相关信息，并实时通过RS485总线将信息传给矿井监控系统的节 点终端，当得到最终料位值后，传送给节点终端，检测完成。料位检测流程图如图9所示，开始检测时，首先，101，可以得到一组10幅图像，顺 序进行102，103，然后判断104，记三个熵值最小的为Z1，最大的为Z2，k，= Z1/Z2，则当k，
>kl时，则验证通过，说明拍摄的图像可靠，系统工作正常，此时清零验证标志位，进行下 一步流程，当k’<= kl时，说明拍摄的图像不可靠，系统工作不正常，此时验证标志位应为 零，首先将验证标志位置位，然后判断105，当标志位Xl为1时，重新执行101、102、103过程 后，再次进入104，如果此次系统的异常只是偶然的干扰引起的，则此时应恢复正常，则k’
>kl，验证能够通过，如果是出现了系统的功能性故障，则验证不能通过，判断验证标志位 时，标志位为1，则进行故障报警。当104验证通过后，进行106，在一次分档确定的料位检测区间内按照细分档逐次 拍摄图像，可以得到一组9幅图像，顺序进行107、108，采用PCNN的方法进行料位的边沿检 测，然后与对应档位处的料位刻度图像对比得到料位值。最后判断109，分析得到的P (P = 4)个料位值，计算差值，误差应小于所要求的精度值，如果验证通过则继续验证料位值是否处于对应的档位处，通过则说明图 像可靠，系统工作正常，此时清零验证标志位，进行下一 步流程。以上两个判断任何一个不通过则置位标志位XI，然后判断105，当标志位Xl为1 时，重新执行101，102，103，104，106，107，108，109，如果此次系统的异常只是偶然的干扰引 起的，则此时应恢复正常，验证能够通过，如果是出现了系统的功能性故障，则验证不能通 过，判断验证标志位时，标志位为1，则进行故障报警。当通过109后，执行110，求均值输出 料仓料位值，然后继续进行下一轮检测。
权利要求1.一种基于图像处理的煤矿井下煤仓料位检测装置，其特征在于装置包含一个采用 程序调节镜头焦距的数字相机及其镜头(1)、一个辅助照明设备O)、一个基于DSP的数字 图像处理设备(3)，其提供RS485通信接口可以直接与煤矿井下分站连接，实现远程监控； 一个设备的封装外壳及固定装置G)，将采用程序调节镜头焦距的数字相机及其镜头(1) 和基于DSP的数字图像处理设备C3)封装在其内部；一个带有透明拍摄窗口的密封罩(5)； 一个密封罩的除尘装置(6)。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于采用程序调节镜头焦距的数字相机 及其镜头⑴中的数字相机带有一个USB总线接口，基于DSP的数字图像处理设备(3)通 过USB总线接口与数字相机连接。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于基于DSP的数字图像处理设备(3)包 括DSP及电源模块、CPLD模块、FLASH、SDRAM、RS485通信模块、USB通信模块6个部分。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于DSP及电源模块中的DSP芯片选用 TMS320DM672 芯片。
5.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于CPLD模块中的CPLD选用Xilinx公 司的 XC9572XL。
6.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于RS485通信模块选用MAX485芯片。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于设备的封装外壳及固定装置(4)与 带有透明拍摄窗口的密封罩( 连接，将数字相机及其镜头(1)、基于DSP的数字图像处 理设备(3)、密封罩的除尘装置(6)的动力部分封装在其内，并采用螺栓直接固定在煤仓顶 部。
专利摘要本实用新型提供一种针对于煤矿井下煤仓图像环境的基于图像处理的料仓料位检测装置。该装置包含一个采用程序调节镜头焦距的数字相机、一组辅助照明设备、一个基于DSP的数字图像处理设备、其提供RS485通信接口可以直接与煤矿井下分站连接，实现远程监控。数字相机和数字图像处理设备之间采用USB通信方式。
文档编号G01F23/00GK201876287SQ20102056670
公开日2011年6月22日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年10月19日
发明者孙继平, 赵春鹏 申请人:中国矿业大学(北京)