振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器的研究與設(shè)計(jì)

楊 碩

(1.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北省唐山市，063012；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津市南開區(qū)，300072)

選煤廠是典型的設(shè)備密集型工業(yè)場所，作為流程化的生產(chǎn)體系，運(yùn)行過程具有負(fù)荷高和周期長等特點(diǎn)，因此，煤炭洗選過程的安全性與設(shè)備性能的可靠性密切相關(guān)。振動(dòng)篩作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品分級和固液分離的篩分機(jī)械，是選煤廠主要的工藝設(shè)備。近年來，為了提高篩分效率和產(chǎn)量，設(shè)備的尺寸和工作強(qiáng)度不斷提高。我國大多數(shù)煤炭生產(chǎn)企業(yè)對振動(dòng)篩的檢測流程仍停留在傳統(tǒng)的人工巡檢階段，現(xiàn)場受到檢修空間狹窄、光照條件陰暗、瓦斯?jié)舛雀叩葠毫庸r條件的限制，導(dǎo)致人工檢測強(qiáng)度高、速度慢、效果差，存在不易察覺的設(shè)備細(xì)小故障，安全隱患較高。目前，采用多傳感器融合技術(shù)的數(shù)據(jù)診斷方法，逐步應(yīng)用在對大型振動(dòng)篩單一部位的在線分析和離線仿真過程中，但是由于受到振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率較高、傳感器通用性較差和受工況電磁干擾的影響，嚴(yán)重制約了傳感器的測量精度和使用壽命，并且由于定位限制無法對振動(dòng)篩進(jìn)行全方位檢測。

基于振動(dòng)篩局部運(yùn)動(dòng)規(guī)律性和篩體振動(dòng)一致性的特點(diǎn)，為了對振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)軌跡所產(chǎn)生的細(xì)微變化進(jìn)行實(shí)時(shí)性和循環(huán)性的全方位檢測，提高檢測的精度和速度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的安全隱患，以便迅速有效地采取相關(guān)措施，本文提出了一種不受振動(dòng)篩的機(jī)械結(jié)構(gòu)和振動(dòng)強(qiáng)度影響的基于雙目視覺技術(shù)的無人自動(dòng)檢測裝置——振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器，該觀測器是具有主動(dòng)運(yùn)行和定點(diǎn)觀測功能的軌道式行走裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)的非接觸式檢測，能夠代替操作人員在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行各種繁復(fù)的巡檢勞動(dòng)。

1 振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器由雙目視覺系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)組成。振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-通信系統(tǒng)；2-充電座；3-視覺系統(tǒng)；4-定位系統(tǒng)；5-終點(diǎn)磁體；6-中途觀測點(diǎn)磁體；7-軌道；8-行走單元；9-旋轉(zhuǎn)單元；10-起點(diǎn)磁體；11-直流減速電機(jī)；12-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；13-線纜軸 圖1 振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 雙目視覺系統(tǒng)

雙目視覺系統(tǒng)由圖像采集單元和圖像分析單元組成，常用圖像處理器以DSP和工業(yè)PC為主。為了保證觀測器的檢測精度和處理時(shí)效，需要在最低功耗模式下和單位時(shí)間內(nèi)完成對大量圖像數(shù)據(jù)的采集與分析工作，因而采用基于工業(yè)PC的雙目視覺系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用透明護(hù)罩為觀測器內(nèi)部元件提供保護(hù)，避免惡劣工況條件影響觀測器的工作性能。基于工業(yè)PC的雙目視覺系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

1-工業(yè)PC；2-行走底座；3-中空傳動(dòng)平臺(tái)；4-高速相機(jī)；5-透明護(hù)罩；6-補(bǔ)光源；7-矩形中空工作臺(tái)圖2 基于工業(yè)PC的雙目視覺系統(tǒng)示意圖

1.1.1 圖像采集單元

圖像采集單元由高速相機(jī)和補(bǔ)光源組成，固定于矩形中空工作臺(tái)上，根據(jù)觀測器運(yùn)行狀態(tài)，通過底座進(jìn)行水平或垂直方向的調(diào)整。設(shè)計(jì)中為了精確追蹤檢測對象的運(yùn)動(dòng)特性并還原運(yùn)動(dòng)軌跡，需要采集特征點(diǎn)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的多幀圖像，綜合考慮圖像處理算法的精度和時(shí)效性，應(yīng)用幀率為116 fps、像素為808×608的高速相機(jī)作為圖像采集裝置，相機(jī)采用CMOS傳感器，采用POE方式供電，焦距為9 mm，通過Gigabit Ethernet接口傳輸圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與電源由一條雙絞線電纜同時(shí)傳輸。為了保證圖像質(zhì)量不受自然光照影響，開發(fā)智能補(bǔ)光方案，光源可按實(shí)際補(bǔ)光需要多角度旋轉(zhuǎn)，在低照度環(huán)境下，觀測器開啟補(bǔ)光源進(jìn)行補(bǔ)光，增強(qiáng)圖像亮度；在強(qiáng)光照度環(huán)境下，觀測器自動(dòng)調(diào)整成像模式，抑制強(qiáng)光影響，保證圖像清晰度，設(shè)計(jì)中補(bǔ)光源光強(qiáng)均勻有效分布，達(dá)到整體高亮效果，有效減少光污染，對振動(dòng)篩檢測部位進(jìn)行補(bǔ)光。

1.1.2 圖像分析單元

圖像分析單元由基于工業(yè)PC的圖像處理算法完成，工作機(jī)理包括相機(jī)標(biāo)定與關(guān)聯(lián)、角點(diǎn)檢測、立體匹配、圖像預(yù)處理、軌跡追蹤和模式識(shí)別。雙目視覺系統(tǒng)的定位精度依賴于雙目相機(jī)本身的標(biāo)定精度，設(shè)計(jì)中應(yīng)用張正友標(biāo)定法，由已知的特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)[uv]T和空間點(diǎn)坐標(biāo)[XwYwZw]T等線性參數(shù)，通過采集一個(gè)靶標(biāo)位姿上的8個(gè)特征點(diǎn)，在不考慮畸變因素情況下求取單應(yīng)矩陣見式(1)：

(1)

式中：Zc——深度系數(shù)；

Mi——投影矩陣；

Hi——單應(yīng)矩陣；

λ——常數(shù)因子；

Mi1——相機(jī)內(nèi)參數(shù)；

ri——旋轉(zhuǎn)矩陣；

t——平移矩陣。

建立的內(nèi)參數(shù)方程組見式(2)：

(2)

通過采集6個(gè)靶標(biāo)位姿，依據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣正交性求取相機(jī)內(nèi)參數(shù)。利用Levenberg-Marquardt算法，通過已有相機(jī)參數(shù)求解相機(jī)的非線性畸變參數(shù)。為了提高系統(tǒng)精度，進(jìn)行非線性畸變參數(shù)與線性參數(shù)間的重復(fù)計(jì)算，直到參數(shù)值收斂為止。通過OpenCV求取基礎(chǔ)矩陣，依據(jù)極線幾何原理建立雙目坐標(biāo)系內(nèi)兩個(gè)對應(yīng)點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的對應(yīng)關(guān)系，完成坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于特征匹配算法的立體匹配。

觀測器的圖像分析精度和效率取決于被處理圖像的質(zhì)量，為了得到更適合后續(xù)分析振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)，對采集的原始圖像進(jìn)行灰度化、直方圖均衡化、平滑濾波和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理工作。應(yīng)用閾值篩選法和基于尺度空間理論的多尺度Harris角點(diǎn)檢測算子提取圖像特征點(diǎn)。采用改進(jìn)型Lucas-Kanade光流估計(jì)算法完成對高速移動(dòng)特征點(diǎn)的追蹤。設(shè)計(jì)BP網(wǎng)絡(luò)分類器，建立并訓(xùn)練局部特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)備運(yùn)行模式的映射模型，實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別和分類。雙目視覺工作機(jī)理如圖3所示。

圖3 雙目視覺工作機(jī)理

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是觀測器的動(dòng)力執(zhí)行單元，負(fù)責(zé)完成裝置的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由行走單元和旋轉(zhuǎn)單元組成。觀測器完成對振動(dòng)篩各局部特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤與辨識(shí)后，在控制器指令作用下，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對振動(dòng)篩的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行周期性循環(huán)檢測。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

1-矩形中空工作臺(tái)；2-控制電路；3-中空傳動(dòng)平臺(tái)；4-雙向步進(jìn)電機(jī)；5-干簧管傳感器；6-驅(qū)動(dòng)車輪；7-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；8-雙向直流電機(jī)；9-行走底座；10-斜齒齒輪盤減速機(jī)構(gòu)；11-工作電源圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 行走單元設(shè)計(jì)

行走單元為四輪雙軸底盤式結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)軸通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由雙向直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙向直流電機(jī)通過H橋驅(qū)動(dòng)電路，在控制器指令下完成動(dòng)作。通過改變對角線上不同三極管的導(dǎo)通情況，改變電流流經(jīng)電機(jī)時(shí)的方向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，為了防止H橋兩個(gè)同側(cè)的三極管同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)用與門和非門改進(jìn)電路，4個(gè)與門和運(yùn)行使能信號相接，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；2個(gè)非門與電機(jī)正轉(zhuǎn)使能信號和反轉(zhuǎn)使能信號相連，在保證H橋同側(cè)只有1個(gè)三極管導(dǎo)通的情況下，自動(dòng)完成電機(jī)正反向動(dòng)作。在設(shè)計(jì)中，為了節(jié)約觀測器控制電路的空間和降低整機(jī)功耗，采用L298N芯片代替分立元件。為了保證觀測器運(yùn)行平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)車輪具有寬體和多紋路的特性。行走單元電機(jī)控制原理如圖5所示。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)單元設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)單元是置于行走底座內(nèi)的中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，由雙向步進(jìn)電機(jī)、斜齒輪盤減速機(jī)構(gòu)和中空傳動(dòng)平臺(tái)組成，在平臺(tái)上固定矩形中空工作臺(tái)與視覺系統(tǒng)相連，中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過雙向步進(jìn)電機(jī)在控制器指令作用下，完成由初始位置沿順時(shí)針和逆時(shí)針雙向往返180°的旋轉(zhuǎn)定位工作。行走底座、傳動(dòng)平臺(tái)和工作臺(tái)均采用中空結(jié)構(gòu)，可方便工業(yè)相機(jī)和光源的布線，避免平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線纜纏繞。旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 行走單元電機(jī)控制原理

1-高速相機(jī)；2-補(bǔ)光源；3-雙向步進(jìn)電機(jī)；4-斜齒齒輪盤減速機(jī)構(gòu)；5-中空傳動(dòng)平臺(tái)；6-矩形中空工作臺(tái)圖6 旋轉(zhuǎn)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 定位系統(tǒng)

觀測器的定位系統(tǒng)由軌道、磁體和干簧管傳感器組成，負(fù)責(zé)完成對振動(dòng)篩各個(gè)關(guān)鍵部位的定點(diǎn)檢測功能。軌道采用雙側(cè)槽的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)振動(dòng)篩的現(xiàn)場安裝方式和檢測需要，可采用懸掛吊裝、水平安裝和垂直壁裝等方法固定于建筑主體之上。軌道形狀針對振動(dòng)篩的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為直線型、曲邊L型、曲邊U型和曲邊矩形。按照振動(dòng)篩檢測指標(biāo)的要求，在軌道邊緣定位并安裝起點(diǎn)磁體、若干中途觀測點(diǎn)磁體和終點(diǎn)磁體。為了保證觀測器平穩(wěn)運(yùn)行，軌道采用內(nèi)嵌式螺栓進(jìn)行固定。干簧管傳感器分別安裝在觀測器的前端、側(cè)端和末端，通過與軌道起點(diǎn)、中途觀測點(diǎn)和終點(diǎn)磁體接觸，由控制器發(fā)出行走電機(jī)正轉(zhuǎn)、中途觀測和反轉(zhuǎn)信號指令。

在控制器指令下，觀測器通過行走與定位系統(tǒng)完成主動(dòng)運(yùn)動(dòng)與定點(diǎn)觀測功能。首先觀測器初始上電，通過檢測電機(jī)正轉(zhuǎn)使能信號，判斷觀測器工作起始點(diǎn)是否為軌道起點(diǎn)，若為起點(diǎn)，則觀測器通過定時(shí)器計(jì)時(shí)，在電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和中途觀測信號的指令下完成觀測器的周期性循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成對圖像數(shù)據(jù)的采集與振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)的分析；如果初始檢測觀測器的工作起始點(diǎn)為軌道中途點(diǎn)或終點(diǎn)，則電機(jī)停止，設(shè)置電機(jī)狀態(tài)為反向，將觀測器運(yùn)行至起點(diǎn)，完成前期準(zhǔn)備后繼續(xù)工作。觀測器主動(dòng)巡視工作流程如圖7所示。

圖7 觀測器主動(dòng)巡視工作流程

1.4 通信系統(tǒng)

由于振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率較高，為了精確追蹤并還原局部特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要以大量圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此采用有線通信方式來保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量與完整性。通信系統(tǒng)通過線纜軸控制單元實(shí)現(xiàn)，由直流減速電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和線纜軸組成。為了減輕觀測器自身的重量負(fù)荷，安裝在軌道起點(diǎn)，直流減速電機(jī)采用外部穩(wěn)壓電源供電，不計(jì)入觀測器內(nèi)部功耗，通過控制線與控制單元相連，裝置工作前對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速標(biāo)定，從而達(dá)到線纜收放速度與觀測器行走速度一致，通過控制器的指令實(shí)現(xiàn)行走電機(jī)與直流減速電機(jī)的同步工作。

1.5 電源管理系統(tǒng)

圖像質(zhì)量是保證檢測精度的關(guān)鍵，為了防止供電浮動(dòng)對觀測器工作性能的影響、提高供電的可靠性以及減輕線纜軸機(jī)構(gòu)的工作壓力，設(shè)計(jì)采用電池供電模式，應(yīng)用大容量鋰電池作為工作電源，為觀測器內(nèi)部的視覺系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制器提供穩(wěn)定電源。在軌道的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別安裝充電座，通過電極對循環(huán)運(yùn)行的觀測器自動(dòng)充電。當(dāng)電源發(fā)出虧電信號時(shí)，線纜軸單元將持續(xù)工作，并將觀測器拖回軌道起點(diǎn)為電池充電。

2 振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器測試

以天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司選煤裝備產(chǎn)業(yè)制造基地的再調(diào)振動(dòng)篩為測試對象，以檢驗(yàn)其各系統(tǒng)性能和對振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)的檢測精度是否達(dá)標(biāo)。測試中，軌道形狀設(shè)計(jì)為曲邊U型，采用懸掛吊裝方式與建筑主體相連，將觀測器置于軌道上，沿軌道邊緣分別設(shè)置起點(diǎn)、終點(diǎn)和8個(gè)中途觀測點(diǎn)磁體，用來定位觀測器的檢測位置。

2.1 雙目視覺系統(tǒng)測試

為了檢測廠房中自然光照變化對觀測器檢測精度的影響，實(shí)驗(yàn)分別選取一天的早、中、晚3個(gè)時(shí)段進(jìn)行測試。振動(dòng)篩局部特征點(diǎn)檢測數(shù)量見表1。

表1 振動(dòng)篩局部特征點(diǎn)檢測數(shù)量

由表1可以看出，在不同自然光照條件下，觀測器對篩體同一位置的檢測過程中，捕捉到的特征點(diǎn)數(shù)量在同一數(shù)值鄰域內(nèi)，因此智能補(bǔ)光方案可有效改善圖像質(zhì)量， “有線通信”方式保證了圖像數(shù)據(jù)的完整性與時(shí)效性，通過雙目視覺系統(tǒng)中的圖像預(yù)處理和角點(diǎn)檢測算法能夠提高對運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)提取的健壯性和穩(wěn)定性。

通過人為調(diào)整振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定BP網(wǎng)絡(luò)分類器特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，00表示停止、01表示正常、10表示疑似、11表示故障，雙目視覺系統(tǒng)在局部特征點(diǎn)的單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期(1/24 s)內(nèi)可完成約5幀圖像的采集，通過圖像分析法和BP網(wǎng)絡(luò)分類器，按照試驗(yàn)設(shè)定的百分?jǐn)?shù)下限判據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，觀測器可準(zhǔn)確檢測振動(dòng)篩的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對特征點(diǎn)的振動(dòng)軌跡的追蹤和識(shí)別。 振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)百分?jǐn)?shù)下限分析見表2。

表2 振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)百分?jǐn)?shù)下限判據(jù)分析

2.2 驅(qū)動(dòng)與定位系統(tǒng)測試

在觀測器的控制器指令和工業(yè)PC的即時(shí)指令共同控制下，設(shè)置中途觀測時(shí)間為5 min，令觀測器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)3個(gè)運(yùn)動(dòng)周期以上，針對觀測器不同的運(yùn)行起點(diǎn)進(jìn)行測試。上電后，觀測器能主動(dòng)識(shí)別工作起點(diǎn)位置并開始運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)流暢無扭曲和噪音，經(jīng)過軌道曲邊過程中無明顯卡頓現(xiàn)象；在定位系統(tǒng)的中途觀測信號發(fā)生階段，無明顯滑行和滯后現(xiàn)象；在觀測器整體控制過程中無邏輯混亂出現(xiàn)。

2.3 通信和電源管理系統(tǒng)測試

設(shè)置軌道起點(diǎn)和終點(diǎn)的觀測時(shí)間為30 min。測試中，線纜軸控制單元的線纜收放整齊有序，無凌亂交叉；由速度計(jì)量測得線纜收放速度和觀測器運(yùn)行速度一致，線纜收放對觀測器無拉力作用；觀測器工作電源在自動(dòng)充電模式下未出現(xiàn)虧電情況，續(xù)航時(shí)間可滿足一個(gè)生產(chǎn)周期的檢測需求；通過人為設(shè)定制造電源虧電信號，觀測器可按設(shè)計(jì)要求，由線纜軸單元將觀測器回拖至軌道起點(diǎn)，并進(jìn)行充電作業(yè)。

3 結(jié)語

本文提出的基于雙目視覺系統(tǒng)的振動(dòng)篩運(yùn)行狀態(tài)觀測器，用于對振動(dòng)篩等高頻振動(dòng)機(jī)械的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)測試表明，觀測器可不受外界光照影響，通過圖像分析方法對振動(dòng)篩局部特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤和辨識(shí)，具有較高的準(zhǔn)確性和時(shí)效性；觀測器作為檢測過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，通過驅(qū)動(dòng)、定位、通信和電源系統(tǒng)，在控制器程序指令和工業(yè)PC即時(shí)指令下，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的自主巡視功能。與現(xiàn)有檢測方法相比，觀測器既可以通過逐幀對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的細(xì)節(jié)變化進(jìn)行定性判斷，又可以通過百分?jǐn)?shù)下限判據(jù)指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的定量分析，所以可代替人工在嘈雜的工礦環(huán)境中進(jìn)行檢查。但在裝置運(yùn)行過程中，通信線纜的長度受到嚴(yán)格限制，在強(qiáng)電磁干擾條件下，開發(fā)并應(yīng)用能夠確保圖像數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的高品質(zhì)無線通信技術(shù)成為接下來的研究方向。

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