卸船機(jī)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

浙能溫州發(fā)電有限公司 楊 勇

當(dāng)今世界，隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程不斷加快，對(duì)資源的需求的急劇增長(zhǎng)，尤其在電力行業(yè)，對(duì)電廠的生產(chǎn)效率提出了更高的要求。橋式卸船機(jī)作為一種大型的接卸設(shè)備，在沿海火電廠中，它作為重要的卸船工具，其工作性能的優(yōu)劣直接影響這煤料的運(yùn)輸，因此卸船機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，一直以來(lái)都是企業(yè)所關(guān)注的問(wèn)題。卸船機(jī)時(shí)火電廠運(yùn)輸煤料起始點(diǎn)，它直接影響煤料的運(yùn)輸效率，進(jìn)而影響火電廠的生產(chǎn)效率。卸船機(jī)在工作過(guò)程中存在鋼絲繩磨損和碰撞兩大問(wèn)題。傳統(tǒng)的鋼絲繩檢測(cè)采用人工目視和卡尺測(cè)量，存在效率低和準(zhǔn)確性低的不足，為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)階段的方法有探傷儀，但依然存在漏檢和誤檢的問(wèn)題，不能有效且準(zhǔn)確的檢測(cè)出鋼絲繩的磨損問(wèn)題，這對(duì)卸船機(jī)的安全工作存在一定的安全隱患，對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)也是不利的。在卸船機(jī)駕駛防撞檢測(cè)中駕駛室廠用的防撞系統(tǒng)有超聲波防撞，然而超聲波防撞存在精確度不夠高等缺陷，對(duì)駕駛室的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，基于上述問(wèn)題，本文提出一種新的卸船機(jī)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)卸船機(jī)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，保障卸船機(jī)的正常工作。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

基于視覺(jué)的卸船機(jī)鋼絲繩檢測(cè)系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，包括視頻采集設(shè)備、圖像處理中心、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)器組成。視頻采集采用高速攝像機(jī)，它的云臺(tái)具有增穩(wěn)功能，同時(shí)具有高動(dòng)態(tài)的性能，攝像機(jī)和機(jī)器視覺(jué)連接采用的網(wǎng)線是1000M以太網(wǎng)絡(luò)，在機(jī)器視覺(jué)單元中，嵌入式控制器選擇高性能GPU，對(duì)鋼絲繩圖像進(jìn)行處理包括預(yù)處理以及分析判斷。服務(wù)器獲取分析結(jié)果通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，在服務(wù)器中，可查詢鋼絲繩的歷史狀態(tài)和最新?tīng)顟B(tài)，當(dāng)檢測(cè)出的結(jié)果需要處理時(shí)，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送復(fù)制管理人，管理人觀察鋼絲繩的磨損情況，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)或更換，當(dāng)檢測(cè)出鋼絲繩磨損狀況超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，發(fā)送停機(jī)指令到卸船機(jī)，卸船機(jī)停止工作。

卸船機(jī)卸船機(jī)駕駛室360°防撞系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，包括360°雙目相機(jī)、360°的激光雷達(dá)測(cè)距儀、圖像處理中心以及報(bào)警顯示組成。360°雙目相機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)駕駛室周圍進(jìn)行連續(xù)拍照，然后將圖像傳至圖像處理中心進(jìn)行三維重建，可以得到駛室下部360°范圍的空間圖。360°的激光雷達(dá)測(cè)距主要負(fù)責(zé)對(duì)駕駛室周圍進(jìn)行連續(xù)360°掃描，根據(jù)算法計(jì)算出得出駕駛室360°的位置信息。最后結(jié)合卸船機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、駕駛室的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和周圍環(huán)境進(jìn)行信息融合，預(yù)測(cè)出卸船機(jī)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)駕駛室發(fā)生碰撞的預(yù)警判斷。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于機(jī)器視覺(jué)的鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)主要用到的算法有均值濾波算法，Canny邊緣檢測(cè)算子對(duì)鋼絲繩的邊緣進(jìn)行檢測(cè)，Hough直線檢測(cè)算法直線檢測(cè)算法。

2.1.1 均值濾波算法

相機(jī)采集到的圖像通常需要進(jìn)行預(yù)處理，均值濾波算法是一種常用的濾波算法，它也是低通濾波器，圖像通過(guò)均值濾波器，鄰域中心像素值由鄰域內(nèi)的平均值計(jì)算，達(dá)到去除噪聲的目的，均值濾波器的主要應(yīng)用是去除圖像中的不相關(guān)細(xì)節(jié)，不相關(guān)是指與濾波器的模板相比較小的像素區(qū)域。模糊圖片以便得到感興趣物體的粗略描述，因此那些較小的物體的灰度就會(huì)與背景混合在一起，較大的物體則變的像斑點(diǎn)而易于檢測(cè)。模板的大小由實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，一般r=3。

2.1.2 Canny邊緣檢測(cè)算子

圖像邊緣信息的獲取經(jīng)常使用Canny邊緣檢測(cè)算子實(shí)現(xiàn)。圖像的邊緣信息一般主要集中在高頻段，因此邊緣檢測(cè)也可稱為高頻濾波。邊緣檢測(cè)一般處理的圖像為數(shù)字圖像，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)通過(guò)在空域中利用計(jì)算微分實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)步驟為：

（1）高斯模糊

高斯模糊的作用時(shí)去除噪聲，圖像中存在的噪聲會(huì)對(duì)邊緣的提取產(chǎn)生一定的影響，容易產(chǎn)生偽邊緣，影響后續(xù)的圖像處理。在進(jìn)行高斯模糊處理時(shí)，由于圖像的邊緣信息和噪聲都處理高頻區(qū)域，因此高斯半徑的選擇尤為重要，過(guò)大或過(guò)小的半徑會(huì)影響圖像邊緣的提取。

（2）計(jì)算梯度幅值和方向

圖像的邊緣可以指向不同方向，因此經(jīng)典Canny算法用了四個(gè)梯度算子來(lái)分別計(jì)算水平，垂直和對(duì)角線方向的梯度。但是通常都不用四個(gè)梯度算子來(lái)分別計(jì)算四個(gè)方向。

（3）非最大值抑制

一般計(jì)算得到的圖像邊緣比較寬，圖像邊緣由幾個(gè)像素的寬度，這不滿足想邊緣提取的要求即圖像邊緣點(diǎn)只能有一個(gè)像素的寬度，因此需要對(duì)邊緣像素進(jìn)行處理，常用的方法通過(guò)非最大值抑制保留局部最大梯度同時(shí)將其他像素進(jìn)行抑制，提取出圖像邊緣變化最銳利的像素，得到相對(duì)理想的圖像邊緣。

（4）雙閥值

雙閾值即兩個(gè)閾值，即高閾值和低閾值，將小于低閾值像素的邊緣像素點(diǎn)進(jìn)行一直，當(dāng)像素點(diǎn)處于低閾值和高閾值之間則歸為弱邊緣點(diǎn)，當(dāng)像素點(diǎn)大于高閾值像素點(diǎn)時(shí)，則認(rèn)為是強(qiáng)邊緣點(diǎn)。

（5）滯后邊界跟蹤

通過(guò)步驟（4）得到了強(qiáng)邊緣點(diǎn)和弱邊緣點(diǎn)，這兩個(gè)邊緣都有可能是真正的邊緣，也可能是偽邊緣點(diǎn)，偽邊緣點(diǎn)應(yīng)該去除。一般情況下，強(qiáng)邊緣點(diǎn)和弱邊緣點(diǎn)存在相互聯(lián)通的關(guān)系，通過(guò)滯后邊界追蹤對(duì)弱邊緣的8連通區(qū)域進(jìn)行搜索，若強(qiáng)邊緣點(diǎn)在這個(gè)8連通范圍之內(nèi)，則認(rèn)為這個(gè)弱邊緣點(diǎn)是真邊緣。

2.1.3 Hough直線檢測(cè)算法

Hough變換是指通過(guò)一種轉(zhuǎn)換方法，將圖像上的點(diǎn)集映射到一個(gè)點(diǎn)上。標(biāo)準(zhǔn)的直線Hough變換使用濕(1)的參數(shù)化直線方程：

其中θ表示直線的法線方向，其取值范圍為[0,180)，p表示原點(diǎn)到直線的距離。

進(jìn)行直線檢測(cè)的步驟為：

劃分區(qū)間，即根據(jù)θ和p的取值范圍劃分區(qū)間，其中θ∈[0,180)，p由圖像的中心距離決定。

設(shè)置計(jì)數(shù)器，在參數(shù)空間θ -p，設(shè)置離散參數(shù)對(duì)(θi, pj)的計(jì)數(shù)器。

特征點(diǎn)對(duì)參數(shù)空間投票，對(duì)于圖像特征點(diǎn)(x0,y0)，遍歷所有的θ值，根據(jù)式(1)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的p和相應(yīng)的離散區(qū)間pj，計(jì)算完成后對(duì)(θi,pj)加1。

確定直線，完成步驟（3）后，根據(jù)參數(shù)空間中計(jì)數(shù)器值與某一給定的閾值坐作比較，搜索局部極大值點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)即為檢測(cè)出的直線。

2.2 多維傳感器信息融合技術(shù)

多維傳感器信息融合在本系統(tǒng)中主要由雙目相機(jī)和激光雷達(dá)測(cè)距儀、圖像處理中心和報(bào)警顯示。

2.2.1 雙目視覺(jué)重建三維空間

雙目相機(jī)的原理與人眼類似，它一般由兩個(gè)攝像頭組成，一般常用的雙目相機(jī)兩個(gè)攝像頭水平放置組成，兩個(gè)攝像頭的光圈都處于x軸上，它們之間的距離稱為雙目視覺(jué)的基線，這個(gè)參數(shù)對(duì)于雙目相機(jī)來(lái)說(shuō)很重要。雙目攝像頭的原理與人眼類似，雙目相機(jī)測(cè)距時(shí)，通過(guò)計(jì)算兩幅圖像的視差計(jì)算距離，雙目立體視覺(jué)深度相機(jī)的深度測(cè)量過(guò)程，如下：

（1）首先需要對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到兩個(gè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)、單應(yīng)矩陣。

（2）根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對(duì)原始圖像校正，校正后的兩張圖像位于同一平面且互相平行。

（3）對(duì)校正后的兩張圖像進(jìn)行像素點(diǎn)匹配。

（4）根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算每個(gè)像素的深度，從而獲得深度圖。

2.2.2 激光雷達(dá)測(cè)距

激光雷達(dá)測(cè)距原理有三種，包括：三角測(cè)距法、PTOF測(cè)距法以及AMCW（調(diào)幅連續(xù)波）測(cè)距法。

（1）三角法

三角法，根據(jù)三角幾何原理，借助光源，將光源的一束光達(dá)到被測(cè)物體的表面上，光源在測(cè)物體的表面上形成反射，被測(cè)物距離通過(guò)反射光在面陣或線陣中探測(cè)器中的成像位置計(jì)算。三角法具有原理簡(jiǎn)單、造假低廉、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，適用于近距離測(cè)量，在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，由于太陽(yáng)光的影響，探測(cè)器提取到的反射光斑很不理想，距離計(jì)算誤差很大。

（2）PTOF測(cè)距法

PTOF測(cè)量距離時(shí)通過(guò)打一束時(shí)間極端的激光，直接測(cè)量激光發(fā)射的時(shí)間和激光到達(dá)探測(cè)物體并返回探測(cè)器的時(shí)間，經(jīng)獲取到的時(shí)間進(jìn)行反推得到探測(cè)器到被測(cè)物的距離。在進(jìn)行PTOF測(cè)距時(shí)，對(duì)時(shí)鐘電路和激光發(fā)射電路的要求特別高，對(duì)時(shí)鐘電路通常要求是ps級(jí)，激光發(fā)射電路通常是ns級(jí)，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)難度高，但PTOF測(cè)距能夠達(dá)到百米級(jí)別的探測(cè)距離。

（3）AMCW（調(diào)幅連續(xù)波）測(cè)距法

AMCW測(cè)距通過(guò)將光波調(diào)制成正弦波或三角波，光波到達(dá)物體后返回探測(cè)中，得到在光波波形上的一個(gè)相位差，通過(guò)相位差可以間接獲取到光的飛行時(shí)間，從而得飛行距離，在實(shí)際中用用中，相位差比直接測(cè)量飛行時(shí)間更容易獲取，在開(kāi)發(fā)也容易實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 多信息融合

多信息融合也稱為多數(shù)據(jù)融合，將獲取到的有效數(shù)據(jù)根據(jù)某種理論如：D-S證據(jù)理論、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及貝葉斯方法將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。針對(duì)卸船機(jī)駕駛室防碰撞的問(wèn)題，結(jié)和Basyes網(wǎng)絡(luò)模型的信息融合機(jī)制，對(duì)駕駛室與周圍障礙物的距離進(jìn)行分析，通過(guò)免疫粒子群優(yōu)化算法構(gòu)建出預(yù)測(cè)模型，當(dāng)駕駛室與障礙物的距離達(dá)到某一閾值時(shí)，駕駛室停止運(yùn)行。

小結(jié)：本文結(jié)合基于視覺(jué)的鋼絲繩檢測(cè)算法和多維傳感器信息融合技術(shù)設(shè)計(jì)出一種卸船機(jī)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中對(duì)鋼絲繩的檢測(cè)采用無(wú)接觸式測(cè)量，相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法精確性更高，誤檢率和漏檢率更低，在卸船機(jī)駕駛室防撞模塊中，采用多信息融合的方法，能夠更加準(zhǔn)確判斷出駕駛室周圍存在的安全隱患，因此該可大大提高生產(chǎn)效率，保障工作人員的人身安全。