基于機器視覺和模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統

摘要：闡述了PLC裝車接口、外圍輔助設備連接等方面的定量裝車系統的硬件設計，從多階定量裝車指令、機器視覺定量裝車主程序模塊等方面，分析機器視覺和模塊化定量裝車系統軟件設計。基于機器視覺和模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統，對該定量裝車系統進行測試和分析。研究結果表明：本文所述基于機器視覺和模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統，具有定量裝車速度快、效率高、安全性和適用性強等特點。

關鍵詞：煤礦運輸；機器視覺；模塊化設計；定量裝車系統

0" "引言

煤礦公路運輸工作較為復雜，尤其是在煤炭裝車時，受到周圍外部環境及特定因素的影響，存在一定的風險。為盡量消除安全隱患，研究人員綜合煤礦挖掘及煤炭運輸的條件、要求，設計了各種不同類型的汽車定量裝車系統[1]。

汽車定量裝車系統的針對性和穩定性要求較強，可綜合煤礦生產情況設計和計算出最佳的煤炭裝車量，同時可排除周圍的不穩定因素和安全威脅，促使煤炭裝車施工作業更為靈活、合理，還能提升煤炭運輸能力[2]。但是由于煤礦覆蓋面積較大，需求變動頻繁，造成汽車定量裝車系統的識別判定效果受到影響[3]。

為此，本文設計了基于機器視覺和模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統，并進行了驗證分析。通過機器視覺技術與模塊化設計相結合，可以提升煤炭定量裝車精度，強化裝車效率和質量，改善安全生產環境，為煤礦后續技術改進和升級奠定堅實基礎[6]。

1" "定量裝車系統硬件設計

所謂機器視覺技術，就是人工智能發展的分支，主要指的是用機器代替人眼來做測量和判斷[4]。將該項技術與模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統進行融合與構建，在一定程度上擴大了定量裝車覆蓋范圍，形成更加靈活、適用的智能化、模塊化的裝車系統[5]。

1.1" "PLC裝車接口設計

定量裝車系統硬件具有零件數量龐大、結構復雜、針對性較強的特點，其裝車接口是較為關鍵且重要的內置管控設備[7]。與裝車接口關聯的裝置，可設置在后磅房、筒倉下部以及前磅房等3個部位。需要先將PLC（可編程控制器）機柜放在后磅房的機柜之中，同時將接線板與工控機進行關聯。通過顯示器以及狀態面板來觀測當前硬件的基礎運行狀態。

另外，需要在機柜上配備另一個控制裝置，通過接口實現交互通信。并需設置PLC設備輔助控制輸出輸入接口。PLC設備輔助控制輸出輸入接口如表1所示。

根據表1提供的安裝位置，完成PLC設備輔助控制輸出輸入接口的安裝。根據模塊化設計的煤礦汽車定量裝車需求，調整接口的覆蓋范圍，強化整體裝車硬件程序，完成基礎設置。

1.2" "外圍輔助設備連接設計

外圍設備起到一定的輔助作用，具體如下：可限制定量裝車環境，形成可控的約束條件；可降低整體設備的應用壓力，為系統的設計和運行奠定堅實基礎。當前基礎的連接多通過串口，設定一個RS-485通信口（集線器）與工控機搭建行成雙工通信程序，接入稱重儀表，定期接收稱重儀表顯示的數據信息。外圍輔助設備管理結構示意如圖1所示。

根據圖1，完成對外圍輔助設備管理結構的設計與實踐分析。以此為基礎，安裝紅外柵欄及報警燈。當系統在運行時出現異常或者影響時，報警燈便會發出對應的警示，此時的外圍設備將會輔助主硬件裝置進行定量裝車，完成基礎性的任務。

需要注意的是，設定的紅外柵欄所識別覆蓋的范圍并不是固定的，而是隨著煤礦實際挖掘進度及煤炭裝車需求作出調整，因此具有較強的靈活性與針對性，可以逐步強化裝車效率，平衡系統硬件的應用運行。

2" "機器視覺和模塊化定量裝車系統軟件設計

2.1" "多階定量裝車指令設計

通常情況下，煤礦的定量裝車需要多個輔助程序來進行處理。組合式的控制和管理，能夠進一步強化裝車的效率，再加上機器視覺技術的輔助，可強化系統的整體應用效果。

可以先明確當前的定量裝車程序。依據煤礦的運輸需求及標準的變化，設置對應的目標，進行裝車目標的轉換及處理。通過機器視覺技術，設計指令與目標之間的輔助映射，并計算出多階定量裝車的限值。多階定量裝車限值的計算公式如下：

（1）

式（1）中：D表示多階定量裝車的限值，λ表示定向識別距離，η表示裝車單元量，e表示裝車次數，l表示視覺誤差。結合當前的測定需求，完成對多階定量裝車的限值。根據該限值，設計多個定量裝車階段，并利用映射匹配，設計對應的處理控制指令。

需要注意的是，多階的控制指令相對應的匹配標準也是多層級的，在對煤礦汽車進行定量裝車處理時，從多個角度進行指令的下達及應用，可以最大程度提升指令的應用速度及效率，營造更加穩定、安全的系統運行環境。

2.2" "機器視覺定量裝車主程序模塊設計

組合式模塊形式可以強化當前的定量裝車效率及速度，擴展系統的覆蓋范圍，進而強化對應的控制效率。主程序模塊主要包括：初始控制模塊、自檢測模塊、通訊模塊、定量裝車監測模塊以及主控制模塊。汽車定量裝車機器視覺主程序模塊結構示意如圖2所示。

根據主程序模塊結構示意圖，完成汽車定量裝車機器視覺主程序模塊的設計與應用分析。初始控制模塊、自檢測模塊、通訊模塊一般是針對基礎的系統調動以及管控設置的，能夠完成日常的控制目標。定量裝車監測模塊以及主控制模塊則更加貼近于實際的定量裝車需求，會對裝車的情況進行實時控制和監測?？梢酝ㄟ^上述設計的指令作為引導，推動各個模塊的應用，過程中結合煤炭裝車需求，通過模塊隨時進行特定調整，強化系統的實際應用效果。

3" "定量裝車系統測試

3.1" "測試目的和方法

系統測試的目的，主要是對基于機器視覺和模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統的實際應用效果進行分析與驗證?？紤]到最終測試結果的真實性與可靠性，采用對比測試方法。為此選定某煤礦的輔助裝車系統作為主要測試對象，使用專業設備和裝置對其基礎測定數值及指標作出分析，然后在機器視覺技術的輔助下，進行基礎系統測試環境的搭建。

3.2" "測試準備

應用機器視覺技術，對煤礦模塊化汽車定量裝車系統的測試環境進行搭建與關聯。基于當前煤礦挖掘情況，設置基于機器視覺技術構建的裝車量化控制程序，并調整控制指標和參數。煤礦汽車定量裝車系統控制指標和參數如表2所示。

完成對煤礦汽車定量裝車系統控制指標和參數的設定后，繼續應用機器視覺技術調整當前控制模塊，并在系統中重新設計一個汽車定量裝車控制程序，完成對基礎系統測試環境的搭建，然后進行實際測試和分析。

3.3" "測試過程及結果分析

3.3.1" "設計汽車定量裝車系統測試程序

在完成對基礎系統測試環境的搭建后，結合機器視覺技術，對選定的該煤礦的輔助裝車系統進行測試與分析。在當前的系統中導入5項獨立的煤炭定量裝車任務，設計對應的定量裝車系統測試程序。煤礦模塊化汽車定量裝車系統測試程序如圖3所示。

3.3.2" "計算定量裝車單元耗時

根據圖3所示煤礦模塊化汽車定量裝車系統測試程序，依據機器視覺技術計算出煤礦模塊化定量裝車單元耗時。煤礦模塊化定量裝車單元耗時計算公式如下：

（2）

式（2）中：G表示煤礦模塊化定量裝車單元耗時，g表示定向轉換均值，v表示可控煤礦數量，d表示牽引范圍，u表示控制頻次，" 表示裝車精度。

3.3.3" "定量裝車的測試與分析

選擇5輛汽車作為5個區域進行定量裝車測試。結合當前計算得出的測試結果，與實際得出的測試結果進行比照分析。煤礦模塊化定量裝車單元耗時測試結果如圖4所示。

由圖4可知，對選定的5個煤礦定量裝車區域，分為3個階段進行進行了測試。其中定量裝車階段1和定量裝車階段2為計算得出的測試結果，定量裝車階段3為實際定量裝車操作得出的測試結果。

定量裝車階段3得出的煤礦模塊化定量裝車單元耗時被較好地控制在0.25s以下，這說明在機器視覺的輔助和模塊化程序運行條件下，定量裝車速度得到了明顯的提升。

4" "結束語

通過對本文所述基于機器視覺和模塊化設計的煤礦汽車定量裝車系統的檢驗和分析，驗證了該定量裝車系統具有計量精準、運行穩定、跟蹤靈活、工作效率高等特點。通過應用該定量裝車系統，可以預測煤礦最佳裝車量，可以縮短定量裝車耗時，可以提升煤礦運輸質量，可以促進煤礦運輸安全，可以助力煤礦運輸系統向更高層次發展。

參考文獻

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