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大型散堆料煤体积测量系统的开发应用 |
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| 大型散堆料煤体积测量系统的开发应用 |
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作者：佚名 文章来源：技术论文 点击数： 更新时间：2008-10-13 8:54:52  |
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1 大型散堆料煤体积测量系统的实用价值
大型不规则煤场体积的准确测量，多年来一直是一个技术难题。以火电厂为例，发电成本的70％～80％是用于燃煤费用，做好燃煤管理是电力部门经营管理的重要工作之一。长期以来国内火电厂普遍采用人工盘煤的方法测量煤场的储煤量，盘煤工作量较大，投入人力、物力较多，且测量误差较大。由于人工盘煤整形不是十分精确，水平面是倾斜的，煤堆的各面凹凸不平，采用直尺测量容易造成与实际存煤量的偏差，直接影响发供电煤耗的准确计算。新测量系统的投入，不但测量快速，数字准确，而且不受煤场形状约束，不论白天、阴雨天、黑夜（具备照明光源的情况下）均可进行盘煤。
2 VID－01体积测量系统示意图
系统示意框图见图1。
3 VID－01体积测量系统的测量技术
散堆物料是指其形状不规则的物体。即物体处于水平面之上，其顶部和四周均由多个数量不等的二次曲面连接而成，构成物体的5个表面；二次曲面基元可用Z＝F（x，y）描述。四周与基面相交所围成的基面部分是基元二次曲面的定义域。根据基面与5个表面所限定的空间计算物体的体积。粗略地讲，体积测量是空间点坐标的测量，由曲面方程逼近和体积拟合组成。
体积测量系统是由普通高分辨率摄像机、云台、多路切换器、图像采集卡、工业控制计算机、电源组成的立体视觉测量装置。主要特点是：用非测量摄像机作为观测器件，以计算机立体视觉技术为基本模型，实现对大物体长距离的非接触式测量，结构复杂，测量精度高，操作方便。
该仪器系统在传统立体视觉技术的基础上，把双目立体视觉技术应用于工程实践。其要点为：采用预先畸变校正，空间直线拟合，直线线性变换，平面三点控制循环迭代的方法对摄像机内外参数进行标定。用模糊数学的“隶属函数”抑制噪声、提取边缘；用小波变换技术进行多分辨率图象分割；以集平均技术与灰浮点化技术抑制图像差异；按多子区域加权灰度重心法的亚像素级特征提取特征点；利用变分辨率的匹配方法和外极线定界及最佳相关线求取相关系数的方法进行图像匹配；采用动态标定，同态测查（在测量中，当摄像机就位后，要把误差校正，像素对应空间线度等同校正和标定工作综合进行，在同态下，进行物点空 间坐标线度测量）。最后进行三维恢复，物体重构。
4 VID－01体积测量系统原理
采用先进的立体视觉技术，对不规则物体进行非接触式测量。确定物体的三维坐标，必须保证将物体上的每一个点用两台摄像机拍摄，如同人用两只眼去观察物体时就能够确定物体的空间位置和大小。摄像机观测与人眼观测不同点在于，首先得到的是两幅同一物体的平面图像，通过计算机借助于这两幅图像的对应点，即物体上的任一点对应于采集到的平面图像上的对应点，用光学交汇的方法来求解出实际物体的三维坐标，从而恢复被测物体的深度信息（即Z坐标值）。
如果我们把摄像机拍摄到物体的每一个点的三维坐标都计算出来，就可以知道整个被测物体在空间的三维坐标，从而计算出它的体积。但由于摄像机的视角有限，所要测量的煤场体积很大，每台摄像机只在同一位置拍一幅图像是不够的。这就需要采用多台偶数对摄像机进行拍摄的方法来增加摄像机的拍摄视场角，并把所得到的图像进行拼接、校正，最后重新构成被测物体的实际形状，通过对应性求解算出物体的体积及存储量。我们所得到的被测物体实际形状是不规则的，无法用一个简单的计算公式去计算其体积。将实际物体的形状细化成多个规则形体，然后再按各种规则形体的体积进行计算，最终拟合出整个不规则形状物体的体积。
对物体进行体积测量，步骤如下：
（1）对物体进行图像模糊处理和模糊识别。
（2）进行图像的边缘检测：采用边缘检测子、斜率差分、曲面拟合、滑动平均梯度、纹理边缘检测的概念。
（3）边缘描绘：采用描绘子、傅立叶描绘子、链码的概念。
（4）进行二维图像、二维投影、三维透视变换。
（5）不规则形状拟合。
各种规则体积计算公式从略。
5 实验室工作
1996年9月组建了电视观测实验室，利用亚像素技术进行测量，相对精度为5×10－3。针对广角摄像头存在严重畸变问题，开发了R2校正和仿射变换校正模块，标定软件效果良好。编写了实用应用程序，深化了摄像头外方位参数标定，采用线性变换、空间直线拟合、平面控制点循环迭代、图
像模糊识别和模糊处理方法，效果良好。在体积拟合方面，进行了多种规则的体积拟合仿真，考虑了体积拟合算法的能力和适应性。采用了实时控制点，保证了标志面的相对线性小于1％。用区域匹配和特征点匹配结合的算法提高了系统对光照的适应性。增加了坡度限制、连续性限制，提高了对应性的准确度，具备了开发能力。
6 现场布站
在长230 m、跨度50 m、煤堆高9．6 m的煤场两侧对称设置6个摄像照明塔，塔高20 m，设计最大风速小于30 m／s，4级风力塔尖摆动小于15mm，以保证摄像机原始参照点的稳定性，减小采集图像所产生的误差，煤场地面每隔10 m设置一个反光片，组成一个完整的参照系。
7 工程实施的条件和落实
（1）为避免采集图像过程中的图像干扰，摄像机系统和工业控制计算机采用同一电源，加装小电源变压器和交直流稳压器，实现电源同步，并采用闭环线路一点接地。
（2）为保证采集图像过程完整、连续，在连接摄像机的视频电缆中间不设接头，与信号切换器之间采用专用的电视接头连接，使采集图像的过程完整、快速。
（3）为避免视频电缆引起图像信号衰减，采用信号补偿器，用旋转信号补偿器微调旋钮可调整图像亮度。
（4）考虑到天气变化对图像的影响，全天候摄像机可进行自动调光。摄像机最低照度0．021 x，以保证阴雨天、黑天有照明的条件下也能够使用。
（5）在保证分辨率的前提下，摄像机采用等 偏、等倾组合观测的同一布置方式，可更多采集场景信息。选用摄像机水平解析度600线，像素795（水平）×596（垂直），对应于煤场的一个点约6cm2。再用亚像素技术将其分割十等份，其十分之一对应于煤场的每一个对应点，将摄像机内外参数进行标定，提高其精度，便于软件对图像进行精确的处理、计算。
（6）为避免信号切换器和信号补偿器的电路板受温度影响，采用性能较好的元器件，克服电路模拟量产生的信号漂移，保证摄像机图像信号的正常切换。建议采集室安装空调。
（7）软件采用直线线性变换（DLT）方程，对图像进行预先校正，尽量减小系统误差，使含有随机分量的误差达像素级。把像素级误差隐含到摄像机内外方位参数中。克服由于光照条件、物景几何形状、物理特性、噪声干扰等引起的误差。消除由于CCD摄像机靶面电路工艺、光刻工艺、噪声等使不同视点的图象产生很大差异的现象。
（8）鉴于煤场体积较大，将煤场随偶数对摄像机拍摄的图像区域进行处理、计算，然后采用国际领先的大幅图像的拼接技术，提高了整个煤场的计算精度。
（9）地面的反光片由于受环境影响，容易脏污，故加设了可翻开的防护罩，采集图像时可翻开。
8 系统应用
系统安装完毕后，于1998年6月至7月进行调试，用标定块测试，测量准确度在5×10－3左右；8～9月对此测量系统进行静态实验，静态偏差平均值为0．68％，在煤场存煤量不变的情况下用推土机对煤场顶部改变形状，进行动态重复性实验，重复精度平均值为±0．768％（离散性误差）。
9月末，又在我厂新煤场（长230 m，跨度50m，煤堆高9 m）做人工盘煤与使用该测量系统的对比实验。人工盘煤结果为65 320 t，测量系统测
量数据为65 788 t，测量系统比人工盘煤多468 t。由于测量系统将不同曲面形状的煤都计算在内，测量系统结果比人工盘煤稍大一些。至1999年6月，经10个月运行，系统稳定，使用效果良好。
使用此测量系统进行盘煤，效果良好，整个煤场仅用25 min即可完成全部测量采集图像工作，图像存盘后，微机自动进行煤场全幅图像拼接，体积计算2 h后自动出结果。微机自动进行采集图像及体积计算，操作简单方便，屏幕显示全部汉化，基本免培训。
9 集团公司的现场测试和评审意见
1999年7月，华北电力集团公司两次组织专家组进行现场测试。
第一次测试项目为重复性误差和测量误差，以人工盘煤结果为标准。人工盘煤前将煤场认真整形，使其达到标准的梯形体。
测试结论：重复性误差为1．056％，平均值测量误差小于1．17％（离散性误差）。
测量6次，计算结果为：
σ＝±0．775％， 2σ＝±1．55％集团公司评审意见：
此测量系统重复性误差小于2％，为一种新型的非接触测量装置，把双目立体视觉技术应用于工程实践。此测量系统应用摄像技术属国内首创，其装置达到国内领先水平。建议在发电厂盘煤工作中推广使用。
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