基于机器视觉的矿用输送带纵向撕裂检测系统设计

于晨晨

（中国矿业大学（北京），北京 100000）

受输送带材料性质和矿井下复杂环境影响，矿用输送机在生产过程中常因落料口物料卡堵、尖锐物体压迫、长时间跑偏或抽芯等情况发生输送带纵向撕裂的事故。造成大面积的输送带损坏，导致生产停滞，给企业带来严重的经济和财产损失[1]。本文利用机器视觉方法设计的井下检测系统，可实现对输送带表面情况的实时监控和检测。

1 机器视觉理论

机器视觉是一种利用光学元件、图像传感器等设备，自动对物体进行图像采集和相关处理的先进技术，其处理结果可以用于控制各种机械设备的工作情况。通俗来讲，机器视觉是用现代机器设备代替人的眼睛“观看”，并将“看到”的信息传递给代替人类大脑的处理设备，进行“思考”和加工处理。这样就可以在一些危险或者环境恶劣的工作环境中利用“人”的方式实现一些检测、识别、判断的功能[2]。与各种传统技术相比，机器视觉技术具有非接触、经济、灵活、可靠等优点。

典型的机器视觉系统通常由三部分组成：图像采集部分、图像处理部分、输出控制部分。其中图像采集部分主要用于获取目标物体图像，并交由图像处理部分进行后续操作。图像处理部分主要由计算机处理装置（通常为PC机或嵌入式系统），根据系统整体功能要求，对接收到的图像进行调整和处理，达到预期结果。输出控制部分可根据系统功能要求进行灵活组合，如加入控制平台、报警设备等，实现系统功能的多样化[3]。

2 输送带检测系统硬件设计

本文设计的基于机器视觉的输送带纵向撕裂检测系统主要由三个系统部分组成：系统传感器部分、下位机处理平台、报警控制系统。硬件设计图如图1所示。

图1 系统硬件设计图

（1）系统传感器部分

考虑到矿井生产现场环境十分恶劣，输送带基本处于长期不间断的工作状态，而工业CCD相机性能比较稳定，在井下环境中能够长时间使用。因此，本文设计的系统中系统传感器部分只保留工业CCD相机这一主要设备用来获取输送带的实时图像，减少设备安装和后期检修的复杂程度。

矿井生产中的多数输送带纵向撕裂事故多因机头落料处发生异物或物料卡堵而发生，在压力和输送带运行张力的作用下，裂痕也不断扩大[4]。为及早检测到输送带的撕裂事故，本文设计系统中将工业CCD相机安装于靠近机头落料口位置的输送带底部。安装时，使相机与输送带的中线位置对齐，并设置相机光轴与输送带底面保持垂直，调整相机和输送带间的距离，使相机视野范围能够覆盖整个输送带宽度，同时保持较好的图像获取质量。工作时，设定CCD相机间隔固定时间自动获取输送带的表面情况。

（2）下位机处理平台

相机获取到的输送带实时图像通过矿用阻燃屏蔽通信电缆传输至下位机平台，下位机处理平台的主要设备为PC机。为完成对输送带事故的及时报警和生产控制，下位PC机安放于井下运输输送机组的控制系统附近，并通过矿用通信线路连接报警装置以及输送机组的控制系统。下位PC机通过图像特征处理与分析的方式对接收到的输送带图像进行检测处理，当检测到事故发生时，下位机输出事故信号作用于报警控制系统，并显示检测到的事故图像，方便工作人员进行事故分析。

（3）报警控制系统

报警控制系统主要负责事故报警和输送机生产控制的工作。当接收到下位机平台发出的事故信号时，报警装置开关动作引发警报，提醒井下工作人员事故发生，及时作出响应。同时，输出的事故信号作用于输送机组的工作控制系统，使其开关动作控制输送机及时停机，防止事故范围扩大。

3 输送带检测系统软件设计

为了达到更好的检测效果，本文所述的检测系统在使用前，需在系统安装使用时提前对CCD相机进行校准和标定。下位机输出的事故信号应直接作用于报警及控制系统，完成系统功能。下位机可使用MATLAB作为软件开发工具对输送带图像做相关检测处理，软件处理总体流程可用以下流程图进行表示。见图2.

图2 系统软件处理流程图

下位机PC系统对图像的处理结果直接影响检测装置的工作效率，是系统的主要软件工作部分，其具体处理工作包括以下几点：

（1）输送带图像预处理

受矿井生产现场光线暗、粉尘大等因素影响，系统传感器获取到的图像常存在噪声多、对比度不足的问题，影响检测识别结果，需要通过预处理方法改善图像质量。首先利用中值滤波对原始含噪的输送带图像进行平滑，去除掉大部分的噪声影响；然后利用直方图均衡化的方法对图像进行增强，增强可能的裂痕信息与正常输送带表面的视觉对比，突出图像中的有效信息，提高图像的可检测性。

（2）分割图像，提取裂痕信息

获取到的图像中，输送带纵向撕裂产生的裂痕往往会在带体张力的作用下，呈现出与正常部分较为明显的“灰度差异”，利用这种视觉上的差异，可对图像中是否存在裂痕部分进行判断，从而实现对撕裂事故的检测。

为了更好的适应煤矿井下生产环境，使用对噪声抑制力较强、图像分割能力较好的最小误差法对预处理后的图像进行分割。通过图像分割，发生事故的图像中会显示出裂痕的形态，正常图像中则不显示。

（3）事故诊断

输送带撕裂时裂痕具有一定“大小”且呈现出一定的“线形”形态的特点，这种特点在图像中连通区域的“面积”和“长宽比”中有较好的体现。对分割后图像中的每个独立连通区域进行面积计算，设定最小面积阈值，认定面积大于阈值的为可能的裂痕信息，认定面积小于阈值的连通区域为噪声影响。对分割后图像中的每个独立连通区域进行外接矩的长宽比计算，设定最小长宽比阈值，认定长宽比大于阈值的为可能的裂痕区域，认定长宽比小于阈值的为干扰信息。

综合两种形态特征的计算结果，判定同时满足“面积”和“长宽比”两个检测条件的部分为输送带发生纵向撕裂后的裂痕区域。当最终检测图像中出现满足检测条件的裂痕区域时，判断发生纵向撕裂的事故，反之则为正常工作情况。

（4）报警控制

事故诊断后，若判断发生撕裂事故，下位机处理系统输出事故信号，连接报警器及控制系统进行相关动作。同时，下位机PC处理平台显示事故检测结果，以便工作人员对事故进行判断。

4 结语

采用机器视觉的方法，设计了一套能较好适应矿井生产环境的矿用输送带纵向撕裂检测系统。实现了对矿井生产运输现场输送带表面情况的实时监测，减少输送带纵向撕裂事故对企业生产造成的不良影响。