摘要：針對(duì)部分煤礦天輪偏擺監(jiān)測(cè)時(shí)位移傳感器安裝困難問題，研究了基于機(jī)器視覺的天輪偏擺監(jiān)測(cè)方法。考慮了提升機(jī)天輪平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計(jì)了天輪偏擺監(jiān)測(cè)方案，研究了基于邊緣監(jiān)測(cè)方法的天輪偏擺量監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提監(jiān)測(cè)方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法與位移傳感器測(cè)量結(jié)果相比，相對(duì)誤差小于5%，說明所提方法可用于天輪偏擺監(jiān)測(cè)。最后進(jìn)行了天輪偏擺量可視化監(jiān)測(cè)方法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，結(jié)果表明所提方法可以有效獲取天輪的偏擺量，從而為天輪的安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)；天輪；偏擺監(jiān)測(cè)；機(jī)器視覺

ResearchonMonitoringofHeadSheaveDeflectionBasedonMachineVision

WuXiaowei1LiTengyu2

1.HejiataCoalMine，ShenmuCityShaanxiShenmu719300；

2.NorthUniversityofChina，TaiyuanCityShanxiTaiyuan030051

Abstract：Inviewofthedifficultyininstallingdisplacementsensorswhenmonitoringthesheavedeflectioninsomecoalmines，amachinevisionbasedsheavedeflectionmonitoringmethodwasstudied.Consideringthestructurallayoutofthehoistsheaveplatform，asheavedeflectionmonitoringschemewasdesigned，andthesheavedeflectionmonitoringtechnologybasedontheedgemonitoringmethodwasstudied.Thefeasibilityoftheproposedmonitoringmethodisverifiedthroughsimulationexperiments.Theexperimentalresultsshowthatcomparedwiththedisplacementsensormeasurementresults，therelativeerroroftheproposedmethodislessthan5%，indicatingthattheproposedmethodcanbeusedformonitoringthesheavedeflection.Finally，afieldapplicationstudyofthevisualmonitoringmethodofthesheavedeflectionwascarriedout.Theresultsshowedthattheproposedmethodcaneffectivelyobtainthesheavedeflection，thusprovidingguaranteeforthesafeoperationofthesheave.

Keywords：minehoist；headsheave；deflectionmonitoring；machinevision

天輪是提升系統(tǒng)中的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著提升機(jī)的運(yùn)行安全，因此天輪的運(yùn)行安全性受到廣泛的關(guān)注。天輪為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其繩槽內(nèi)布置有鋼絲繩。當(dāng)天輪偏擺時(shí)會(huì)對(duì)鋼絲繩施加擾動(dòng)位移，引起鋼絲繩的振動(dòng)。特別是天輪偏擺超限時(shí)，引起的鋼絲繩振動(dòng)更加劇烈。而鋼絲繩的非正常運(yùn)行狀態(tài)反過來會(huì)導(dǎo)致天輪繩槽襯墊的磨損不均勻，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響提升機(jī)的安全運(yùn)行［1］。因此，對(duì)天輪的偏擺量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效反映提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，避免由其導(dǎo)致的提升事故發(fā)生。目前對(duì)天輪的檢測(cè)維護(hù)主要由工人進(jìn)行，然而天輪偏擺超限量通常只有幾毫米，工人肉眼難以識(shí)別，便無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)天輪偏擺故障［2］。此外，安裝位移傳感器是目前主要的監(jiān)測(cè)方法，其具有較快的響應(yīng)速度和較高的精度。該方法需要將位移傳感器安裝在子天輪之間，但煤礦現(xiàn)場(chǎng)部分天輪的輪轂外側(cè)安裝有注油口，使得子天輪之間空間狹小，傳感器安裝困難，存在一定的安全隱患，如圖1所示。針對(duì)該問題，本文提出采用機(jī)器視覺的方法對(duì)天輪偏擺量進(jìn)行采集，從而保證提升機(jī)的安全運(yùn)行。

1監(jiān)測(cè)方法研究

提升機(jī)天輪位于室外井架幾十米的高空中。室外環(huán)境下光線強(qiáng)度變化大，且天輪上甩油嚴(yán)重，這些都會(huì)對(duì)天輪圖像的采集造成較大影響。針對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)天輪的運(yùn)行工況，本文提出的天輪偏擺監(jiān)測(cè)方案如圖2（a）所示。考慮到天輪平臺(tái)空間狹小、天輪結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，利用支架將相機(jī)固定在天輪的上端，采集天輪的輪緣圖像。將照明燈布置在天輪下端，采用背光照明的方式對(duì)輪緣進(jìn)行照明，實(shí)現(xiàn)夜晚天輪偏擺數(shù)據(jù)的采集。采集效果的模擬結(jié)果如圖2（b）所示。采集到的圖像直接傳入位于天輪平臺(tái)上的下位機(jī)中進(jìn)行處理，提取到天輪偏擺位移，隨后通過無線傳輸模塊將位移信號(hào)傳入位于司機(jī)室的上位機(jī)中進(jìn)行顯示，方便工人隨時(shí)查看。

基于機(jī)器視覺測(cè)量天輪偏擺位移時(shí)，首先需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。通過獲取相機(jī)的內(nèi)參矩陣和外參矩陣，從而將像素距離轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理距離。轉(zhuǎn)換公式如下所示［4］：

其中（XW，YW，ZW）為天輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置；（u，v）為天輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)；等式右邊第一個(gè)矩陣為相機(jī)的內(nèi)參矩陣，第二個(gè)矩陣為相機(jī)的外參矩陣。

本文通過張正友標(biāo)定方法對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，詳細(xì)步驟在文獻(xiàn)中［5］說明，在此不再重復(fù)介紹。利用標(biāo)定好的相機(jī)采集天輪輪緣圖像，獲取像素點(diǎn)坐標(biāo)，即可轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系，從而得到天輪的偏擺量。在此過程中，獲取輪緣的像素點(diǎn)坐標(biāo)是機(jī)器視覺測(cè)量中的關(guān)鍵。本文選擇邊緣檢測(cè)算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，具體的步驟為：

（1）利用標(biāo)定好的相機(jī)采集圖像。由于我們感興趣的圖像范圍僅為采集圖像的一小部分，因此首先截取圖像感興趣范圍，避免由于圖像過大導(dǎo)致的計(jì)算量過大問題。

（2）其次進(jìn)行圖像灰度化處理。通過直方圖均衡方法和調(diào)整圖像強(qiáng)度值的方法來加強(qiáng)圖像對(duì)比度，使得天輪的輪緣線條更加突出，方便進(jìn)行邊緣提取。

（3）進(jìn)行圖像二值化處理，通過形態(tài)學(xué)的膨脹腐蝕運(yùn)算來消除圖像中的噪音，具體步驟為分別執(zhí)行兩次開運(yùn)算和閉運(yùn)算。

（4）采用canny算子提取邊緣，計(jì)算水平方向的邊緣的中心點(diǎn)。

（5）比較不同圖像得到的中心點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)標(biāo)定參數(shù)將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理距離。

2模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于機(jī)器視覺的天輪偏擺測(cè)量實(shí)驗(yàn)在提升系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，對(duì)比圖像測(cè)量結(jié)果和傳感器采集結(jié)果來驗(yàn)證所提方法的有效性。位移傳感器布置在導(dǎo)向輪的輪緣外側(cè)，設(shè)置采樣頻率為512Hz。相機(jī)布置在導(dǎo)向輪正前方，幀率為40FPS。測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向輪，利用標(biāo)定好的相機(jī)對(duì)導(dǎo)向輪圖像采集，并進(jìn)行邊緣提取，整個(gè)過程如圖3所示。

從圖3處理結(jié)果可以看出圖像邊緣檢測(cè)算法可以有效地提取到輪緣圖像，得到輪緣中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。以首張圖像為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算天輪的偏擺位移，并將其與傳感器測(cè)量結(jié)果對(duì)比，消除相位差后對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4換向輪偏擺量測(cè)量

從對(duì)比結(jié)果中可以看出測(cè)量得到的結(jié)果在總體趨勢(shì)變化上極為相近，圖像測(cè)量結(jié)果峰峰值為4.27mm，傳感器測(cè)量結(jié)果峰峰值為4.45mm，相對(duì)誤差約為4%，多次重復(fù)測(cè)試相對(duì)誤差均小于5%，說明圖像測(cè)量方法可以達(dá)到較高的測(cè)量精度，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在某礦混合井多繩摩擦提升系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試。該提升機(jī)提升高度為1041.7m，天輪直徑為4m。采用由深圳度申科技有限公司生產(chǎn)的MGS501H千兆網(wǎng)CCD相機(jī)對(duì)天輪圖像進(jìn)行采集，其最大幀數(shù)為14FPS，分辨率為2592（寬）×1944（高），可通過POE方式供電。圖5為現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖。

天輪偏擺監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。天輪平臺(tái)位于高空且無遮擋物，受光線影響較大。日間采集的圖像和夜間采集的圖像分別如圖6（a）和圖6（b）所示。

采集的圖像質(zhì)量受到光照強(qiáng)度和角度的影響大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致圖像失真?？紤]到天輪偏擺量為漸變值，因此設(shè)定在特定時(shí)間進(jìn)行采集。采集到的天輪偏擺峰峰值數(shù)據(jù)如下表所示，其為30分鐘內(nèi)記錄的上天輪的偏擺數(shù)據(jù)。從中可以看出此時(shí)天輪的偏擺量未超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，可以認(rèn)為此時(shí)天輪無偏擺故障。

結(jié)語

基于天輪平臺(tái)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了天輪偏擺監(jiān)測(cè)方案，解決部分天輪偏擺監(jiān)測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)、傳感器安裝困難等問題。提出了基于機(jī)器視覺的天輪偏擺監(jiān)測(cè)方法的主要流程，并通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提機(jī)器視覺方法測(cè)量結(jié)果與位移傳感器測(cè)量結(jié)果相比，相對(duì)誤差小于5%，說明所提方法可用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)天輪偏擺量測(cè)量。

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作者簡(jiǎn)介：吳小衛(wèi)（1986—），男，漢族，陜西安康漢陰縣人，本科，工程師，研究方向?yàn)槊旱V機(jī)電技術(shù)管理。