目前,散状物料在动态输送过程中直接进行称重的计量方式在煤炭、矿山、电力、冶金、港口和粮食等许多领域广为应用。其动态计量数据因牵扯到多方利益而备受关注,不断提高动态计量系统的计量准确性和智能化,满足用户的多方面需求是近些年来散状物料动态计量领域研究的重要方向。电子皮带秤和核子皮带秤是两种主要的传统皮带秤动态计量方式,电子皮带秤属于接触式测量,其计量精度不仅仅取决于承载器结构、数学称重模型、传感器精度,由于受到安装位置、震动及运转工况等皮带运输系统本身所固有的不可去除因素的影响,精度0.01%的传感器实际计量精度能达到0.5%已经是比较理想的结果。因此,为了提高计量精度,实际使用中通常的处理方法是对设备及系统进行标校。目前常用的三种标校方法中,实物标校相对挂码标校和链码标校更为有效,也是国家标准推荐的电子皮带秤标校方法。但采用实物标校,操作麻烦,需要投入较多的人力物力资源,而且有些现场不适合进行实物标校。动态计量设备及系统标校的一个关键问题在于标校时机难以掌握,一般是发现数据量不对的情况下再进行标校,而此时已经产生对计量准确性的影响。此外,对于一些特殊工况,如煤矿回采区皮带的动态计量,由于皮带安装位置经常变动,且需要经常收缩,无法使用电子皮带秤,目前这种工况只能采用核子皮带秤进行计量。核子皮带秤用到放射性核源,属于非接触式测量,计量原理决定其实际计量精度较电子皮带秤要低,且出于环境保护和安全的需要,核子皮带秤的应用受到越来越多的限制。激光皮带秤和视觉式皮带秤等为皮带秤动态计量引入了新的技术原理,该类系统在工况合适的场合,标定好后可以长期稳定运行,但对设备运行环境要求较高,因此其实际应用也受到较大限制。为了解决目前散状物料动态计量系统标校时机难以掌握,系统使用受工况限制的问题,提高动态计量系统的计量精度和适用性,本文基于机器视觉测量的优点,提出了一种新的基于机器视觉测量的散状物料动态计量系统设计方案。该系统把利用机器视觉系统实现物料体积测量与通过电子皮带秤进行物料质量测量的两种计量原理结合使用在同一系统平台下,通过同时测量得到的散状物料的质量和体积计算出堆积密度,利用对堆积密度的实时判断,确定系统的运行状态,分辨是否需要标校。对于某些散状物料如煤炭,其皮带运输系统的物料可能包括煤和矸石,根据煤和矸石的堆积密度不同,还可以识别出物料的种类实现分别计量,从而进一步提高计量准确性。基于上述目的,本文主要完成了以下工作:1.确定机器视觉研究方案。对机器视觉方法原理及应用进行了详细分析,对比研究难度及可行性,本文选择了基于线结构光的单目视觉法展开散状物料动态计量研究。2.搭建视觉测量系统平台。(1)详细分析了体积测量模型和系统设计约束,基于三角测量原理,针对直射式和斜射式两种结构设计方式进行了比较分析,设计了一套视觉测量装置方案,并研制了样机。该测量装置将图像处理器和激光发射器置于同一个封闭的金属腔体内,摄像机和激光发射器的空间相对位置固定,利用改变反光板在调节杆上的固定位置和相对于调节杆的角度,来达到调整激光线的投影位置和测量范围的目的。该结构设计减少了设备数量,降低了制造和检验成本;设备结构紧凑,便于安装和维护;视觉采集装置有了防爆的金属腔体保护,适合应用于如煤矿井下等环境恶劣的工业现场。(2)深入阐述了影响视觉测量系统图像质量的因素,主要包括视觉传感器和镜头的参数选择、结构光光源的功率和波长、被测物料的种类、形状、颗粒大小、颜色等影响因素,该论述为视觉测量系统的构建和研究提供了依据和方向。3.图像处理方法研究。(1)图像预处理研究。依据图像预处理流程,本文对激光线条纹图像预处理的各个步骤分别进行了探讨。利用图像灰度化的三种方法对同一幅含有红色或绿色激光线条纹的图像分别进行了灰度化实验。结果表明:1)当图像含有绿色激光线条纹时,加权平均法计算得到的灰度值大于平均值法计算的结果,即加权平均法处理所得图像亮度大于平均值法处理所得图像亮度;2)当灰度化图像中激光线条纹为红色时,使用加权平均法和平均值法处理结果在亮度显示上区别不大;3)最大值法进行灰度处理,显示亮度最高。通过对研究目标图像特征的分析,利用Otsu方法求取二值化的阈值,并应用3x3窗口模板完成了中值滤波。实验证明:在适当的环境光照条件下,上述方法可以实现较为理想的预处理效果。对于光照过强或者过弱的图像,为了降低环境光的影响,本文提出了基于亮度自适应的图像预处理方法,根据人类视觉感光原理,推导了亮度自适应的图像预处理数学模型。(2)激光线条纹中心提取算法研究。总结了激光线条纹中心提取算法的原理及特点,分析了现有方法存在的问题。骨架抽取是激光线条纹中心提取的方法之一,本文对骨架抽取算法进行了深入分析。阐述了二值图像骨架化的主要方法:拓扑细化和基于距离变换方法以及针对这两类方法的研究和改进。根据经验,基于距离变换方法的处理速度要优于细化方法,因此,本文提出了一种基于距离场梯度优化的骨架快速提取方法。选取棋盘距离作为距离度量,且对距离场梯度化时只选择0°、45°、90°、135°四个方向计算梯度,选择4个方向的梯度图在同一位置的灰度的最大值作为当前像素点灰度值,形成新的梯度图。经过梯度优化处理,可以大大提高算法速度,以满足系统实时性要求。定义了距离阈值的概念,结合线性插值处理速度快和三次B样条插值处理精确的优点,提出了一种基于距离阈值的插值方法,以实现激光断线修补。首先设定距离阈值T,相邻断线两近端端点距离为L,当L<T时,采用线性插值,当L≥T时,利用三次B样条曲线插值。在B样条曲线插值中,关键任务在于获得可靠的控制点,为此,把研究目标的运动看成是匀速直线运动,利用前后相邻两幅图像位置变化结合运动速度计算出控制点,如果前后相邻两幅图像的激光线条纹在同一位置发生断线,则根据断线近端两端点坐标线性插值。4.系统标定方法研究。分析了线结构光测量系统模型、常用标定方法原理及特点,提出了一种考虑系统畸变的线结构光测量系统标定方法——“分离标定法”:对系统畸变采用非量测校正,通过平面模板法求解摄像机内外参数,并基于自由移动平面靶标完成系统光平面的标定,减小了参数之间的耦合,简化了标定过程,提高了标定效率。(1)本文选取直线与畸变后曲线所围成区域面积作为畸变测度,进行非量测校正。通过对非线性优化方法的分析,提出利用GA+LM算法相结合的方法非线性优化畸变测度函数。该方法首先利用遗传算法全局搜索求初解,将其作为LM算法的初值,再利用LM算法局部寻优得到终解。这种优化方法充分发挥了遗传算法的全局优化的优势,而且避免了陷入局部迭代,提高了算法运行效率。通过实验比较几种非线性优化方法的RMSE及运算时间,验证了该方法的有效性。(2)本文提出的标定方法,基于自由移动的标定板,分别采集被测目标较高位置和较低位置两幅图像,就能快速求解光平面方程;使用“分离标定法”,当摄像机或光源位置变动时不需要重新标定全部参数。应用本文所提标定方法与基于交比不变的方法分别计算靶标上特征点的距离,以基于交比不变方法计算距离的结果为基准,把二者的差值作为误差评价指标,最大绝对误差0.12mm,平均相对误差0.290%,测量结果理想,满足精度要求。5.基于机器视觉的煤炭动态计量系统设计与实现。针对煤炭皮带输送系统,利用本文研究的关键技术和方法,实现了一套基于机器视觉的煤炭动态计量系统。设计了系统的核心部件——产量监控单元,并研制开发了产量监控单元样机和上位机监控软件平台。通过称重传感器得到物料质量,利用视觉测量系统获得相应的物料体积,根据质量计算公式得到物料的堆积密度。对物料堆积密度进行实时判断,可以及时确定系统状态及标校时机,同时系统实现了煤和矸石的在线分辨,大大提高了系统的计量准确性。上位机监控软件平台增强了系统人机交互的友好性,满足了动态计量显示的多样化需求。