機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)及其測(cè)量料位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及料位測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)及其測(cè)量料位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)的快速發(fā)展，依靠機(jī)器視覺(jué)識(shí)別與計(jì)算進(jìn)行料位測(cè)量與監(jiān)視的想法一直以來(lái)廣受關(guān)注，因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)識(shí)別不僅可以實(shí)時(shí)顯示物料(物體)的高度或者距離，同時(shí)可以向用戶展示測(cè)量對(duì)象的圖像，讓用戶可以“眼見(jiàn)為實(shí)”的對(duì)監(jiān)視環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。
[0003]但是，多年來(lái)機(jī)器視覺(jué)料位監(jiān)控設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中，并沒(méi)有被真正大量使用與普及的主要原因，還是因?yàn)楝F(xiàn)有的機(jī)器視覺(jué)料位監(jiān)控設(shè)備與方法，無(wú)法滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)真正的狀況或者測(cè)量方法在實(shí)際測(cè)量中無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)。
[0004]現(xiàn)有的機(jī)器視覺(jué)料位識(shí)別設(shè)備與方法主要分為如下兩種:
1、對(duì)被測(cè)量物料圖像進(jìn)行直接分析判斷，判斷物料料位。該種方法直接采集物料和測(cè)量空間內(nèi)的圖像，采用實(shí)時(shí)圖像與測(cè)量設(shè)備中預(yù)存的圖像進(jìn)行對(duì)比，判斷實(shí)時(shí)圖像所展示的圖像符合高度表中的那個(gè)圖像，做出料位判斷。該種方法，需要預(yù)先錄制和存儲(chǔ)各個(gè)不同高度的物料圖像，并存儲(chǔ)于設(shè)備中。預(yù)先要進(jìn)行高度與圖像的標(biāo)定。
[0005]如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?1107328.4，公開日2002.11.6，公開了一種數(shù)字視頻料位計(jì)， 該數(shù)字視頻料位計(jì)由視頻輸入器、圖像采集卡、微處理器和顯示屏相互連接而成。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)固體物料料位，其檢測(cè)料位步驟為料位圖像采集、數(shù)字圖像處理和分
析、存儲(chǔ)顯示。把視頻輸入器對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物料，視頻輸入器又連接到圖像采集卡的視頻輸入端，微處理器控制圖像采集卡按用戶設(shè)定的采樣周期采集料位圖像，并對(duì)該圖像進(jìn)
行處理，將分析出的料位坐標(biāo)值與標(biāo)定的刻度計(jì)比較計(jì)算出料位真實(shí)值，同時(shí)將料位圖
像、料位真實(shí)值以及該值的變化趨勢(shì)顯示在顯示屏上。其測(cè)量料位的主要手段是利用料
位坐標(biāo)點(diǎn)處標(biāo)定的刻度計(jì)上的讀數(shù)來(lái)獲取料位真實(shí)值的。
[0006]中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?9100675.5，公開日2000.8.16，公開了一種散焦聚距離測(cè)定方法，尤指一種利用影像處理的方法做廣角度的物體距離測(cè)定，即利用一對(duì)某一特定距離
為焦距的鏡頭，取得實(shí)際景物的模糊影像后，再利用不同的反函數(shù)(散焦函數(shù)的反函數(shù))
的卷積換算，將其劃分為若干區(qū)塊，并對(duì)其區(qū)塊進(jìn)行散焦情況的對(duì)比，由對(duì)比結(jié)果與預(yù)先求得的值比較求出距離值，獲得以鏡頭圓心的各點(diǎn)距離的估計(jì)值。
[0007]2、使用單個(gè)點(diǎn)光源照射物料，通過(guò)對(duì)單個(gè)光斑的圖像特征判斷，判斷物料料位。該種方法通過(guò)測(cè)量單個(gè)光斑的圖像特征，間接測(cè)量物料料位。
[0008]如:中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00710038493.8，公開日2008.9.24,公開了一種基于機(jī)器視覺(jué)
的料位測(cè)量方法和裝置，該裝置由特殊點(diǎn)光源、圖像采集機(jī)、機(jī)器視覺(jué)模塊等組成。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)固體物料料位，其檢測(cè)料位步驟為:由安裝在料倉(cāng)頂部的特殊的點(diǎn)
光源發(fā)射出的光束，投射在物料表面，從料倉(cāng)的垂直剖面上看是等腰的錐形。在不同高度的水平橫截面上得到不同直徑的高亮度光圓圖像，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)模塊采用驗(yàn)證型光圓
檢測(cè)算法進(jìn)行分析和處理，計(jì)算出光源的直徑或面積大小進(jìn)而獲得料位值。同時(shí)，真實(shí)的顯示料位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖像的裝置。
[0009]中國(guó)專利號(hào)201010509916.1，一種非接觸式煤倉(cāng)煤位光電測(cè)量方法與裝置，提供了一種非接觸式，基于圖像中激光光斑成像點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)間的像素?cái)?shù)，獲取料倉(cāng)內(nèi)物料深度值的光電測(cè)量方法及裝置，屬物位測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。特別適用于煤倉(cāng)煤位的深度測(cè)量。本發(fā)明裝置在筒狀煤倉(cāng)主軸頂部固定數(shù)字相機(jī)和激光發(fā)射器，使相機(jī)光路垂直于物料表面，將激光發(fā)射器布置在與水平方向成Θ角的位置，確保激
光光斑的成像區(qū)域能夠投射在相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)的物料表面上。相機(jī)采用N檔分段定焦，以滿足在煤倉(cāng)的不同煤位處均能攝取清晰的圖像。采用DSP作為處理器內(nèi)核，通過(guò)計(jì)算激光光斑成像點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)間的像素?cái)?shù)，查詢預(yù)先標(biāo)定的對(duì)應(yīng)不同像素?cái)?shù)均值的深度表，完成深度檢測(cè)。
[0010]以上現(xiàn)有的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別方法，無(wú)法被真正使用的原因在于，忽略了視頻與圖像設(shè)備成像原理特性:即使同樣面積的圖像，在同樣成像焦距參數(shù)下，離圖像獲取設(shè)備越遠(yuǎn)圖像越?。蝗绻倏紤]獲取清晰圖像需要變焦，同樣面積圖像在圖像獲取設(shè)備中圖像大小更加復(fù)雜多變。因此現(xiàn)有技術(shù)，無(wú)論通過(guò)直接獲取圖像還是通過(guò)圖像與預(yù)存圖像比較方法或者直接計(jì)算投射光斑面積或者偏離像素的方法，均忽略了圖像獲取設(shè)備基本成像原理以及圖像獲取設(shè)備變焦帶來(lái)的更加復(fù)雜的參數(shù)變化，均無(wú)法真正實(shí)施，也就無(wú)法獲取物料準(zhǔn)確料位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)及其測(cè)量料位的方法，可以消除圖像獲取部件成像原理與變焦等因素對(duì)于圖像計(jì)算的影響，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物料料位的連續(xù)測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的定點(diǎn)監(jiān)控，還可測(cè)量出物料表面的傾斜角度，測(cè)量準(zhǔn)確、可靠，方法簡(jiǎn)潔，算法簡(jiǎn)單且高效。
[0012]技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)，包括光發(fā)射部件、圖像采集部件、運(yùn)算處理器和信號(hào)輸出部件，所述光發(fā)射部件和所述圖像采集部件均設(shè)置在待測(cè)物料所在測(cè)量空間內(nèi)，所述運(yùn)算處理器分別連接所述圖像采集部件和所述信號(hào)輸出部件;所述光發(fā)射部件用于向所述待測(cè)物料表面投射至少兩束平行光以及至少一束與各所述平行光呈預(yù)設(shè)夾角的傾斜光；所述圖像采集部件用于采集各所述平行光和各所述傾斜光照射到所述待測(cè)物料表面后形成的平行光光斑和傾斜光光斑的圖像，并將所述圖像發(fā)送給所述運(yùn)算處理器;所述運(yùn)算處理器用于根據(jù)各所述平行光之間的實(shí)際間距、各所述傾斜光的光源與各所述平行光之間的實(shí)際間距、各所述預(yù)設(shè)夾角、各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距以及各所述傾斜光光斑與各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距，運(yùn)算處理獲得各所述傾斜光的光斑位置處的所述待測(cè)物料的料位信息，并將所述料位信息信號(hào)傳輸給所述信號(hào)輸出部件;和/或，所述運(yùn)算處理器用于根據(jù)所述待測(cè)物料的料位到達(dá)預(yù)設(shè)高度時(shí)，各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距、各所述平行光光斑與各所述傾斜光斑之間在所述圖像中的圖像間距，以及所述圖像采集部件實(shí)時(shí)采集到的圖像中，各平行光光斑之間的圖像間距、各所述平行光光斑與各所述傾斜光光斑之間的圖像間距，運(yùn)算處理邏輯判斷出所述待測(cè)物料是否到達(dá)所述預(yù)設(shè)高度，并將所述邏輯判斷的結(jié)果信號(hào)傳輸給所述信號(hào)輸出部件;所述信號(hào)輸出部件用于將所述料位信息和/或所述邏輯判斷的結(jié)果信號(hào)輸出。
[0013]優(yōu)選地，在各所述平行光光斑和各所述傾斜光光斑中，至少有兩個(gè)所述平行光光斑和一個(gè)所述傾斜光光斑位于同一直線。
[0014]優(yōu)選地，所述位于同一直線上的兩個(gè)所述平行光光斑和一個(gè)所述傾斜光光斑均位于所述待測(cè)物料的同一料位高度。
[0015]進(jìn)一步地，若所述光發(fā)射部件向所述待測(cè)物料表面投射至少兩束的平行光以及至少兩束與各所述平行光呈預(yù)設(shè)夾角的傾斜光;則所述運(yùn)算處理器根據(jù)各所述平行光之間的實(shí)際間距、各所述傾斜光的光源與各所述平行光之間的實(shí)際間距、各所述預(yù)設(shè)夾角、各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距、各所述傾斜光光斑與各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距，運(yùn)算處理獲得所述待測(cè)物料的表面傾斜度信息，并將所述表面傾斜度信息信號(hào)傳輸給所述信號(hào)輸出部件;所述信號(hào)輸出部件將所述料位信息、所述邏輯判斷的結(jié)果和/或所述表面傾斜度信息信號(hào)輸出。
[0016]優(yōu)選地，在至少兩個(gè)所述平行光光斑和至少兩個(gè)所述傾斜光光斑中，至少兩個(gè)所述平行光光斑和至少兩個(gè)所述傾斜光光斑位于同一直線且沿所述待測(cè)物料同一傾斜表面的傾斜方向依次排列。
[0017]進(jìn)一步地，若所述光發(fā)射部件向所述待測(cè)物料表面投射至少四束平行光以及至少兩束與各所述平行光呈預(yù)設(shè)夾角的傾斜光;則所述運(yùn)算處理器根據(jù)各所述平行光之間的實(shí)際間距、兩兩所述平行光之間組成的各平面之間的實(shí)際間距、兩兩所述傾斜光的光源之間的高度差、各所述傾斜光的光源與各所述平行光之間的實(shí)際間距、各所述預(yù)設(shè)夾角、各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距以及各所述傾斜光光斑與各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距，運(yùn)算處理獲得所述待測(cè)物料的表面傾斜度信息，并將所述表面傾斜度信息信號(hào)傳輸給所述信號(hào)輸出部件;所述信號(hào)輸出部件將所述料位信息、所述邏輯判斷的結(jié)果和/或所述表面傾斜度信息信號(hào)輸出。
[0018]優(yōu)選地，在至少四個(gè)所述平行光光斑和至少兩個(gè)所述傾斜光光斑中，至少四個(gè)所述平行光光斑和至少兩個(gè)所述傾斜光光斑均位于所述待測(cè)物料同一傾斜表面，且至少兩個(gè)所述平行光光斑和至少一個(gè)所述傾斜光光斑位于第一直線、第一料位高度上，另外還有至少兩個(gè)所述平行光光斑和至少一個(gè)所述傾斜光光斑位于第二直線、第二料位高度上，位于所述第一直線上的兩個(gè)所述平行光光斑的光線構(gòu)成第一平面，位于所述第二直線上的兩個(gè)所述平行光光斑的光線構(gòu)成第二平面，所述第一平面與所述第二平面平行。
[0019]進(jìn)一步地，所述的機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)還包括減震穩(wěn)定部件，所述減震穩(wěn)定部件與所述光發(fā)射部件和/或所述圖像采集部件有效接觸。
[0020]優(yōu)選地，所述減震穩(wěn)定部件為機(jī)械被動(dòng)式或陀螺儀主動(dòng)控制式。
[0021]進(jìn)一步地，所述的機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)還包括防塵除灰部件，所述防塵除灰部件位于所述圖像采集部件和/或所述光發(fā)射部件附近且與所述運(yùn)算處理器相連。
[0022]優(yōu)選地，所述防塵除灰部件為氣體吹掃機(jī)構(gòu)或機(jī)械刷動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0023]進(jìn)一步地，所述的機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)還包括照明部件，所述照明部件固定在所述待測(cè)物料所在容器內(nèi)部且與所述運(yùn)算處理器連接。
[0024]優(yōu)選地，所述照明部件為可見(jiàn)光照明設(shè)備或紅外線非可見(jiàn)光照明設(shè)備。
[0025]進(jìn)一步地，所述的機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)還包括紅外或者激光原理的測(cè)溫部件，用于遠(yuǎn)距離測(cè)量物料表面的溫度信息，所述測(cè)溫部件與所述運(yùn)算處理器連接，所述測(cè)溫部件將所述溫度信息發(fā)送給所述運(yùn)算處理器，所述運(yùn)算處理器再將所述溫度信息通過(guò)所述信號(hào)輸出部件輸出。
[0026]進(jìn)一步地，所述光發(fā)射部件還用于投射垂直于所述平行光的輔助光。
[0027]進(jìn)一步地，所述運(yùn)算處理器還用于對(duì)所述圖像進(jìn)行運(yùn)算處理得到所述待測(cè)物料的三維立體圖像，并將所述三維立體圖像經(jīng)所述信號(hào)輸出部件輸出。
[0028]進(jìn)一步地，所述圖像采集部件還用于采集火焰或燃燒圖像，并將火焰或燃燒圖像發(fā)送給所述運(yùn)算處理器，所述運(yùn)算處理器還用于在接收到所述火焰或燃燒圖像時(shí)控制外接報(bào)警器報(bào)警，或者所述運(yùn)算處理器將所述火焰或燃燒圖像經(jīng)所述信號(hào)輸出部件輸出。
[0029]進(jìn)一步地所述圖像獲取部件還用于采集所述測(cè)量空間內(nèi)的環(huán)境圖像，并將所述環(huán)境圖像發(fā)送給所述運(yùn)算處理器，所述運(yùn)算處理器再將所述環(huán)境圖像通過(guò)所述信號(hào)輸出部件輸出。
[0030]本發(fā)明還提供了一種機(jī)器視覺(jué)料位計(jì)測(cè)量料位的方法，包含以下步驟:S1:向所述待測(cè)物料表面投射至少兩束平行光以及至少一束與各所述平行光呈預(yù)設(shè)夾角的傾斜光，各所述平行光和各所述傾斜光照射到所述待測(cè)物料表面后對(duì)應(yīng)形成平行光光斑和傾斜光光斑;S2:預(yù)存各所述平行光之間的實(shí)際間距、各所述傾斜光的光源與各所述平行光之間的實(shí)際間距以及各所述傾斜光與各所述平行光之間的實(shí)際夾角；或者，預(yù)存所述待測(cè)物料的料位到達(dá)預(yù)設(shè)高度時(shí)，各所述平行光光斑之間在所述圖像中的圖像間距、各所述傾斜光光