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多源视觉集料动态图像控制系统设计与实现
2019年04月15日    阅读量:443    新闻来源:中国沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:采用多源视觉技术,从沥青混合料原材料选取级配设计要求进行集料动态图像采集研究,解决了当前沥青混合料生产中集料级配检测过程滞后、工序复杂、不能实时的监控问题。针对生产现场多料仓集料图像并行实时检测要求,设计了大功率LED光源结合以太网面阵相机多源视觉动态图像采集控制系统。设计了电动分料抽样采集装置、基于PLC的多轴无线运动控制系统、自适应千兆以太网交换机配合光纤收发器的动态图像数据传输系统,解决了多通道数据采集和实时快捷数据存储的可靠性问题,实现了集料动态图像的多相机实时并行采集与处理中国沥青网sinoasphalt.com。试验证明本系统能满足集料级配实时检测精度、可靠性和控制要求。


关键词:集料;动态级配检测;多源视觉;PLC

沥青混凝土路面在我国已成为主要的路面结构形式。集料配合比的合理决定着道路的使用寿命、道路的服务能力,是沥青混凝土路面使用性能的重要保证[1],同时也是沥青混凝土路面施工质量控制与检测过程中的重要指标。


目前,将成型的沥青混凝土路面试件或生产出的沥青混合料作为检测目标是国内外针对集料级配检测的通用方法。分散多步骤式的检测方法为传统的检测方法,其主要依靠机械和手工方式,但其检测结果受到被检测样品差异及检测者水平的影响较大,另外沥青混合料的各组成成分的含量不能被一次性地检测出来[2]。比如离心式抽提仪、回流式抽提仪可以对沥青混合料中沥青的含量进行检测;摇筛机可以对沥青混合料中的矿料进行检测等[3]。同时,检测环节是在沥青混合料生成之后,因此不能对其进行实时的动态检测,另外当矿料的级配环节处于路面施工现场时,不能对其进行有效的干预和控制。虽然国内外的学者已经通过数字图像的技术等对集料个体的形态特征进行了一些研究,但这些方式是仅限于以具体的矿料个体作为研究对象的方式[4],并没有解决在路面施工现场对矿质混合料的级配组成进行动态检测的问题。

多源视觉集料动态图像采集与传输系统总体结构设计如图1所示。拌和楼控制室工作站同沥青混合料生产现场的3个料仓可以通过应用主、从无线数据收发模块实现其全机械化的运动控制设备的无线组网,控制室的工作人员可通过结合宏观监控装置及运动控制系统的软件,对工作站端实时的级配信息以及监控现场图像采集情况等进行远程的、全局的监测,实现了精确控制现场图像的采集,提高了系统自动化和智能化程度,以及图像的动态采集质量。

为了提高系统的智能化程度,集料颗粒动态图像采集装置采用全部自动控制设计,硬件结构设计由照明系统和成像系统以及双重机械运动机构组成,如图2所示。本系统中集料的抽样采集,利用分料板的角度旋转以及它的水平移动实现,照明和成像部分是利用与分料板垂直的光源和相机组件来实现。

分料抽样采集板的水平位置和倾斜角度的精确调节利用旋转电机的运行以及控制水平位移电机即可实现,系统自动化水平和系统可靠性因此有了很大的提高。


集料颗粒图像采集装置方案设计如图3所示。对由一级传送带跌落到混合料传送带过程中的集料进行分料抽样采集,该设计方法可以避开采集的图像是堆积混合料表面黏连图像,得到充分离散的矿质混合料图像,采集到的是具有代表性的集料颗粒,提高图像分析的准确性。

具体安装架设方案是将可调节支架的两侧安装大功率LED光源与千兆以太网相机,LED光源光束与相机镜头中垂线在垂直于分料抽样的采集板的投射面。根据现场的具体情况,实际安装位置如图4所示。

由于沥青混合料的生产大多在露天的环境下进行,太阳光是其主要的环境光源,这样的环境光源具有不稳定性和不可控性,甚至存在阴雨或夜间施工的情况,必须要对图像采集对象施加补充光源才能要得到灰度和对比度稳定的图像[5]。LED灯具有节能环保、成本低、光谱相对单一、可制作成各种形状、尺寸及各种照射角度的特点。从对比度、亮度、鲁棒性这3个要素考虑[6],选择大功率LED光源作为补充光源[7]。鉴于存在生产现场图像采集设备安装空间小的特点,因此采用前向照明的方式。本系统相机的视场需要覆盖分料板(400mm×400mm)中心3/4的区域,即相机视场大小应满足300mm×300mm。如图5所示为相机成像视场图。


相机的精度应根据待测物体的特征分辨率来确定,由于本系统中待检测矿料的最小粒径为 0.3mm ,因此选择相机精度应满足可以识别矿料最小粒径 0.3mm 的要求。



相机传感器分辨率,即在精确测量中,通常用一个像素表征检测物体特征分辨率,将机器视觉系统的误差为一个像素作为保证的前提,传感器分辨率=视场(长或宽) ÷特征分辨率×1=300mm ÷300mm×1=1000像素,为了满足要求,相机分辨率应不低于1000×1000 。


相机帧频率选择要满足动态实时的采集图像要求,需要根据待检测集料颗粒跌落的速度计算得出。假设集料跌落的速度为自由落体速度,即集料从一级传送带跌落时的速度为0 ,跌落的最大距离若按照400mm 计算,则集料颗粒跌落过程中的最大速度可根据自由落体运动速度公式(1)求得:

同时考虑采集样本量的限制、动态图像实时处理速度以及图像数据传输带宽,经过现场进行反复试验后,选择设置相机帧频率为5fps。


现场试验表明采集的动态颗粒图像具有颗粒本身与其阴影对比度非常接近的特征[8],很难实现通过图像处理算法把颗粒从阴影中分离出来。从漫反射背景板考虑,目的是为了使颗粒阴影的对比度与背景板的对比度相近或者一致,需要通过调换不同颜色的漫反射背景板,以及调整图像中的背景与阴影的对比度,从而使阴影与图像背景融合。对比如图6所示。经过多次试验,确定采用黑色的均匀材质漫反射板的设计方案。在生产现场试验时,采用该黑色不透光屏蔽罩的方法,能够有效地解决由于环境光强度变化造成的采集图像不稳定的问题。

集料图像采集远程数据传输系统设计相机采用GigE标准接口,但是传输距离有限范围仅为100m,因此不能将采集到的图像数据传送到超过100m以上的距离;在施工现场共有3个料仓需要实时测量数据,要求3个相机同时并行采集图像,如果采集图像为1MB /副,由于已知相机的帧频率被设置为5fps ,那么每台相机每秒传输的数据量至少应为5MB ,那么3个料仓每秒需要并行传输15MB的图像数据。



本系统设计的以太网光纤收发器,采用千兆以太网交换机来配合,为了有效地保证多相机输入而不引起地址冲突,通过运用单模光纤传输的传输控制方式,可以实现多个相机并行采集和传输,传输距离远,速度快,保证了系统的传输可扩展性和可靠性 [9 ] 。图7为图像数据的传输控制方案设计图。

由于拌和楼设备的位置会随着工程进度不断地进行迁移,而且沥青混合料生产现场的环境复杂。如果利用有线传输,设备需要移动或者搬迁时还需要重新再铺设线缆,工程量非常大且麻烦,所以采用无线传输的方式控制系统信号传输是必 要的选择[10 ] 。


本系统采用一个500m 远的无线通信模块组成,实现了拌和楼控制室和沥青混合料生产现场的相互通讯,其实现方法是采用无线数据收发模块,配合PLC控制步进电机运动方式。通过利用无线数据收发模块 DTD433进行无线组网,可以使控制室内工作站与生产现场的运动控制器进行通讯,即将无线收发模块分别作为主机和从机加装在主控制室内工作站端和各个运动控制器端,从而实现了一对三的控制 [11 ] ,实际无线组网设计如图8所示。

本系统是由工作站对3个料仓同步实时控制,每个料仓都对应两个方向的双轴运动,由水平电机和旋转电机进行驱动。步进电机用于将驱动器的电脉冲信号转化成角位移信号[12],带动进给传动机构运动,电机的停止位置和转速由运动控制器的脉冲频率及脉冲数决定,如图9所示。为了使位置控制和限位更精确,电机控制采用闭环控制系统[13],工作站的控制指令将由运动控制器PLC接收,电机驱动器接收已转换为高速的电脉冲信号的控制指令,并且再将电脉冲信号进行功率放大,电机转动的角位移量和速度将由放大后脉冲信号个数和频率进行控制,传动机构的运动是由电机去带动运行[14],进给机构的位置信息是位置开关转化成电气信号同时反馈给PLC,PLC根据反馈回来的位置信息与工作站通讯,这种连接的方法可以实现对精度的控制[15]。

本系统的软件开发平台为LabVIEW2012,选用串口与下位机进行通信,使用图形工作站作为上位机。生产现场机械运动机构的无线远程控制,是由上位机监控软件将预先设定的特定控制命令发送给下位机,从而实现人机交互界面。系统中生产现场采集设备上的机械电机运动以及风扇、光源的开关状态,可以通过工作站的串口控制发送命令,PLC接收到指令通过无线传输的方式转化为机械运动从而去控制。工作人员可以根据由下位机反馈给上位机的位置信息做出判断。

本文设计的远程控制系统,精确地控制了电动分料抽样采集板的水平位置和倾斜角度,确保了抽样集料的样本量和集料颗粒的运动速度准确性调整,可以使跌落的集料充分地被采集到,解决了集料在跌落过程存在的遮挡、覆盖等诸多问题。设计的大功率LED光源和黑色且不透光挡板之间的联动控制机构解决了光源不足的问题,该设计可以保证系统具有稳定的成像,不会因为环境光强度变化而产生变化。黑色漫反射背景板可以使集料尽可能和背景板贴近,挡料板设计可以有效地降低在集料跌落过程中给背景产生图像阴影,两种设计结合可以保证集料级配计算准确性。自适应千兆以太网交换机设计具有光纤收发图像数据的单模光纤特征,完成了多个相机采集图像数据串并传输,解决了GigE数据接口的短距离传输为100m限制的问题,可以将采集到的图像数据传输范围扩大到8km,并且保证了大容量数据传输的快速性和准确性。本系统将现场试验与室内试验模拟进行了对比分析,证明系统可以满足工程实际应用中对集料级配实时检测要求,该方法适用性强,大容量数据实时存储可靠,具有较强的实际工程应用价值。


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