煤炭除雜自動(dòng)化系統的設計

第2期工礦自動(dòng)化No, 22008年4月Industry and Mine AutomationApr.2008文章編號:1671- 251X(2008)02 -0100-03煤炭除雜自動(dòng)化系統的設計吳濤(北京神華國際技術(shù)有限責任公司,北京100011)摘要:文章介紹了煤炭除雜自動(dòng)化系統的設計,給出了系統的整體結構及各組成部分的工作原理。該系統采用困象處理和識別技術(shù)對謀與雜物進(jìn)行識別,結合計算機技術(shù)和機械自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現了煤.雜物的自動(dòng)關(guān)鍵詞:謀礦;除雜;自動(dòng)化;計算機視覺(jué);關(guān)節式機械手;運動(dòng)分析;控制系統中圖分類(lèi)號:TD67文獻標識碼:B2.1 硬件配置0引言考慮到現場(chǎng)的情況,選用CM0S攝像頭,像素針對目前我國煤雜分選大多采用手選,工人勞為3 000 000;采集卡選用北京中自公司的M10_ L,動(dòng)強度大、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣等情況,筆者微機為586以上,內存32MB以上,硬盤(pán)800MB以設計了煤炭除雜自動(dòng)化系統。該系統將計算機視覺(jué)上,硬件必須和采集卡兼容(否則易死機);考慮到環(huán)系統和機械手聯(lián)合起來(lái),大大改善了工人的工作環(huán)境的影響,選用可見(jiàn)光作為光源(白熾燈);為使圖象境,降低了工人的勞動(dòng)強度,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,具獲得高對比度,照射方法選用背向照明,即被測物放有良好的社會(huì )和經(jīng)濟效益。在光源和攝像機之間。2.2軟件設計1系統組成圖象的實(shí)時(shí)采集、處理、坐標轉換程序均由VB煤炭除雜自動(dòng)化系統包括計算機視覺(jué)系統、關(guān)語(yǔ)言編寫(xiě)(程序略)。圖象處理部分包括:節機械手和控制系統3個(gè)部分,如圖1所示。(1)圖象的平滑處理:采用中值濾波法(較均值濾波效果好,但所需時(shí)間較長(cháng))。白熾燈(2)閾值的提取和圖象的二值化:采用大凈的尿采集控制設備攝像頭.判斷分析法,即將被分開(kāi)的兩部分像素之間方差最雜物計算機通信電路輸送帶-執行機構大的像素作為閾值,閾值由程序自動(dòng)產(chǎn)生,根據閾值二值化圖象。(3)二值化圖象的邊界跟蹤:跟蹤方法是在左圖1系統組成圖手法則和搜索法的基礎上,針對該系統的具體情況2計算機枧覺(jué)系統進(jìn)行改善。具體做法是圍繞物體中心在360°內分成4個(gè)搜索方向,分別對應1個(gè)搜索因子,如圖2所該系統的主要功能是通過(guò)對圖象的實(shí)時(shí)采集處示。找到物體的初始點(diǎn)后,先以3點(diǎn)鐘方向為初始理,識別出輸送帶上產(chǎn)品中的雜物(前提:產(chǎn)品、輸方向,順時(shí)針搜索,當相對搜索因子大于4時(shí),搜索送帶與雜物的像素值存在著(zhù)較大的差別),并將需取方向改為以6點(diǎn)鐘方向為初始方向繼續順時(shí)針搜雜物的重心直角坐標轉換成各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)量,進(jìn)索,依次循環(huán),直至與初始點(diǎn)重合,停止搜索(稱(chēng)其為而轉換各個(gè)關(guān)節電機所需的脈沖數,通過(guò)I/O接口時(shí)鐘法)。送出脈沖給電機控制器,驅動(dòng)電機轉動(dòng),使機械手到中國煤化工的是為了順利找達目標點(diǎn),抓取物體,以達到除雜的效果。到下JTTHCNMH G有多個(gè)雜質(zhì)的情況,充為另一灰度值收稿日期:2007-08-24作者簡(jiǎn)介:吳濤(1980-).男 ,江蘇常州人,碩士,助理工程師，(如200)。經(jīng)過(guò)圖象處理最后得到雜質(zhì)的面積以及現主要從事煤炭深加工技術(shù)和相關(guān)設備的研發(fā)工作。該物體的重心坐標(單位像素),判斷最大雜物的面2008年第2期昊濤:煤炭除雜自動(dòng)化系統的設計101●積是否大于一定的值,如果大于,即將其重心坐標進(jìn)運行時(shí)間 ,這里放棄位置求解法(因它需要進(jìn)行坐標行單位轉化,轉化為毫米級(每像素長(cháng)=0.5 mm,每系的連續變換，即變換矩陣的連乘,軟件實(shí)現較困難，像素寬=0.33 mm) ,再根據物體重心坐標與各電機且所需時(shí)間較長(cháng)),而推出一種求運動(dòng)方程的逆解法，所需脈沖數的關(guān)系,將坐標數轉變成電機的脈沖數，也可稱(chēng)為間接位置求解法。具體實(shí)現方法如下:通過(guò)對VB自身的MSComm控件將脈沖數傳給單先求大.小臂的運動(dòng)參數,根據大、小臂的相對片機8031。運動(dòng)情況,可將大、小臂看作為-一個(gè)伸縮機構，也就12點(diǎn)鐘方向是說(shuō)大.小臂通過(guò).一個(gè)關(guān)節相連接的目的是改變執搜索因子kit行機構的長(cháng)度。于是角度的轉變過(guò)程便可看成是長(cháng)度調整的過(guò)程,而大臂的轉動(dòng)最終帶動(dòng)末端執行器9點(diǎn)鐘方向-. 3點(diǎn)鐘方向到達所指定的坐標。小臂相對大臂轉動(dòng)使AC間的搜索因子kig搜索因子kin距離調整到AC' ,使得AC的距離等于A(yíng)E的距離。.大臂轉過(guò)0角,相應的小臂運動(dòng)到E處。其運動(dòng)軌6點(diǎn)鐘方向跡如圖3所示(在大、小臂所在平面內,以大臂與底搜索因子kim座接觸中心為坐標原點(diǎn)建立直角坐標系)。.圖2方向搜索示意圖C"(%".,")3關(guān)節式機械手的設計關(guān)節式機械手的驅動(dòng)方式選用電力驅動(dòng),驅動(dòng)_ 小臂/_BXmn)源選用步進(jìn)電機,自由度數設計為5個(gè),能完成5個(gè)CUXaY6)大oy運動(dòng)，即腰回轉、肩回轉、肘回轉、手腕擺動(dòng)和手的張合。采用點(diǎn)位控制方式，能抓取最大為0.5 kg的物4(0.0)Cux,Y)體(最大體積為80 mmX80 mmX80 mm)。手爪的張.Eu.n開(kāi)由電機帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現,手爪的閉合由回復彈簧完成;通過(guò)電機帶動(dòng)鏈傳動(dòng)確保機械手爪始終垂直向圖3大、小臂運動(dòng)軌跡圖下;而大.小臂的回轉和底座的轉動(dòng)由齒輪傳動(dòng)實(shí)現。圖3中,圓O。表示長(cháng)度AC調節為AE時(shí)可能底座中心布置在輸送帶的中間,以機械手爪能存在的C點(diǎn)的集合;圓O表示大臂不動(dòng)時(shí),只轉動(dòng)夠到達的扇形區域為依據,由作圖法確定大,小臂的小臂上C點(diǎn)的集合,它與圓O。的交點(diǎn)有2個(gè):C和長(cháng)度分別為500mm,450mm.CMOS攝像頭布置C". 等價(jià)于求圓X2 +Y=AE與圓(X- Xg)°+在機械手的前方,兩者之間的距離由輸送帶的速度(Y-Yg)*=BC'的交點(diǎn)坐標。通過(guò)計算得C'和C"和圖象處理以及機械手動(dòng)作所耗時(shí)間共同決定?？嫉淖鴺酥?這時(shí)可比較BC'和BC'的大小，取其較小慮到機器人在工作過(guò)程中各關(guān)節的運動(dòng)范圍較大，值。由圖3可知:0=0',利用余弦定理可求出0i因而各構件重力所引起的偏重力矩很大，如果不采和02:取措施,勢必會(huì )引起驅動(dòng)元件和傳動(dòng)部件尺寸和重q=0= AC"+AE'-BEC"2AC●AE量增大,人工示教費力,且不能在任意位置停機,所.e,= BC"+BC'-CC'以在結構中,設計選用彈簧式平衡裝置來(lái)抵消或減2BC. BC小偏重力矩的影響。此外,對大、小臂的傳動(dòng)齒輪采.取[、I、IV.V分別為手腕、肘、肩、腰處驅動(dòng)電用合適的制動(dòng)器,進(jìn)一步確保系統的精確定位。機, I、IV電機的步距角為a=1.5°/步,大臂驅動(dòng)齒輪傳動(dòng)比i=5(電機配套減速器傳動(dòng)比為2),小臂4運動(dòng)分析驅動(dòng)齒輪傳動(dòng)比ir=4,則需送給I號電機的脈沖數由于控制方式采用點(diǎn)位控制,故無(wú)需考慮初始8.點(diǎn)與目標點(diǎn)之間的移動(dòng)路徑。由于初始點(diǎn)已知，目中國煤化工沖數m。=2a.n標點(diǎn)可通過(guò)攝像頭獲取圖象,經(jīng)采集卡進(jìn)行模/數轉_6CNM H G.”1號步近電禮時(shí)切能定休證手爪始終垂直換后送入PC機內存?？紤]到現場(chǎng)輸送帶的速度.向下,其轉過(guò)的角度是W、IV號電機轉過(guò)角度之和，(1~2 m/s) ,故必須優(yōu)化程序的設計,減少程序的102●工礦自動(dòng)化2008年4月因其步距角a=1.5*/步,傳動(dòng)比i=1,故需送給I號電機的脈沖數m2 =8+6_ 0+h.R電機人相a.i4N25包rDI同理,在水平面內建立直角坐標系,可求出V號| 8713電機所需的脈沖數ns。專(zhuān)↓本系統中各關(guān)節步進(jìn)電機(控制手爪電機除外)是同時(shí)工作的，而各關(guān)節的轉動(dòng)量不相同,傳動(dòng)比也圖5光電離 合器電路圖不同,導致輸入脈沖數不同,顯然m大于m和n,因單片機采用工業(yè)供電,可使用圖6所示的電路穩壓濾波。各脈沖數在數據存儲器的位置如下所示:m78035ττ°msICDB10假設ms>m: ms>n, ,從小到大重新排序:n?再對各脈沖數作進(jìn)-一步 處理:告脂一n m一m的s-n|圖6穩壓濾波電路圖經(jīng)過(guò)上述處理后，機械手的動(dòng)作就可按順序完為了能將圖象處理后的各電機脈沖通過(guò)單片機成各個(gè)脈沖數。完成- .個(gè)脈沖數后調整電機的選通送入各電機,單片機與微機之間選用串行通信,通信方式繼續下一個(gè)脈沖數,這樣就解決了4個(gè)電機同接口電路如圖7所示。步工作的問(wèn)題。Txup__ 好，fRxD5控制 系統設計-12控制系統結構如圖4所示。GNDIBM-PC080008圖7通信接口電路圖圖4控制系統結構圖6結語(yǔ)步進(jìn)電機的步數.方向和速度的控制都由微機實(shí)現,通過(guò)各接口進(jìn)行信號的傳遞,并作必要的隔該系統具有自動(dòng)識別、自動(dòng)控制、體積小.重量離;驅動(dòng)器的作用是將脈沖信號進(jìn)行功率放大.輕、運動(dòng)靈活、傳動(dòng)簡(jiǎn)單、控制方便等特點(diǎn),通過(guò)識別綜合考慮各方面因素,選用8031單片機作為處并自動(dòng)除去原煤中的雜物(如矸石、木塊和雷管),有理器的核心元件,片內產(chǎn)生時(shí)鐘信號,振蕩頻率為利于提高我國原煤的精度。如果在雜物周?chē)采w著(zhù)11. 059 2 MHz,復位電路選擇上電復位。對存儲大量的黑色煤塵,這時(shí)就需要在識別之前加上去除器.I/O口進(jìn)行適當的擴展,采用芯片8713 作為脈煤塵的環(huán)節,或者再采用其它方法作為輔助手段。沖分配器,單片機只需提供步進(jìn)脈沖進(jìn)行速度控制參考文獻:和轉向控制,脈沖分配的工作交給脈沖分配器自動(dòng)[1]張遠鵬. 計算機圖象處理技術(shù)基礎[M].北京:北京完成,大大減輕了CPU的負擔。大學(xué)出版社,1996.由于步進(jìn)電機的驅動(dòng)電流比較大,所以單片機2] 王新成高級圖象處理技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技與步進(jìn)電機連接的接口電路選用可編程接口芯片術(shù)出版社,2001.8255A.驅動(dòng)器選用大功率復合管,驅動(dòng)電路選擇[3]劉富強.基于圖象處理與識別技術(shù)的煤礦研石自動(dòng)單電壓驅動(dòng)。為了抗干擾或避免-且驅動(dòng)電路發(fā)生中國煤化工故障,造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機M.HCNMH G徐州:中國礦業(yè)大學(xué)而燒毀元器件,在驅動(dòng)器與單片機之間加一級光電[5]王庭樹(shù). 機器人運動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[M].西安:西安科技離合器電路,如圖5所示。大學(xué)出版社,1990.