煤炭除杂自动化系统的设计

第2期工矿自动化No, 22008年4月Industry and Mine AutomationApr.2008文章编号:1671- 251X(2008)02 -0100-03煤炭除杂自动化系统的设计吴涛(北京神华国际技术有限责任公司,北京100011)摘要:文章介绍了煤炭除杂自动化系统的设计,给出了系统的整体结构及各组成部分的工作原理。该系统采用困象处理和识别技术对谋与杂物进行识别,结合计算机技术和机械自动化技术实现了煤.杂物的自动关键词:谋矿;除杂;自动化;计算机视觉;关节式机械手;运动分析;控制系统中图分类号:TD67文献标识码:B2.1 硬件配置0引言考虑到现场的情况,选用CM0S摄像头,像素针对目前我国煤杂分选大多采用手选,工人劳为3 000 000;采集卡选用北京中自公司的M10_ L,动强度大、生产效率低、工作环境恶劣等情况,笔者微机为586以上,内存32MB以上,硬盘800MB以设计了煤炭除杂自动化系统。该系统将计算机视觉上,硬件必须和采集卡兼容(否则易死机);考虑到环系统和机械手联合起来,大大改善了工人的工作环境的影响,选用可见光作为光源(白炽灯);为使图象境,降低了工人的劳动强度,提高了劳动生产率,具获得高对比度,照射方法选用背向照明,即被测物放有良好的社会和经济效益。在光源和摄像机之间。2.2软件设计1系统组成图象的实时采集、处理、坐标转换程序均由VB煤炭除杂自动化系统包括计算机视觉系统、关语言编写(程序略)。图象处理部分包括:节机械手和控制系统3个部分,如图1所示。(1)图象的平滑处理:采用中值滤波法(较均值滤波效果好,但所需时间较长)。白炽灯(2)阈值的提取和图象的二值化:采用大净的尿采集控制设备摄像头.判断分析法,即将被分开的两部分像素之间方差最杂物计算机通信电路输送带-执行机构大的像素作为阈值,阈值由程序自动产生,根据阈值二值化图象。(3)二值化图象的边界跟踪:跟踪方法是在左图1系统组成图手法则和搜索法的基础上,针对该系统的具体情况2计算机枧觉系统进行改善。具体做法是围绕物体中心在360°内分成4个搜索方向,分别对应1个搜索因子,如图2所该系统的主要功能是通过对图象的实时采集处示。找到物体的初始点后,先以3点钟方向为初始理,识别出输送带上产品中的杂物(前提:产品、输方向,顺时针搜索,当相对搜索因子大于4时,搜索送带与杂物的像素值存在着较大的差别),并将需取方向改为以6点钟方向为初始方向继续顺时针搜杂物的重心直角坐标转换成各个关节的运动量,进索,依次循环,直至与初始点重合,停止搜索(称其为而转换各个关节电机所需的脉冲数,通过I/O接口时钟法)。送出脉冲给电机控制器,驱动电机转动,使机械手到中国煤化工的是为了顺利找达目标点,抓取物体,以达到除杂的效果。到下JTTHCNMH G有多个杂质的情况,充为另一灰度值收稿日期:2007-08-24作者简介:吴涛(1980-).男 ,江苏常州人,硕士,助理工程师，(如200)。经过图象处理最后得到杂质的面积以及现主要从事煤炭深加工技术和相关设备的研发工作。该物体的重心坐标(单位像素),判断最大杂物的面2008年第2期昊涛:煤炭除杂自动化系统的设计101●积是否大于一定的值,如果大于,即将其重心坐标进运行时间 ,这里放弃位置求解法(因它需要进行坐标行单位转化,转化为毫米级(每像素长=0.5 mm,每系的连续变换，即变换矩阵的连乘,软件实现较困难，像素宽=0.33 mm) ,再根据物体重心坐标与各电机且所需时间较长),而推出一种求运动方程的逆解法，所需脉冲数的关系,将坐标数转变成电机的脉冲数，也可称为间接位置求解法。具体实现方法如下:通过对VB自身的MSComm控件将脉冲数传给单先求大.小臂的运动参数,根据大、小臂的相对片机8031。运动情况,可将大、小臂看作为-一个伸缩机构，也就12点钟方向是说大.小臂通过.一个关节相连接的目的是改变执搜索因子kit行机构的长度。于是角度的转变过程便可看成是长度调整的过程,而大臂的转动最终带动末端执行器9点钟方向-. 3点钟方向到达所指定的坐标。小臂相对大臂转动使AC间的搜索因子kig搜索因子kin距离调整到AC' ,使得AC的距离等于AE的距离。.大臂转过0角,相应的小臂运动到E处。其运动轨6点钟方向迹如图3所示(在大、小臂所在平面内,以大臂与底搜索因子kim座接触中心为坐标原点建立直角坐标系)。.图2方向搜索示意图C"(%".,")3关节式机械手的设计关节式机械手的驱动方式选用电力驱动,驱动_ 小臂/_BXmn)源选用步进电机,自由度数设计为5个,能完成5个CUXaY6)大oy运动，即腰回转、肩回转、肘回转、手腕摆动和手的张合。采用点位控制方式，能抓取最大为0.5 kg的物4(0.0)Cux,Y)体(最大体积为80 mmX80 mmX80 mm)。手爪的张.Eu.n开由电机带动钢丝绳实现,手爪的闭合由回复弹簧完成;通过电机带动链传动确保机械手爪始终垂直向图3大、小臂运动轨迹图下;而大.小臂的回转和底座的转动由齿轮传动实现。图3中,圆O。表示长度AC调节为AE时可能底座中心布置在输送带的中间,以机械手爪能存在的C点的集合;圆O表示大臂不动时,只转动够到达的扇形区域为依据,由作图法确定大,小臂的小臂上C点的集合,它与圆O。的交点有2个:C和长度分别为500mm,450mm.CMOS摄像头布置C". 等价于求圆X2 +Y=AE与圆(X- Xg)°+在机械手的前方,两者之间的距离由输送带的速度(Y-Yg)*=BC'的交点坐标。通过计算得C'和C"和图象处理以及机械手动作所耗时间共同决定。考的坐标值,这时可比较BC'和BC'的大小，取其较小虑到机器人在工作过程中各关节的运动范围较大，值。由图3可知:0=0',利用余弦定理可求出0i因而各构件重力所引起的偏重力矩很大，如果不采和02:取措施,势必会引起驱动元件和传动部件尺寸和重q=0= AC"+AE'-BEC"2AC●AE量增大,人工示教费力,且不能在任意位置停机,所.e,= BC"+BC'-CC'以在结构中,设计选用弹簧式平衡装置来抵消或减2BC. BC小偏重力矩的影响。此外,对大、小臂的传动齿轮采.取[、I、IV.V分别为手腕、肘、肩、腰处驱动电用合适的制动器,进一步确保系统的精确定位。机, I、IV电机的步距角为a=1.5°/步,大臂驱动齿轮传动比i=5(电机配套减速器传动比为2),小臂4运动分析驱动齿轮传动比ir=4,则需送给I号电机的脉冲数由于控制方式采用点位控制,故无需考虑初始8.点与目标点之间的移动路径。由于初始点已知，目中国煤化工冲数m。=2a.n标点可通过摄像头获取图象,经采集卡进行模/数转_6CNM H G.”1号步近电礼时切能定休证手爪始终垂直换后送入PC机内存。考虑到现场输送带的速度.向下,其转过的角度是W、IV号电机转过角度之和，(1~2 m/s) ,故必须优化程序的设计,减少程序的102●工矿自动化2008年4月因其步距角a=1.5*/步,传动比i=1,故需送给I号电机的脉冲数m2 =8+6_ 0+h.R电机人相a.i4N25包rDI同理,在水平面内建立直角坐标系,可求出V号| 8713电机所需的脉冲数ns。专↓本系统中各关节步进电机(控制手爪电机除外)是同时工作的，而各关节的转动量不相同,传动比也图5光电离 合器电路图不同,导致输入脉冲数不同,显然m大于m和n,因单片机采用工业供电,可使用图6所示的电路稳压滤波。各脉冲数在数据存储器的位置如下所示:m78035ττ°msICDB10假设ms>m: ms>n, ,从小到大重新排序:n?再对各脉冲数作进-一步 处理:告脂一n m一m的s-n|图6稳压滤波电路图经过上述处理后，机械手的动作就可按顺序完为了能将图象处理后的各电机脉冲通过单片机成各个脉冲数。完成- .个脉冲数后调整电机的选通送入各电机,单片机与微机之间选用串行通信,通信方式继续下一个脉冲数,这样就解决了4个电机同接口电路如图7所示。步工作的问题。Txup__ 好，fRxD5控制 系统设计-12控制系统结构如图4所示。GNDIBM-PC080008图7通信接口电路图图4控制系统结构图6结语步进电机的步数.方向和速度的控制都由微机实现,通过各接口进行信号的传递,并作必要的隔该系统具有自动识别、自动控制、体积小.重量离;驱动器的作用是将脉冲信号进行功率放大.轻、运动灵活、传动简单、控制方便等特点,通过识别综合考虑各方面因素,选用8031单片机作为处并自动除去原煤中的杂物(如矸石、木块和雷管),有理器的核心元件,片内产生时钟信号,振荡频率为利于提高我国原煤的精度。如果在杂物周围覆盖着11. 059 2 MHz,复位电路选择上电复位。对存储大量的黑色煤尘,这时就需要在识别之前加上去除器.I/O口进行适当的扩展,采用芯片8713 作为脉煤尘的环节,或者再采用其它方法作为辅助手段。冲分配器,单片机只需提供步进脉冲进行速度控制参考文献:和转向控制,脉冲分配的工作交给脉冲分配器自动[1]张远鹏. 计算机图象处理技术基础[M].北京:北京完成,大大减轻了CPU的负担。大学出版社,1996.由于步进电机的驱动电流比较大,所以单片机2] 王新成高级图象处理技术[M].北京:中国科学技与步进电机连接的接口电路选用可编程接口芯片术出版社,2001.8255A.驱动器选用大功率复合管,驱动电路选择[3]刘富强.基于图象处理与识别技术的煤矿研石自动单电压驱动。为了抗干扰或避免-且驱动电路发生中国煤化工故障,造成功率放大器中的高电平信号进入单片机M.HCNMH G徐州:中国矿业大学而烧毁元器件,在驱动器与单片机之间加一级光电[5]王庭树. 机器人运动学与动力学[M].西安:西安科技离合器电路,如图5所示。大学出版社,1990.