本發(fā)明屬于輸送帶物料稱重技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及一種基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量方法。

背景技術(shù)：

輸送帶輸送應(yīng)用于各行各業(yè)，實現(xiàn)物件的組裝、檢測、調(diào)試、包裝及運輸?shù)?。輸送帶可輸送的物料種類繁多，既可輸送各種散料，也可輸送各種紙箱、包裝袋等單件重量不大的貨件，用途廣泛，因此輸送帶的稱重是非常重要的。目前輸送帶運輸?shù)姆Q重裝置應(yīng)用較多的是核子秤和電子秤。

核子秤的測量誤差有以下幾種影響原因：輸送帶厚度的自然磨損，電離室表面積灰塵，可以被認(rèn)為是射線的穿透厚度發(fā)生了變化，會影響測量結(jié)果；如輸送帶跑偏使輸送帶甚至物料跑到射線覆蓋區(qū)域之外，會產(chǎn)生較大甚至嚴(yán)重的測量誤差；物料品種、成份、水份的變化，會引起質(zhì)量吸收系數(shù)的變化，會產(chǎn)生測量誤差；顆粒度增大會引起射線的多次折射，會使測量結(jié)果降低。

輸送帶電子秤的測量原理是利用壓力傳感器完成在線對物料稱重，目前應(yīng)用的輸送帶電子秤主要以杠桿式和懸浮式秤架結(jié)構(gòu)為主。輸送帶電子秤的單位荷重或物料重量要通過輸送帶、承重托輥、杠桿和連接機(jī)構(gòu)等一系列機(jī)械裝置傳遞給稱重傳感器，中間任何一個環(huán)節(jié)不當(dāng)，都會引入測量誤差。物料的重量通過輸送帶作用向下一級傳遞，如果輸送帶張力不穩(wěn)定必然引起測量誤差；輸送帶的自然磨損和秤架積灰、積料也會影響傳感器的受力，引起測量誤差；秤架和傳感器連接機(jī)構(gòu)如果安裝不當(dāng)，會存在內(nèi)應(yīng)力，如果天氣氣候如冷熱、干濕變化明顯，會引起內(nèi)應(yīng)力的變化，必然帶來測量誤差；輸送帶運行中和稱重托輥之間存在滾動摩擦，摩擦力的大小隨輸送帶負(fù)荷大小變化，摩擦力會對稱量杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生非計量力矩，從而引起稱量誤差；輸送帶電子秤屬于懸索類稱量系統(tǒng)，物料重量經(jīng)輸送帶傳遞給受力系統(tǒng)，由于稱量框架在加載后的微動下移，必然使傳感器受力減小，從而產(chǎn)生測量誤差；如果在安裝中未經(jīng)偏載調(diào)試，在工作中輸送帶跑偏會產(chǎn)生測量誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)輸送帶電子秤對輸送中物料測量誤差的影響因素多，測量誤差難以控制，測量精度不可靠的問題。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量系統(tǒng)，在輸送帶的稱重區(qū)域起始位置設(shè)置一個前支架，在終了位置設(shè)置一個后支架，該起始位置設(shè)置在輸送帶的一個輥輪正上方，在該輥輪軸端安裝有速度傳感器；在起始位置的前支架上安裝有激光器巴條陣列，在終了位置的后支架上安裝有兩個ccd攝像機(jī)，在前支架與后支架之間設(shè)置有光源；上述的兩個ccd攝像機(jī)、速度傳感器通過各自的電纜線與計算機(jī)信號連接。

本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量方法，利用上述的基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量系統(tǒng)，按照以下步驟實施：

步驟1、安裝重量測量系統(tǒng)

盡量使兩個ccd攝像機(jī)(1)靠近物料，保持兩個ccd攝像機(jī)(1)的視場能同時覆蓋稱重區(qū)域；

步驟2、對兩個ccd攝像機(jī)(1)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時輸送帶(9)為空載狀態(tài)；

步驟3、采集并處理輸送帶(9)上物料的圖像

利用雙目測距原理求得光斑點到雙目成像機(jī)構(gòu)的距離d，進(jìn)一步求取被分割的不同小塊的物料高度hi；

步驟4、計算物料的重量數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的有益效果是，包括以下方面：

1)分別多次采集不同數(shù)目的標(biāo)定圖像，通過將空間坐標(biāo)系中的景物點基于標(biāo)定參數(shù)重投影到ccd攝像機(jī)的圖像平面，將其與實際圖像上的對應(yīng)位置進(jìn)行比較，之間的差即為ccd攝像機(jī)標(biāo)定的絕對誤差；通過對雙目成像機(jī)構(gòu)標(biāo)定，很好的得到物料表面的高度，精度較高。

2)測重的主要決定因素是分割塊的數(shù)目，分割越多精度越高，本發(fā)明采用激光器巴條陣列，能夠很好的分割物料表面。

3)稱重區(qū)域大小可靈活調(diào)整，依據(jù)每次存貯的稱重區(qū)域物料重量，可查詢?nèi)我鈺r間段的運料量并生成運料量報表。

附圖說明

圖1是本發(fā)明重量測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明重量測量方法采用的圖像采集原理圖；

圖3是本發(fā)明重量測量方法采用的雙目測距幾何原理圖；

圖4是本發(fā)明重量測量方法采用的雙目測距光斑示意圖。

圖中，1.ccd攝像機(jī)，2.電纜線，3.激光器巴條陣列，4.光源，5.計算機(jī)，6.前支架，7.輥輪，8.速度傳感器，9.輸送帶，10.后支架。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

參照圖1、圖4，本發(fā)明重量測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是，在輸送帶9的稱重區(qū)域起始位置設(shè)置一個前支架6，在終了位置設(shè)置一個后支架10，該起始位置設(shè)置在輸送帶9的一個輥輪7正上方，在該輥輪7軸端安裝有速度傳感器8；在起始位置的前支架6上安裝有激光器巴條陣列3，在終了位置的后支架10上安裝有兩個ccd攝像機(jī)1，在前支架6與后支架10之間設(shè)置有光源4；上述的兩個ccd攝像機(jī)1、速度傳感器8通過各自的電纜線2與計算機(jī)5信號連接。

兩個ccd攝像機(jī)1(一起稱為雙目成像機(jī)構(gòu))的視場都能夠完全覆蓋稱重區(qū)域，且兩個ccd攝像機(jī)1光軸平行且中線位于輸送帶9的縱向中心線上；兩個ccd攝像機(jī)1相對位置固定后可繞各自的支架旋轉(zhuǎn)，以便調(diào)試到合適的拍攝角度。

兩個ccd攝像機(jī)1在環(huán)境較暗的時候，會因為看不清目標(biāo)而誤差很大，所以需要光源4提供補(bǔ)光；激光器巴條陣列3為多個激光器組成的巴條形狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生相互平行的激光束垂直射向輸送帶9表面，落點為均勻分布的圓形光斑；速度傳感器8為霍爾器件，將所獲得的信息傳遞給計算機(jī)5處理得到物料的傳輸速度v；因為輸送帶9上有物料時，輸送帶9會下沉帶來測量誤差，因此激光器巴條陣列3安裝在輸送帶9輥輪7的正上位置，避免輸送帶9下沉帶來的測量誤差。當(dāng)輸送帶空載和有物料的時候，激光器巴條陣列3產(chǎn)生的光斑離雙目成像機(jī)構(gòu)的距離也不同，通過雙目測距獲得光斑到雙目成像機(jī)構(gòu)的距離。

本發(fā)明重量測量系統(tǒng)的組裝過程是：

1)輸送帶9在輸送物料時，物料的重量會導(dǎo)致輸送帶9下沉，所以在一個輥輪7的正上方安裝前支架6，作為稱重區(qū)域的起始位置，該起始位置的前支架6上安裝激光器巴條陣列3。

2)將兩個ccd攝像機(jī)1安裝在后支架10上，作為稱重區(qū)域的終了位置，該兩個ccd攝像機(jī)1的光軸平行且垂直于輸送帶9，安置在同一水平線，兩個ccd攝像機(jī)1的中軸位于輸送帶9縱軸線上，且每個ccd攝像機(jī)1的成像視場要完全覆蓋稱重區(qū)域。

3)調(diào)節(jié)激光器巴條陣列3，使得激光器巴條陣列3向下產(chǎn)生均勻分布的平行光束打到輸送帶9上形成光斑。

4)將測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器8(型號選用霍爾器件ss413a)安裝到輸送帶9起始位置所在輥輪7的轉(zhuǎn)軸上。

5)計算機(jī)5中預(yù)裝軟件控制兩個ccd攝像機(jī)1采集圖像，每隔時間δt采集一次，獲得稱重區(qū)域的光斑圖像，然后計算機(jī)5利用軟件進(jìn)行圖像處理。

本發(fā)明基于雙目視覺的輸送帶物料重量測量方法，按照以下步驟實施：

步驟1、在輸送帶9安裝上述的重量測量系統(tǒng)

安裝兩個ccd攝像機(jī)1時，需考慮兩個光軸之間距離即雙目視覺的基線。由于ccd攝像機(jī)1的每一個像素都具有一定的面積，一個理想點(無大小)在ccd攝像機(jī)1像素上的精確位置無法在圖像上得到反映，在根本上造成了像點坐標(biāo)誤差，即圖像識別誤差。當(dāng)物距越大，即景物點離ccd攝像機(jī)1越遠(yuǎn)時，誤差越大；當(dāng)ccd攝像機(jī)1的像素尺寸越大時，誤差越大，當(dāng)視差越大時，誤差越小。因此，盡量使兩個ccd攝像機(jī)1靠近物料，但也需要保持兩個ccd攝像機(jī)1的視場能同時覆蓋稱重區(qū)域。

基線長度是表征視覺系統(tǒng)中兩個ccd攝像機(jī)1之間相互位置關(guān)系的重要參數(shù)，它的變化不僅會引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，而且會直接影響測量精度，對于一個特定鏡頭和空間點，隨著基線長度t的增大，測量誤差減小，且焦距越大，測量誤差越小。

步驟2、對兩個ccd攝像機(jī)1進(jìn)行標(biāo)定

安裝好ccd攝像機(jī)1后需對其進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時輸送帶9為空載狀態(tài)。

本發(fā)明方法的重點是分割物料寬度，利用雙目測距原理測量分割塊的物料高度，由于ccd攝像機(jī)1鏡頭的制造誤差，鏡頭存在一定的徑向畸變。鏡頭的安裝誤差將帶來切向畸變，ccd攝像機(jī)1標(biāo)定的目的就是求取ccd攝像機(jī)1的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行畸變校正。單個ccd攝像機(jī)1的標(biāo)定結(jié)果與采集的標(biāo)定圖像數(shù)存在密切關(guān)系，一般而言，采集的圖像數(shù)越多，標(biāo)定精度越高，采集圖像數(shù)至少在12幅以上。

參照圖2，圖像采集的原理是，由于現(xiàn)實中的系統(tǒng)并不是理想的小孔成像，所以需要使用最優(yōu)化對ccd攝像機(jī)1進(jìn)行非線性標(biāo)定，然后根據(jù)標(biāo)定得到的參數(shù)對所拍攝的圖片進(jìn)行校正。

標(biāo)定過程是：假定模板平面在世界坐標(biāo)系z＝0的平面上，

其中，s為尺度因子，它只是為了方便運算，對于齊次坐標(biāo)尺度因子不會改變坐標(biāo)值的，a為ccd攝像機(jī)1的內(nèi)參數(shù)矩陣，[xy1]^t為模板平面上點的齊次坐標(biāo)，[uv1]^t為模板平面上點投影到圖象平面上對應(yīng)點的齊次坐標(biāo)，[r1r2r3]和t分別是ccd攝像機(jī)1坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，其中m的齊次坐標(biāo)表示圖像平面的像素坐標(biāo)[uv1]^t，m的齊次坐標(biāo)表示世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)點[xy1]^t，令h＝a[r1r2t]：

λ為一個常數(shù)因子，h的計算是通過使提取的實際圖像坐標(biāo)與計算出的圖像坐標(biāo)之間的代數(shù)距離最小的過程，根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的性質(zhì)，即r1^tr2＝0和||r1||＝||r2||＝1，每幅圖像獲得以下兩個對內(nèi)參數(shù)矩陣的基本約束：

由于ccd攝像機(jī)1有五個未知內(nèi)參數(shù)，所以當(dāng)所采集的圖像數(shù)目大于等于3時，就能夠線性唯一求解出內(nèi)參數(shù)矩陣a，隨即得到相應(yīng)的外參數(shù)，完成對ccd攝像機(jī)1的標(biāo)定。

步驟3、采集并處理輸送帶9上物料的圖像

標(biāo)定好相機(jī)后開始采集圖像，采樣間隔時間為δt，采集到的圖像實時的進(jìn)行處理，首先利用雙目測距幾何原理利用目標(biāo)點在左右兩幅視圖上成像的橫向坐標(biāo)存在的差異(即視差)與目標(biāo)點到成像平面的距離z存在反比例的關(guān)系，求得光斑點到雙目成像機(jī)構(gòu)的距離d。

參照圖3，雙目測距幾何原理是，兩個ccd攝像機(jī)1標(biāo)定和校準(zhǔn)后，兩個ccd攝像機(jī)1的主光軸到達(dá)平行，t為兩相機(jī)光心之間的距離，即基線長度；ol和or是左右相機(jī)的光心，光心到像面x的最短距離就是焦距長度f，p是激光器在物料上產(chǎn)生的光斑，即為待測的目標(biāo)點，它在左右像面上的成像點是pl和pr，pl和pr距各自像面的左邊緣的距離分別是xl和xr；雙目測距主要是利用了目標(biāo)點在左右兩幅視圖上成像的橫向坐標(biāo)存在的差異(即視差l＝pl-pr)與目標(biāo)點到成像平面的距離z存在著反比例的關(guān)系：求得光斑點到雙目成像機(jī)構(gòu)的距離d。

利用雙目測距原理求得光斑點到雙目成像機(jī)構(gòu)的距離d后，利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)幾何關(guān)系，進(jìn)一步來求取被分割的不同小塊的物料高度hi。

參照圖4，是輸送帶物料重量測量系統(tǒng)的光斑示意圖，在兩個ccd攝像機(jī)1中，k為單個激光源，當(dāng)輸送帶9空載時，k投影到輸送帶9表面的光斑為k1，k到k1的距離為固定值c，當(dāng)輸送帶9上有物料時，光斑的位置為k2，光斑k2到ccd攝像機(jī)1的距離為d，兩個ccd攝像機(jī)1所在的后支架10和激光器巴條陣列3所在的前支架6是平行安置且距離為固定值q；激光源是垂直于輸送帶9的，則激光源離輸送帶9表面的距離為固定值c；根據(jù)三角形勾股定理可知，k和k2之間的距離則有物料時光斑到輸送帶9平面的距離為h＝c-p。

步驟4、計算物料的重量數(shù)據(jù)

由于稱重區(qū)域的物料表面是起伏的，即物料表面離輸送帶9表面的高度是變化的，因此采用激光器巴條陣列3進(jìn)行分布照射，產(chǎn)生的光束將稱重區(qū)域離散成n個小塊來計算，hi為第i個光斑處對應(yīng)的高度，(i＝1…n)，輸送帶9的寬度為u，輸送帶9的輸送速度為v，δt時間內(nèi)對應(yīng)輸送帶9上物料底面積大小為s＝u×v×δt，δt時間內(nèi)對應(yīng)輸送帶9上物料的體積為v＝s×h，h為δt時間內(nèi)的物料高度；ui為相鄰兩激光器間的間距，則每塊的面積為ui×v×δt；

測量物料的重量通過公式m＝ρ×v，其中的m為物料的重量，ρ為物料的密度，物料的體積v＝s×h；

從稱重計時開始，連續(xù)采集累加每個采樣間隔時間δt內(nèi)物料的重量為δm，要想得到從計時開始到當(dāng)前時間(即到第w個采樣時間間隔)的物料重量m總，則mj為第j個采樣時間的物料重量。

由于稱重區(qū)域物料表面是起伏的，意味著物料表面高度是變化的，因此用平行光束將稱重區(qū)域離散成多個小塊來計算，連續(xù)采樣并累加每個采樣間隔時間δt內(nèi)物料的重量，即可得到從計時開始到當(dāng)前時刻輸送帶9上的物料總重量。通過調(diào)整ccd攝像機(jī)1的視場靈活的改變稱重區(qū)域。從開始稱重的那一刻，每隔時間δt的物料重量進(jìn)行保存，每個時間的物料重量可以隨時查看，或者產(chǎn)生物料重量的報表。

本發(fā)明經(jīng)過實驗驗證，稱重效果良好，得到了“陜西省現(xiàn)代裝備綠色制造協(xié)同創(chuàng)新中心(編號304-210891702)”項目的支持。