基于激光成像及其图像处理技术的煤位检测研究

论文摘要

在煤炭企业生产的过程中,井上井下都存在数量不等的煤仓用于缓和运输系统压力便于组织生产,煤仓担负着各煤矿原煤生产的存储和中转任务,它的正常工作与否直接关系到煤矿的原煤产量,尤其是井下煤仓,必须根据其煤位的变化合理安排煤炭生产与运输,实现安全生产。本文详细介绍了一种基于激光主动成像及其图像处理技术的煤仓煤位检测系统的设计方案。采用距离选通激光主动成像技术获取煤位图像,通过图像处理系统及识别算法获取煤位的深度信息,是一种既利用可控能源又利用图像的测距系统。详细地阐述了距离选通激光成像的原理及其系统组成,分析了距离选通成像激光关键技术,根据实际要求设计了距离选通激光成像系统的触发信号产生电路,以基于CPLD器件及可编程延迟线的多路延迟脉冲发生器为基础设计了距离选通成像激光系统同步控制电路,并通过实验验证了其可行性;图像处理系统采用FPGA芯片作为中央处理器,由实时图像转换模块、异步FIFO模块、灰度图像获取模块、I2C配置接口模块、图像帧存控制模块、图像预处理模块、煤位信息识别模块、通信接口模块和FPGA配置电路组成。由距离选通激光成像系统所获取的煤仓煤位图像序列,通过实时图像转换模块得到所需格式的数字图像,送入FPGA图像预处理系统完成去除噪声及图像二值化等操作,预处理后得到的灰度图像数据送入煤位信息识别模块,通过煤位检测算法提取高度信息。系统采用独立设计的基于CPLD及可编程延迟线的距离选通同步控制电路对SNV-842W/X型激光器-ICCD系统进行成像实验,实现了选通功能。系统中的CPLD及FPGA设计部分在QuratusⅡ软件平台下开发并在硬件上得到实现,达到了预期效果。本文提出的煤位检测方案尤其适用于井下煤仓,设计的同步控制电路具有扩展性,参数调节方便,可同时对多个煤仓进行检测;构建的图像处理系统还可应用于对图像进行高速处理的场合。同时由图像预处理部分所得实时图像数据还可通过视频编码芯片获得预处理后的实时图像送至视频监控系统,实现对煤仓煤位实时监控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 煤仓煤位检测系统研究目的和意义
• 1.1.1 国内外研究现状及存在问题
• 1.1.2 距离选通激光成像技术应用于煤位检测的优势
• 1.2 煤位检测系统设计方案
• 1.3 煤位检测系统结构
• 1.3.1 距离选通激光主动成像技术
• 1.3.2 图像处理系统的实现方案
• 1.4 课题的主要工作及内容安排
• 2 煤位检测系统的特点和设计要求
• 2.1 井下煤仓煤位检测的特点
• 2.1.1 井下煤仓的特点
• 2.1.2 煤仓煤位图像特点
• 2.2 煤位检测系统的设计要求与目标
• 3 距离选通激光成像系统基本原理及关键技术
• 3.1 距离选通成像技术原理
• 3.2 距离选通激光成像系统组成
• 3.2.1 激光器
• 3.2.2 选通ICCD摄像机
• 3.2.3 同步控制电路
• 3.3 距离选通激光成像系统关键技术
• 3.3.1 激光光源及ICCD摄像机的设置与选择
• 3.3.2 同步控制技术的触发方式
• 3.3.3 成像系统时序分析及延迟时间、选通门宽的确定
• 3.4 距离选通成像系统的同步控制电路设计
• 3.4.1 多路延迟脉冲发生电路的实现方案
• 3.4.2 延迟脉冲发生电路结构及器件选型
• 3.4.3 同步控制电路设计及实现
• 3.5 本章小结
• 4 基于FPGA的煤位图像处理系统的设计
• 4.1 图像处理系统的FPGA实现技术
• 4.1.1 实时图像概述及图像处理技术的发展
• 4.1.2 FPGA设计技术简介
• 4.2 FPGA图像处理系统框图与整体设计
• 4.2.1 系统整体结构
• 4.2.2 系统硬件选型
• 4.3 图像处理系统各模块的实现
• 4.3.1 异步FIFO模块及相应接口的设计
• 2C接口配置模块的设计'>4.3.2 I²C接口配置模块的设计
• 4.3.3 灰度图像获取模块
• 4.3.4 图像帧存控制器的设计
• 4.3.5 FPGA配置电路
• 4.4 图像预处理中相应算法及其实现
• 4.4.1 图像去噪算法
• 4.4.2 图像二值化算法
• 4.4.3 边缘提取算法
• 4.5 煤位深度获取算法
• 5 煤位检测系统实验及分析
• 5.1 实验方案
• 5.2 煤位图像获取实验与分析
• 5.3 煤位图像处理实验与分析
• 5.4 煤仓煤位检测系统方案应用与分析
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 延迟脉冲发生电路的程序代码及相关真值表
• 2C接口配置及灰度图像获取模块状态机代码'>附录 B I²C接口配置及灰度图像获取模块状态机代码
• 致谢
• 作者简介及论文发表