机器视觉料位计及其测量料位的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及料位测量领域，特别涉及一种机器视觉料位计及其测量料位的方法。
【背景技术】
[0002]随着技术的快速发展，依靠机器视觉识别与计算进行料位测量与监视的想法一直以来广受关注，因为机器视觉识别不仅可以实时显示物料(物体)的高度或者距离，同时可以向用户展示测量对象的图像，让用户可以“眼见为实”的对监视环境进行监控。
[0003]但是，多年来机器视觉料位监控设备，在实际生产和生活中，并没有被真正大量使用与普及的主要原因，还是因为现有的机器视觉料位监控设备与方法，无法满足生产现场真正的状况或者测量方法在实际测量中无法真正实现。
[0004]现有的机器视觉料位识别设备与方法主要分为如下两种:
1、对被测量物料图像进行直接分析判断，判断物料料位。该种方法直接采集物料和测量空间内的图像，采用实时图像与测量设备中预存的图像进行对比，判断实时图像所展示的图像符合高度表中的那个图像，做出料位判断。该种方法，需要预先录制和存储各个不同高度的物料图像，并存储于设备中。预先要进行高度与图像的标定。
[0005]如中国专利申请号01107328.4，公开日2002.11.6，公开了一种数字视频料位计， 该数字视频料位计由视频输入器、图像采集卡、微处理器和显示屏相互连接而成。采用机器视觉技术检测固体物料料位，其检测料位步骤为料位图像采集、数字图像处理和分
析、存储显示。把视频输入器对准被测物料，视频输入器又连接到图像采集卡的视频输入端，微处理器控制图像采集卡按用户设定的采样周期采集料位图像，并对该图像进
行处理，将分析出的料位坐标值与标定的刻度计比较计算出料位真实值，同时将料位图
像、料位真实值以及该值的变化趋势显示在显示屏上。其测量料位的主要手段是利用料
位坐标点处标定的刻度计上的读数来获取料位真实值的。
[0006]中国专利申请号99100675.5，公开日2000.8.16，公开了一种散焦聚距离测定方法，尤指一种利用影像处理的方法做广角度的物体距离测定，即利用一对某一特定距离
为焦距的镜头，取得实际景物的模糊影像后，再利用不同的反函数(散焦函数的反函数)
的卷积换算，将其划分为若干区块，并对其区块进行散焦情况的对比，由对比结果与预先求得的值比较求出距离值，获得以镜头圆心的各点距离的估计值。
[0007]2、使用单个点光源照射物料，通过对单个光斑的图像特征判断，判断物料料位。该种方法通过测量单个光斑的图像特征，间接测量物料料位。
[0008]如:中国专利申请号200710038493.8，公开日2008.9.24,公开了一种基于机器视觉
的料位测量方法和装置，该装置由特殊点光源、图像采集机、机器视觉模块等组成。采用机器视觉技术检测固体物料料位，其检测料位步骤为:由安装在料仓顶部的特殊的点
光源发射出的光束，投射在物料表面，从料仓的垂直剖面上看是等腰的锥形。在不同高度的水平横截面上得到不同直径的高亮度光圆图像，通过机器视觉模块采用验证型光圆
检测算法进行分析和处理，计算出光源的直径或面积大小进而获得料位值。同时，真实的显示料位现场实景图像的装置。
[0009]中国专利号201010509916.1，一种非接触式煤仓煤位光电测量方法与装置，提供了一种非接触式，基于图像中激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，获取料仓内物料深度值的光电测量方法及装置，属物位测量技术领域。特别适用于煤仓煤位的深度测量。本发明装置在筒状煤仓主轴顶部固定数字相机和激光发射器，使相机光路垂直于物料表面，将激光发射器布置在与水平方向成Θ角的位置，确保激
光光斑的成像区域能够投射在相机视场范围内的物料表面上。相机采用N档分段定焦，以满足在煤仓的不同煤位处均能摄取清晰的图像。采用DSP作为处理器内核，通过计算激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，完成深度检测。
[0010]以上现有的机器视觉识别方法，无法被真正使用的原因在于，忽略了视频与图像设备成像原理特性:即使同样面积的图像，在同样成像焦距参数下，离图像获取设备越远图像越小；如果再考虑获取清晰图像需要变焦，同样面积图像在图像获取设备中图像大小更加复杂多变。因此现有技术，无论通过直接获取图像还是通过图像与预存图像比较方法或者直接计算投射光斑面积或者偏离像素的方法，均忽略了图像获取设备基本成像原理以及图像获取设备变焦带来的更加复杂的参数变化，均无法真正实施，也就无法获取物料准确料位。
【发明内容】
[0011]发明目的:针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种机器视觉料位计及其测量料位的方法，可以消除图像获取部件成像原理与变焦等因素对于图像计算的影响，即可以实现对物料料位的连续测量，也可实现对测量点的定点监控，还可测量出物料表面的倾斜角度，测量准确、可靠，方法简洁，算法简单且高效。
[0012]技术方案:本发明提供了一种机器视觉料位计，包括光发射部件、图像采集部件、运算处理器和信号输出部件，所述光发射部件和所述图像采集部件均设置在待测物料所在测量空间内，所述运算处理器分别连接所述图像采集部件和所述信号输出部件;所述光发射部件用于向所述待测物料表面投射至少两束平行光以及至少一束与各所述平行光呈预设夹角的倾斜光；所述图像采集部件用于采集各所述平行光和各所述倾斜光照射到所述待测物料表面后形成的平行光光斑和倾斜光光斑的图像，并将所述图像发送给所述运算处理器;所述运算处理器用于根据各所述平行光之间的实际间距、各所述倾斜光的光源与各所述平行光之间的实际间距、各所述预设夹角、各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距以及各所述倾斜光光斑与各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距，运算处理获得各所述倾斜光的光斑位置处的所述待测物料的料位信息，并将所述料位信息信号传输给所述信号输出部件;和/或，所述运算处理器用于根据所述待测物料的料位到达预设高度时，各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距、各所述平行光光斑与各所述倾斜光斑之间在所述图像中的图像间距，以及所述图像采集部件实时采集到的图像中，各平行光光斑之间的图像间距、各所述平行光光斑与各所述倾斜光光斑之间的图像间距，运算处理逻辑判断出所述待测物料是否到达所述预设高度，并将所述逻辑判断的结果信号传输给所述信号输出部件;所述信号输出部件用于将所述料位信息和/或所述逻辑判断的结果信号输出。
[0013]优选地，在各所述平行光光斑和各所述倾斜光光斑中，至少有两个所述平行光光斑和一个所述倾斜光光斑位于同一直线。
[0014]优选地，所述位于同一直线上的两个所述平行光光斑和一个所述倾斜光光斑均位于所述待测物料的同一料位高度。
[0015]进一步地，若所述光发射部件向所述待测物料表面投射至少两束的平行光以及至少两束与各所述平行光呈预设夹角的倾斜光;则所述运算处理器根据各所述平行光之间的实际间距、各所述倾斜光的光源与各所述平行光之间的实际间距、各所述预设夹角、各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距、各所述倾斜光光斑与各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距，运算处理获得所述待测物料的表面倾斜度信息，并将所述表面倾斜度信息信号传输给所述信号输出部件;所述信号输出部件将所述料位信息、所述逻辑判断的结果和/或所述表面倾斜度信息信号输出。
[0016]优选地，在至少两个所述平行光光斑和至少两个所述倾斜光光斑中，至少两个所述平行光光斑和至少两个所述倾斜光光斑位于同一直线且沿所述待测物料同一倾斜表面的倾斜方向依次排列。
[0017]进一步地，若所述光发射部件向所述待测物料表面投射至少四束平行光以及至少两束与各所述平行光呈预设夹角的倾斜光;则所述运算处理器根据各所述平行光之间的实际间距、两两所述平行光之间组成的各平面之间的实际间距、两两所述倾斜光的光源之间的高度差、各所述倾斜光的光源与各所述平行光之间的实际间距、各所述预设夹角、各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距以及各所述倾斜光光斑与各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距，运算处理获得所述待测物料的表面倾斜度信息，并将所述表面倾斜度信息信号传输给所述信号输出部件;所述信号输出部件将所述料位信息、所述逻辑判断的结果和/或所述表面倾斜度信息信号输出。
[0018]优选地，在至少四个所述平行光光斑和至少两个所述倾斜光光斑中，至少四个所述平行光光斑和至少两个所述倾斜光光斑均位于所述待测物料同一倾斜表面，且至少两个所述平行光光斑和至少一个所述倾斜光光斑位于第一直线、第一料位高度上，另外还有至少两个所述平行光光斑和至少一个所述倾斜光光斑位于第二直线、第二料位高度上，位于所述第一直线上的两个所述平行光光斑的光线构成第一平面，位于所述第二直线上的两个所述平行光光斑的光线构成第二平面，所述第一平面与所述第二平面平行。
[0019]进一步地，所述的机器视觉料位计还包括减震稳定部件，所述减震稳定部件与所述光发射部件和/或所述图像采集部件有效接触。
[0020]优选地，所述减震稳定部件为机械被动式或陀螺仪主动控制式。
[0021]进一步地，所述的机器视觉料位计还包括防尘除灰部件，所述防尘除灰部件位于所述图像采集部件和/或所述光发射部件附近且与所述运算处理器相连。
[0022]优选地，所述防尘除灰部件为气体吹扫机构或机械刷动机构。
[0023]进一步地，所述的机器视觉料位计还包括照明部件，所述照明部件固定在所述待测物料所在容器内部且与所述运算处理器连接。
[0024]优选地，所述照明部件为可见光照明设备或红外线非可见光照明设备。
[0025]进一步地，所述的机器视觉料位计还包括红外或者激光原理的测温部件，用于远距离测量物料表面的温度信息，所述测温部件与所述运算处理器连接，所述测温部件将所述温度信息发送给所述运算处理器，所述运算处理器再将所述温度信息通过所述信号输出部件输出。
[0026]进一步地，所述光发射部件还用于投射垂直于所述平行光的辅助光。
[0027]进一步地，所述运算处理器还用于对所述图像进行运算处理得到所述待测物料的三维立体图像，并将所述三维立体图像经所述信号输出部件输出。
[0028]进一步地，所述图像采集部件还用于采集火焰或燃烧图像，并将火焰或燃烧图像发送给所述运算处理器，所述运算处理器还用于在接收到所述火焰或燃烧图像时控制外接报警器报警，或者所述运算处理器将所述火焰或燃烧图像经所述信号输出部件输出。
[0029]进一步地所述图像获取部件还用于采集所述测量空间内的环境图像，并将所述环境图像发送给所述运算处理器，所述运算处理器再将所述环境图像通过所述信号输出部件输出。
[0030]本发明还提供了一种机器视觉料位计测量料位的方法，包含以下步骤:S1:向所述待测物料表面投射至少两束平行光以及至少一束与各所述平行光呈预设夹角的倾斜光，各所述平行光和各所述倾斜光照射到所述待测物料表面后对应形成平行光光斑和倾斜光光斑;S2:预存各所述平行光之间的实际间距、各所述倾斜光的光源与各所述平行光之间的实际间距以及各所述倾斜光与各所述平行光之间的实际夹角；或者，预存所述待测物料的料位到达预设高度时，各所述平行光光斑之间在所述图像中的图像间距、各所述倾斜光光