一种基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统，系统包括处理单元、照相机、光源、步进电机、通信线路、防爆外壳、防爆玻璃窗、玻璃窗毛刷、摇臂控制器以及数据写入接口。照相机用于采集煤岩对象图像，光源用于照亮煤岩对象，步进电机用于带动毛刷清理防爆玻璃窗，防爆外壳及玻璃窗用于满足井下防爆要求，处理单元用于完成识别任务，通信线路用于将识别结果传输至摇臂控制器，摇臂控制器依据煤岩信息对摇臂的角度和位置进行调整。本实用新型专利技术利用图像信息识别煤岩对象类型，图像采集设备和图像处理设备安装方便，可靠性强，识别率高，能够实时识别煤岩对象，系统的适应性强，软硬件升级维护十分方便。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统，属于图像模式识别

技术介绍
在煤矿井下生产过程中，许多生产环节需要判别煤层与岩层的分界面，如滚筒采煤、掘进机采掘、放顶煤开采、原煤选矸等。煤岩分界面识别结果可以作为依据来调节采煤机滚筒摇臂的高度或控制掘进机截割头的截割轨迹，对煤岩分界面的误判导致采煤机滚筒截割岩石后，会引起一系列的问题:如大量岩石碎片混入原煤造成煤质下降；采煤机滚筒截齿磨损加剧，缩短寿命；截割顶板或地板岩层可能会产生摩擦火花，在高瓦斯环境中很容易引起瓦斯爆炸事故等。目前煤矿生产时煤岩识别任务仍主要由人工完成，工人通过视觉和听觉信息进行判断。然而实际上工作面中能见度低且环境噪声大，工人仅依靠自身感觉很难在滚筒切割岩石瞬间做出及时反应，误判率较高。煤岩自动识别技术就是通过一定的技术手段实现煤层和岩层分界面的准确自动识别，无需人的干预。煤岩识别系统在具备可靠准确的识别性能的同时，还需要具有实时性。开发煤岩自动识别系统有利于保障工人安全、减少工作面作业人数、降低工人劳动量、改善作业环境，而且可以排除人的主观判断的缺陷提高煤岩识别结果的准确性。世界各主要产煤国家都十分重视对煤岩识别
的研究，形成了一些研究成果，如:自然Y射线探测法、雷达探测法、红外探测法、有功功率监测法、震动检测法、声音监测法、粉尘检测法等。目前理论较为成熟的技术有Y射线探测法和记忆截割法，但这些技术均存在一定的局限性。Y射线探测法利用顶板岩石中的Y射线在穿透煤层时的衰减特性来确定煤层的厚度，仅适用于顶板岩石含有放射性元素的条件，由于砂岩顶板放射性元素含量较少，因而无法适用，在我国仅有20%左右的矿井可用。记忆截割法适用于煤层较为平整、地质条件好的矿井，而且必须通过采煤机司机的手动操作来调整工作参数，存在一定局限性。目前的煤岩识别系统大多以传感器获取信息为基础，利用多个传感器同时监测采煤机割煤时的各项参数，并对所获取的数据进行实时的分析，如基于主成分分析的煤岩界面识别方法、基于遗传神经网络的煤岩界面识别方法、基于支持向量机的煤岩界面识别方法等。这些方法需要在现有设备上添加各类传感器，导致实际系统的构建成本高；为了采集采煤机、掘进机等的震动信息，需要在采煤机摇臂上加装相应的传感器，此时传感器线路易损坏，导致系统可靠性差；各种煤岩识别系统所需的原始数据各不相同，导致系统的灵活性较差。
技术实现思路
为了克服现有煤岩识别系统存在的不足，本技术公开了一种基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统，系统具有实时识别、识别率高、可靠性及灵活性强的特点，为采煤区自动化生产提供必要的信息。本技术所述的基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统由处理单元，照相机，光源，步进电机，通信线路，防爆外壳，防爆玻璃窗，玻璃窗毛刷，摇臂控制器以及数据写入接口组成。所述处理单元包括控制模块、图像处理与识别模块、数据存储模块和通信模块；其中控制模块又包括步进电机控制模块、光源控制模块以及图像采样控制模块；所述图像处理与识别模块用于对照相机采集得到的煤岩对象图像利用基于图像离散多小波变换的煤岩识别方法进行处理和识别；所述通信模块用于将所述图像处理与识别模块处理得到结果传输至所述摇臂控制器。所述步进电机控制模块用于向步进电机提供输入信号以控制步进电机转动；所述光源控制模块用于调节光源亮度；所述图像采样控制模块用于提供照相机采集煤岩对象图像的触发信号。所述处理单元是整个煤岩识别系统的核心部件，用于控制光源亮度、提供照相机拍摄煤岩对象的触发控制信号、控制步进电机定时清理防爆玻璃窗、对煤岩对象的图像进行处理和识别；所述照相机，用于采集采掘工作面煤岩对象的图像，能够由处理单元触发其采集图像样本；所述光源是紧凑型荧光灯，具有尺寸小、显色性好、光效高及寿命长的优点，用于照亮待采集煤岩对象以获取清晰的煤岩图像；所述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成为角位移或线位移的机电元件，本技术选用多相步进电动机，能直接接收处理单元的数字量输入，在处理单元控制下带动毛刷转动一定角度，用于清洁防爆玻璃窗，清洁完成后能够将毛刷角度调整至防爆玻璃窗上端以避免遮挡防爆玻璃窗；所述通信线路，在处理单元通信模块的控制下，利用异步串行I/O方式进行数据的传输，将传输数据的每个字符一位接一位传送，数据各个不同位可以分时使用同一传输通道进行传输，线路利用率高，最少仅需用一对线路即可进行通信，通信线路将处理单元对煤岩对象的识别结果信息传递至摇臂控制器，摇臂控制器依据识别结果对摇臂的角度和位置进行调整，以防止采煤机滚筒截割岩石；所述防爆外壳及防爆玻璃窗用于井下电气防爆；所述数据写入接口，用于在系统初始化时，将样本特征训练阶段获取的煤和岩石的平均多尺度纹理能量分布向量写入处理单元的数据存储模块。所述基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统工作流程包括以下步骤:系统第一次工作时，需要利用数据写入接口将样本特征训练阶段获取的煤和岩石的平均多尺度纹理能量分布向量写入处理单元的数据存储模块；系统正常启动后运行流程如下:(I)由控制模块初始化系统运行环境:(a)步进电机控制模块控制步进电机带动毛刷清理防爆玻璃窗表面；(b)光源控制模块控制点亮光源；(C)图像采集控制模块初始化照相机设备；(2)图像采样控制模块设定采样间隔，触发照相机拍摄煤岩对象图片，并将拍摄的煤岩图片存入数据存储模块中的图像缓存区；(3)图像处理与识别模块从图像缓存区读取图像数据以及从数据区读取样本特征训练阶段获取的煤和岩石的平均多尺度纹理能量分布向量，并对煤岩对象图像利用基于图像离散多小波变换的煤岩识别方法进行处理和识别，以确定其成分为煤炭或岩石；(4)通信模块将图像处理与识别模块处理的结果传输至摇臂控制器，摇臂控制器进而对摇臂的角度和位置进行调整，以避免采煤机滚筒截割到岩石；在系统运行过程中每隔一定的时间间隔，步进电机控制模块控制步进电机带动玻璃窗毛刷清理一次防爆玻璃窗表面。本技术的有益效果是，利用图像信息识别煤岩对象类型，图像采集设备和图像处理设备安装方便，识别系统独立于采煤机、掘进机，煤岩识别系统不易损坏可靠性强，识别率高，能够实时识别煤岩对象，且系统的适应性强，软硬件升级维护十分方便，为煤矿生产的自动化提供重要的可靠的信息。以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细描述。附图说明图1基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统结构图；图2系统处理单元各模块工作流程图；图3是基于图像离散多小波变换的煤岩识别流程图；图4是图像多小波变换的基本流程图；图5是提取多尺度纹理能量分布向量流程图；图6是煤岩判别流程图。图中，1、处理单元；2、照相机；3、光源；4、步进电机；5、通信线路；6、防爆外壳；7、防爆玻璃窗；8、玻璃窗毛刷；9、摇臂控制器；10、数据写入接口。具体实施方式煤主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，其反光特征随着变质程度的加深而增强。由于在物理性质上与岩石不同，煤炭和岩石对可见光的反射程度存在较明显的差异。利用图像采集设备采集的煤岩图像在像素的灰度分布、纹理特征上有较为明显的区别。为通过图像区分煤岩对象，需要寻找能够反映煤和岩石图像稳定差异的特征。由于亮度信息仅与像素点自身的特性以及受光照程度有关，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像离散多小波变换的煤岩识别系统，其特征在于，所述系统包括处理单元、照相机、光源、步进电机、通信线路、防爆外壳、防爆玻璃窗、玻璃窗毛刷、摇臂控制器以及数据写入接口；所述照相机用于采集煤岩对象图像；所述光源用于照亮煤岩对象，以获得清晰的图像；所述步进电机用于带动所述玻璃窗毛刷定时清理所述防爆玻璃窗；所述防爆外壳及所述防爆玻璃窗用于满足井下防爆要求；所述处理单元用于控制光源亮度、提供照相机拍摄煤岩对象的触发控制信号、控制步进电机定时清理防爆玻璃窗、对煤岩对象的图像进行处理和识别；所述通信线路用于将所述处理单元的识别结果传输至所述摇臂控制器；所述摇臂控制器用于依据所述通信线路传来的煤岩识别信息对摇臂的角度和位置进行调整；所述数据写入接口用于将样本特征训练阶段获取的煤和岩石的平均多尺度纹理能量分布向量写入所述处理单元的数据存储模块。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继平，贾倪，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：新型
国别省市：北京;11