一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，獲得每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)；根據(jù)采集點數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)；通過三角網(wǎng)構(gòu)建方法獲得的相鄰幀之間的物料流量，得到單位時間的瞬時流量；計算激光掃描儀掃描物料與掃描空載皮帶之間的面積差求得物料流截面積，計算激光掃描儀在物料傳輸中每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與物料流截面輪廓圍成的面積R，得到每幀物料流截面積；獲得第k幀物料流截面面積分布誤差修正系數(shù)；計算修正后的物料流截面面積。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、實時性強(qiáng)，不受粉層、天氣、光線等外界環(huán)境對物料分布測定的影響。
【專利說明】一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物料在線檢測領(lǐng)域，具體涉及一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，適用于傳輸物料參數(shù)的檢測。

【背景技術(shù)】
[0002]在煤礦、金屬礦、水泥和糧食等散料連續(xù)輸送領(lǐng)域，物料運(yùn)行狀態(tài)需要得到嚴(yán)格有效地監(jiān)測，否則極易影響帶式輸送機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)零部件破壞和系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如物料在落料點處易發(fā)生局部聚集現(xiàn)象，該現(xiàn)象會直接導(dǎo)致輸送帶磨損或張裂。另外，當(dāng)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)輸送帶上物料分布不均或載荷較輕時，系統(tǒng)幾乎約有40%的運(yùn)行能耗被白白浪費。這不僅影響了帶式輸送機(jī)散料輸送能效水平，而且大大增加了企業(yè)散料運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行成本。
[0003]物料瞬時流量是物料運(yùn)行狀態(tài)的主要參數(shù)。在線檢測物料流量，提高測量精度的方法很多，目前在工程中應(yīng)用于帶式輸送機(jī)物料瞬時流量檢測較為常用的方法有電子皮帶秤和核子秤。其中電子皮帶秤是根據(jù)壓力測量原理計量單位段內(nèi)物料流通質(zhì)量，測量精度精度高，但易受稱重傳感器、帶速傳感器硬件精度的影響。核子秤利用輻射能量通過被測物料時存在衰減的特性而實現(xiàn)測量，測量精度較高，但因維護(hù)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難調(diào)整、易變形，以及輻射能量對人體健康存在嚴(yán)重?fù)p害而較少應(yīng)用。近年來，基于光學(xué)測量技術(shù)的物料流量非接觸測量裝置是一種提高測量精度、消除測量誤差的有效途徑，一般多采用機(jī)器視覺或激光掃描方式，見文獻(xiàn)“①?③”(①中國實用新型專利CN202956334U，《視頻圖像物料檢測裝置》中國發(fā)明專利CN101216337A，《谷物流量實時試驗測定裝置及方法》；③中國發(fā)明專利CN103335680A，《一種固態(tài)物料輸送的流量測量方法及其系統(tǒng)》)。采用機(jī)器視覺方法的優(yōu)點是可通過攝像頭、視頻采集器、顯示器和圖像采集器實時準(zhǔn)確檢測物料流種類及狀態(tài)，但識別準(zhǔn)確性目前受高粉層露天環(huán)境下影響較大。而采用激光掃描技術(shù)可有效避免視覺技術(shù)受粉層環(huán)境限制的缺點，通過激光傳感器掃描單位時間內(nèi)物料流輪廓激光點云數(shù)據(jù)測算輸送帶上物料流瞬時流量。
[0004]國內(nèi)外雖已研制出帶式輸送機(jī)物料瞬時流量測量裝置，但都不具備消除物料狀態(tài)分布誤差功能。要使物料瞬時流量測量值不受物料分布狀態(tài)(不均勻、斷續(xù))等因素影響，需具備物料分布狀態(tài)實時在線檢測和誤差修正功能。目前僅有針對放射性儀表被測物料分布非線性測量誤差研究，見文獻(xiàn)“④”(④王軍亮，張新國，馬義德.放射性儀表被測物料分布非線性測量誤差研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，1999，11 (3):44-47.)針對激光檢測物料瞬時流量分布誤差測定方法尚無研究，因此，探索一種精度高、不受運(yùn)行工況影響的高精度實時在線帶式輸送機(jī)物料流分布誤差消除方法，并將其應(yīng)用于激光掃描式散狀物料瞬時流量檢測系統(tǒng)中，將具有很強(qiáng)的實用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，實現(xiàn)實時測量物料瞬時流量并消除物料分布誤差實現(xiàn)在線帶式輸送機(jī)物料瞬時流量精準(zhǔn)檢測。
[0006]一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，包括以下步驟
[0007]步驟1、通過激光掃描儀獲得每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)；
[0008]步驟2、根據(jù)每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)建立每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)的三維坐標(biāo)；
[0009]步驟3、相鄰幀之間通過三角網(wǎng)構(gòu)建方法獲得的相鄰幀之間的物料流量，計算單位時間T內(nèi)所有相鄰幀之間的物料流量，得到單位時間T的瞬時流量P(T)；
[0010]步驟4、計算激光掃描儀在物料空載時每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與空載皮帶所圍成的面積W，計算激光掃描儀在物料傳輸中每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與物料流截面輪廓圍成的面積R，得到每幀物料流截面積為S(k) = W-R，其中k為第k幀；
[0011]步驟5、根據(jù)如下公式獲得第k幀物料流截面面積分布誤差修正系數(shù)Yk:
Γ
[0012]Yk =—
σΜ
[0013]其中:σΛ?= J- Λ )2 ' Y為第k幀物料流輪廓上所有相鄰點的直線
V(M-1)Ak
距離的平均值，λ ak為第k幀物料流輪廓上第a個采集點與第k幀物料流輪廓上第a+Ι個采集點之間的直線距離，M為第k幀物料流輪廓上采集點的個數(shù)，
[0014]步驟6、計算修正后的物料流截面面積S' (k) = S(k) (1+ y k)。
[0015]一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，還包括以下步驟:
[0016]步驟7、根據(jù)以下公式計算物料瞬時流量修正系數(shù)δ τ
[0017]d); 士
IX(SVc)-SVcjf /
_8] h./
C.V =___7、 , X 100%

SVc)
[0019]其中，S' (k)為修正后的第k幀物料流截面面積，_.為單位時間T內(nèi)所有N幀修正后的物料流截面面積的平均值，
[0020]步驟8、通過Yk和δτ求得修正后的物料瞬時流量，基于以下公式:

|2(M—1)(JV—I)]I N
[0021 ] P’(T) = p[ X V U)+δ,.(-~..(I+n).v(k))]

i=lJ speed k=l
[0022]式中，P' (T)為修正后的單位時間T內(nèi)物料流瞬時流量；P為物料堆積密度；να)為物料流三維輪廓單位時間τ內(nèi)第i個小三角柱體積；m為激光掃描儀每幀掃描點數(shù)；N為每單位時間T內(nèi)激光掃描儀掃描幀數(shù)；S(k)為第k幀物料流截面輪廓與皮帶間圍成的面積；v(k)為激光掃描儀掃描完第k幀截面輪廓時的帶速值，Yk為第k幀物料面積分布誤差修正系數(shù)，S τ為單位時間T內(nèi)的物料瞬時流量修正系數(shù)。
[0023]如上所述步驟4中計算激光掃描儀在物料傳輸中每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與物料流截面輪廓圍成的面積R的獲得基于以下公式:
M-1
[0024]Yjik -1iiiiu Αβ.1=1
[0025]其中，Iik為有物料時激光掃描物料表面輪廓第i個掃描點與掃描中心之間的距離，l(i+1)k為有物料時激光掃描物料表面輪廓第i+Ι個掃描點與掃描中心之間的距離，Δ為物料表面輪廓第i個掃描點與掃描中心確定的直線和物料表面輪廓第i+Ι個掃描點與掃描中心確定的直線的之間的夾角。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0027]本發(fā)明彌補(bǔ)國內(nèi)尚無高精度實時在線帶式輸送機(jī)物料流分布誤差消除系統(tǒng)的現(xiàn)狀。該裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、實時性強(qiáng)，不受粉層、天氣、光線等外界環(huán)境對物料分布測定的影響。縱觀國內(nèi)現(xiàn)有的物料狀態(tài)檢測領(lǐng)域的檢測系統(tǒng)和設(shè)備，本發(fā)明所提的設(shè)計目標(biāo)尚無單位實現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明方法所采用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有帶式輸送機(jī)13(槽式或平直式，含驅(qū)動電機(jī)、托輥14等基本配置)，激光掃描儀1，直流穩(wěn)壓電源2，串口處理器3，服務(wù)器4，測速傳感器9，單片機(jī)6，GSM模塊7、8，監(jiān)控器10，料位檢測開關(guān)11和具備物料瞬時流量測量及分布誤差消除功能的上位機(jī)5。激光掃描儀I固定安裝于可調(diào)支架上橫梁中心位置，擺放于帶式輸送機(jī)水平輸送段，使激光掃描儀I垂直向下對準(zhǔn)散狀物料12，并使物料流通方向垂直通過激光掃描扇面。支架高度和寬度可依據(jù)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)。激光掃描數(shù)據(jù)可由串口處理器3發(fā)送至以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。測速傳感器9固定在帶式輸送機(jī)上行托輥中心軸上，與托輥同軸旋轉(zhuǎn)，可選距物料流截面輪廓模塊就近位置處上行托輥安裝。帶速數(shù)據(jù)由單片機(jī)6采集并經(jīng)由GSM/GPRS模塊傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)。散狀物料為粒度較小的細(xì)顆粒物料，反射率強(qiáng)的物料適用效果更好。物料料位檢測模塊在物料前行至激光掃描扇面前某一位置安裝，與物料流輪廓截面檢測模塊相隔一段距離。上位機(jī)5根據(jù)檢測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，實時計算物料瞬時流量并消除物料分布誤差后，實現(xiàn)在線物料瞬時流量精準(zhǔn)檢測。
[0029]圖中:1_激光掃描儀；2_直流穩(wěn)壓電源；3_串口處理器；4_服務(wù)器；5_上位機(jī)；6-單片機(jī)；7-第一 GSM模塊；8-第二 GSM模塊；9_測速傳感器；10_監(jiān)控器；11_料位檢測開關(guān)；12_散裝物料；13-帶式輸送機(jī)；14_托輥。
[0030]圖2是本發(fā)明方法所采用的系統(tǒng)中的激光掃描式散狀物料流狀態(tài)檢測部分的結(jié)構(gòu)圖。其中包含帶速檢測模塊(測速傳感器、測速控制器、GSM/GPRS模塊)、物料流截面輪廓檢測模塊(激光掃描儀、串口處理器、激光數(shù)據(jù)采集控制器)和物料料位檢測模塊(料位檢測開關(guān)、料位檢測控制器)。測速傳感器與上行托輥固定連接，測速控制器(單片機(jī)或FPGA)用于采集測速傳感器數(shù)據(jù)并控制GSM/GPRS模塊遠(yuǎn)程傳輸。激光掃描儀為二維激光測距儀，由采集軟件控制器控制激光掃描儀開始/停止采集，實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)采集。物料檢測開關(guān)信號與激光數(shù)據(jù)采集控制器相連，用于觸發(fā)物料流輪廓截面激光點云數(shù)據(jù)采集。
[0031]圖3是本發(fā)明方法的流程示意圖。
[0032]圖4(a)是本發(fā)明中修正前激光掃描式散狀物料瞬時流量測量原理示意圖。
[0033]圖4(b)是三角法測量的原理示意圖，其中H(a_1)k(xk，yk(a_D，
Zk(a—I))，Hak (Xk，yka?
代表弟 k 中貞相鄰兩點，H(a_o (k+1) (X(k+1), Υ (k+1) (a-l)> Z(k+1) (a-1))，H(a) (k+1) (X(k+1)> Y (k+l)a> Z(k+l)a)代表弟k+1幀相鄰兩點。根據(jù)三角網(wǎng)Delaunay算法四個點可圍成兩個三角形。
[0034]圖5是本發(fā)明方法中物料流截面面積計算原理示意圖。Hak、Hik, Hlk、Hnk代表激光掃描儀I掃描物料流第k幀截面輪廓中的四個點(簡稱為軌跡點)。lak、lik、llk、Ink代表激光掃描儀所測掃描中心點與這四個點間的距離。O,為激光掃描儀激光發(fā)射點。
^ik, ^lk, βη1?為這四個點與水平線的夾角。輸送帶在運(yùn)行過程中，激光掃描儀每掃描一幀，即可得到掃描角度范圍內(nèi)輸送帶上截面輪廓激光點云數(shù)據(jù)。由于每兩個掃描點間夾角很小，可近似認(rèn)為輪廓上兩采集點間連線為線性，因此可通過累積每相鄰兩個掃描點與激光掃描儀中心圍成的三角形面積得到激光掃描扇面面積。計算空載輸送帶掃描截面扇面面積后，與物料流掃描截面扇面面積做差值，即可得到每幀物料流截面面積。
[0035]圖6是本發(fā)明方法中物料分布狀態(tài)在線實時測定原理簡圖。激光掃描儀I掃描頻率設(shè)置好后，恒速測量輸送帶或物料輪廓采集點與掃描中心間距離。激光掃描儀每掃描一幀，計算出掃描中心與被測輪廓間扇面面積一次，此時通過控制器可算出當(dāng)前幀物料流截面的面積。由于A位置固定，且A掃描頻率均勻，因此面積輸出頻率一定。采用基于幾何代數(shù)的方法，計算出每幀物料流截面分布均勻度，并用α來表征面積修正系數(shù)。提取單位時間T內(nèi)計算出的物料流截面面積，設(shè)幀數(shù)為N。T時間內(nèi)，隨著輸送帶不斷移動，物料流截面面積S及α均在不斷變化，采用變異系數(shù)和相關(guān)性分析，通過β來表征單位時間內(nèi)均勻度變化修正系數(shù)。

【具體實施方式】
[0036]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0037]—種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上位機(jī)，上位機(jī)包括物料流截面輪廓檢測模塊、物料料位檢測模塊、帶速檢測模塊以及具備物料分布狀態(tài)測算模塊。
[0038]物料流截面輪廓檢測模塊由物料料位檢測模塊提供采集啟動信號，通過二維激光掃描儀實時檢測輸送帶前行過程中物料流通過激光掃描扇面的截面輪廓，實現(xiàn)帶式輸送機(jī)物料流輪廓三維激光點云數(shù)據(jù)實時采集。
[0039]物料料位檢測模塊距離物料輪廓檢測模塊一定位置安裝，用于實時檢測物料流沿輸送帶運(yùn)行方向起始端或結(jié)束端到達(dá)時刻，以便及時觸發(fā)物料輪廓檢測模塊開始或停止采集，實現(xiàn)物料輪廓檢測模塊低功耗、高效在線實時采集。
[0040]帶速檢測模塊用于實時檢測帶式輸送機(jī)輸送帶運(yùn)行速度，并實時傳輸至上位機(jī)。
[0041]上位機(jī)首先根據(jù)物料料位檢測信號實時控制物料輪廓檢測模塊開始或停止采集，然后根據(jù)物料輪廓檢測模塊采集的三維激光點云數(shù)據(jù)以及帶速檢測數(shù)據(jù)，通過物料分布狀態(tài)測算方法實現(xiàn)帶式輸送機(jī)物料分布狀態(tài)在線實時測定。
[0042]物料流截面輪廓檢測模塊包括激光掃描儀、直流穩(wěn)壓電源、串口服務(wù)器、可調(diào)節(jié)支架。以空載輸送帶作為測量基準(zhǔn)，根據(jù)物料流截面輪廓激光測量數(shù)據(jù)(激光掃描儀激光發(fā)射中心與物料輪廓上的點之間距離、激光掃描儀激光發(fā)射中心與物料輪廓上的點間連線和水平線間的夾角)實時轉(zhuǎn)換成物料流截面輪廓激光點移動軌跡，并分析物料流瞬時分布情況，以便進(jìn)行帶式輸送機(jī)物料分布狀態(tài)在線實時測定及物料瞬時流量誤差修正。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、檢測精度高、實時性強(qiáng)，可彌補(bǔ)國內(nèi)尚無高精度實時在線帶式輸送機(jī)物料流分布誤差消除系統(tǒng)的現(xiàn)狀。
[0043]一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除系統(tǒng)能夠根據(jù)料位狀態(tài)控制激光掃描儀工作，并實時融合物料流截面輪廓數(shù)據(jù)及帶速數(shù)據(jù)計算物料流瞬時流量，依據(jù)物料分布狀態(tài)測定方法準(zhǔn)確修正物料分布誤差。激光掃描儀實時檢測物料流在水平輸送過程中表面輪廓激光點云數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)方式遠(yuǎn)程傳輸至上位機(jī)。激光掃描儀可采用精度較高的二維激光測距儀。為減少輸送帶空載時激光檢測的數(shù)據(jù)量，在輸送帶前行反方向靠物料流截面輪廓檢測模塊一定距離處設(shè)置物料料位檢測模塊，用于觸發(fā)激光掃描儀啟動或停止掃描。測速傳感器與輸送帶上行托輥中心軸固定連接，同軸旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，托輥靠與輸送帶間摩擦力跟隨托輥同步旋轉(zhuǎn)，并不斷檢測帶式輸送機(jī)帶速，從而得到輸送帶單位時間內(nèi)前行距離。帶速檢測模塊將數(shù)據(jù)實時通過GSM/GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程上位機(jī)。上位機(jī)融合物料流截面輪廓激光點云數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)計算物料流瞬時流量，同時得到物料流表面輪廓三維分布坐標(biāo)。測定單位長度內(nèi)物料流分布狀態(tài)，得到物料流分布誤差修正參數(shù)，從而消除帶式輸送機(jī)物料瞬時流量中物料分布誤差，保證激光掃描式散狀物料流量檢測的精度和準(zhǔn)確度。上位機(jī)采用工控機(jī)作為本體，與物料流截面輪廓檢測模塊、物料料位檢測模塊、帶速檢測模塊網(wǎng)絡(luò)連接，實時計算物料瞬時流量并消除物料分布誤差實現(xiàn)在線帶式輸送機(jī)物料瞬時流量精準(zhǔn)檢測。
[0044]以單托輥式或槽式帶式輸送機(jī)為例，如圖1所示。其中有帶式輸送機(jī)(槽式或平直式，含驅(qū)動電機(jī)、托輥等基本配置)，激光掃描儀1，直流穩(wěn)壓電源2，串口處理器3，服務(wù)器4，測速傳感器9，測速控制器(單片機(jī)或FPGA)6，GSM模塊7、8，監(jiān)控器10，料位檢測開關(guān)11，上位機(jī)5 (含物料流截面輪廓激光檢測、帶速檢測、料位檢測及分布誤差修正等功能于一體的物料瞬時流量測量及分布誤差消除軟件)。激光掃描儀I固定安裝于可調(diào)支架上橫梁中心位置，擺放于帶式輸送機(jī)水平輸送段，使激光掃描儀I垂直向下對準(zhǔn)散狀物料，并使物料流通方向垂直通過激光掃描扇面。支架高度和寬度可依據(jù)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)。可調(diào)支架底輪可通過嵌入距輸送帶縱向方向兩邊一定距離的平行導(dǎo)軌來保持激光掃描扇面與輸送帶正交，并采用水準(zhǔn)儀、平面儀來保證激光掃描物料輪廓精度。激光掃描數(shù)據(jù)可由串口處理器3發(fā)送至以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。測速傳感器9固定在帶式輸送機(jī)上行托輥中心軸上，與托輥同軸旋轉(zhuǎn)，可選距物料流截面輪廓模塊就近位置處上行托輥安裝。帶速數(shù)據(jù)由測速控制器(單片機(jī)或FPGA) 6采集并經(jīng)由GSM/GPRS模塊傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)。散狀物料為粒度較小的細(xì)顆粒物料，反射率強(qiáng)的物料適用效果更好。物料料位檢測模塊在物料前行至激光掃描扇面前某一位置安裝，與物料流輪廓截面檢測模塊相隔一段距離。上位機(jī)5根據(jù)檢測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)，經(jīng)物料瞬時流量測量及分布誤差消除軟件實現(xiàn)實時在線物料瞬時流量精準(zhǔn)檢測。
[0045]如圖2所示，包含帶速檢測模塊(測速傳感器、測速控制器、GSM/GPRS模塊)、物料流截面輪廓檢測模塊(激光掃描儀、串口處理器、激光數(shù)據(jù)采集控制器)和物料料位檢測模塊(料位檢測開關(guān)、料位檢測控制器)。測速傳感器與上行托輥固定連接，測速控制器(單片機(jī)或FPGA)用于采集測速傳感器數(shù)據(jù)并控制GSM/GPRS模塊遠(yuǎn)程傳輸。激光掃描儀為二維激光測距儀，由采集軟件控制器控制激光掃描儀開始/停止采集，實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)采集。物料檢測開關(guān)信號與激光數(shù)據(jù)采集控制器相連，用于觸發(fā)物料流輪廓截面激光點云數(shù)據(jù)采集。
[0046]—種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，包括以下步驟
[0047]步驟1:初始化。令激光掃描儀I采集當(dāng)前幀變量k = 1，i = 1，2，…，N，N為激光掃描儀I在單位時間T內(nèi)采集截面輪廓數(shù)量，由單位時間T和激光掃描儀頻率fsPMd確定其大小(N = T.fspeed);從帶速檢測模塊和料位檢測模塊獲取帶速和物料流到達(dá)或離開時刻；
[0048]步驟2:啟動激光掃描儀I工作后，上位機(jī)接收并記錄單位時間T內(nèi)的帶速數(shù)據(jù)和物料流截面輪廓信息數(shù)據(jù)；
[0049]步驟3:將帶速數(shù)據(jù)和物料流截面信息數(shù)據(jù)融合，得到物料流輪廓三維激光點云數(shù)據(jù)；
[0050]步驟4:將物料流輪廓三維激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到物料流輪廓的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0051]步驟5:根據(jù)三角網(wǎng)三維建模方法計算修正前單位時間T內(nèi)帶式輸送機(jī)物料流過的瞬時流量；
[0052]修正前激光掃描式散狀物料瞬時流量測量原理簡圖如圖4(a)、(b)所示。激光掃描儀I掃描頻率設(shè)置好后，恒速測量輸送帶或物料輪廓采集點與掃描中心間距離。在圖4(a)中，設(shè)單位時間T內(nèi)激光掃描儀I掃描了 N幀物料流輪廓截面(N = T ，輸送帶水平行進(jìn)過程中，通過激光掃描扇面第k幀物料輪廓截面距起始幀物料輪廓截面間距離為xk，即對于第k幀物料輪廓第i個點坐標(biāo)可定義為Hik (xk，yki, zki)，可根據(jù)檢測精度需要采用樣條插值方法建立輔助點。在圖4(b)中，設(shè)H(a_1)k(xk, Ykk1), Zkari)), Hak(xk, yka, zka)為第k中貞物料流輪廊截面上相鄰兩點，H(a_D (k+1) (X(k+1)> Y (k+1) (a-l)) Z (k+1) (a-1))，H(a) (k+1) (X(k+1)> Y (k+1) a) Z (k+1)a)為第k+1幀物料流輪廓截面上相鄰兩點，四個點可圍成兩個三角形(要求各點作為三角形頂點不超過兩次)。
[0053]以此類推，根據(jù)三角網(wǎng)Delaunay算法將單位時間T內(nèi)激光掃描儀掃描的N幀物料流輪廓截面三維散點數(shù)據(jù)，剖分成不均勻的三角形網(wǎng)格即可生成單位時間T內(nèi)物料流三維輪廓圖。用三角網(wǎng)格算法計算物料流瞬時體積流量，再乘以物料比重即可得到物料瞬時流量。具體為:以 H(a—l)k，Hak，H(a—i) (k+1)，H(a) (k+1)

四個點為例，可向Z軸垂直延伸為三角柱?？捎嬎愀餍∪侵捏w積。因此根據(jù)物料流三維輪廓，累計單位時間T內(nèi)物料流輪廓各小三角柱的體積之和，即可得到物料流瞬時體積流量。采集點數(shù)越多，計算精度越高。假設(shè)να)為物料流三維輪廓單位時間T內(nèi)第i個小三角柱體積，P(T)為物料流單位時間T內(nèi)的瞬時流量，則根據(jù)點的坐標(biāo)，可得物料瞬時流量計算公式為:


[2{M-1)(7V-1)]
[0054]P(T) = p[ Yi F(/)](I)


z=l
[0055]式中，P為物料堆積密度；M為激光掃描儀每幀掃描點數(shù)；N為每單位時間T內(nèi)激光掃描儀掃描幀數(shù)(N = T.fspeed, fspeed為激光掃描儀采集頻率)。采用上述方法，采用激光掃描儀I與測速傳感器9配合，實時檢測物料流三維輪廓信息，通過上位機(jī)轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)后可以實時計算得到修正前的帶式輸送機(jī)散狀物料瞬時流量。
[0056]步驟6:輸送帶在行進(jìn)過程中，激光掃描儀每掃描一幀，即可得到掃描角度范圍內(nèi)輸送帶上截面輪廓激光點云數(shù)據(jù)。計算每幀中激光掃描儀激光發(fā)射點與物料流截面輪廓各個采集點圍成的的激光掃描扇面面積，以及預(yù)先采集的激光掃描儀激光發(fā)射點與空載皮帶截面輪廓所圍成的激光掃描扇面面積。將激光發(fā)射點與空載皮帶截面輪廓圍成的激光扇面面積減去激光發(fā)射點與物料流截面輪廓各個采集點圍成的激光扇面面積,得到當(dāng)前幀物料流截面面積，統(tǒng)計單位時間T內(nèi)N幀的物料流截面面積，即可得到激光掃描儀在單位時間T內(nèi)掃描的N幀物料流截面面積。
[0057]為分析方便起見，畫出物料流截面面積計算原理圖如5所示。O'為激光掃描儀激光發(fā)射點。Hak (lak, ^J1Hik (lik, i3ik)，Hlk(llk，i3lk)，Hnk(lnk，β J 分別表示激光掃描儀 I 掃描第k幀物料流輪廓截面上的第a，i，I及第η個掃描點(簡稱為軌跡點)。lak，Iik, Ilk, Ink分別表示激光掃描儀激光發(fā)射點O'與這四個點間的距離。i3ak，i3ik，i3lk，βη1?分別為點Hak、Hik、Hlk、Hnk與O'間連線與水平線間的夾角。由于激光掃描角分辨率很小Λ，可近似認(rèn)為輪廓上兩掃描點間連線為線性，因此可通過累積每相鄰兩個掃描點與激光掃描儀中心圍成的三角形面積得到激光掃描扇面面積。計算空載輸送帶掃描截面扇面面積后，與物料流掃描截面扇面面積做差值，即可得到每幀物料流截面面積。假設(shè)物料流輪廓起始點為Hak(yak，zak)，終止點為Hnk(ynk，zj，根據(jù)該兩點對應(yīng)角度Gak= Θ +a Λ β ^和Θ =θ+ηΔ β?(θ為掃描起始點與掃描中心確定的直線與水平面之間的角度)提取空載時該角度范圍內(nèi)皮帶輪廓激光點云數(shù)據(jù)后，得物料流截面積計算公式:

【權(quán)利要求】
1.一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1、通過激光掃描儀獲得每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)； 步驟2、根據(jù)每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)據(jù)和帶速數(shù)據(jù)建立每幀物料流截面輪廓采集點數(shù)的三維坐標(biāo)； 步驟3、相鄰幀之間通過三角網(wǎng)構(gòu)建方法獲得的相鄰幀之間的物料流量，計算單位時間T內(nèi)所有相鄰幀之間的物料流量，得到單位時間T的瞬時流量P (T)； 步驟4、計算激光掃描儀在物料空載時每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與空載皮帶所圍成的面積W，計算激光掃描儀在物料傳輸中每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與物料流截面輪廓圍成的面積R，得到每幀物料流截面積為S(k)=1-1?，其中1^為第1^幀； 步驟5、根據(jù)如下公式獲得第k幀物料流截面面積分布誤差修正系數(shù)Y k:4Yk =—c7M 其中:? =J7^tE(U)2 ’ ^為第k幀物料流輪廓±所有相鄰點的直線距離的平均值，λ ak為第k幀物料流輪廓上第a個采集點與第k幀物料流輪廓上第a+Ι個采集點之間的直線距離，M為第k幀物料流輪廓上采集點的個數(shù)， 步驟6、計算修正后的物料流截面面積S' (k) =S(k)(l+Yk)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，其特征在于，還包括以下步驟: 步驟7、根據(jù)以下公式計算物料瞬時流量修正系數(shù)δτ δ?.=丄 CV
^X(SU)-SUjf / CF =-- -Jl x! 00%

S'(lc) 其中，S' (k)為修正后的第k幀物料流截面面積，W)為單位時間T內(nèi)所有N幀修正后的物料流截面面積的平均值， 步驟8、通過Yk和δτ求得修正后的物料瞬時流量，基于以下公式:
[2(iV/-l)(.V-l(]I N P(T)=Pi X m+δ,χ-~.X(S(/o-d+γ,).ν(ι<))]


J speed 左二 I 式中，(T)為修正后的單位時間T內(nèi)物料流瞬時流量；P為物料堆積密度；v(i)為物料流三維輪廓單位時間T內(nèi)第i個小三角柱體積；M為激光掃描儀每幀掃描點數(shù)；N為每單位時間T內(nèi)激光掃描儀掃描幀數(shù)；S(k)為第k幀物料流截面輪廓與皮帶間圍成的面積；v(k)為激光掃描儀掃描完第k巾貞截面輪廓時的帶速值，Y k為第k巾貞物料面積分布誤差修正系數(shù)，S τ為單位時間T內(nèi)的物料瞬時流量修正系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的任意一種激光掃描式散狀物料流量檢測及分布誤差消除方法，其特征在于，步驟4中計算激光掃描儀在物料傳輸中每幀掃描的起始角度所在直線和終止角度所在直線與物料流截面輪廓圍成的面積R的獲得基于以下公式:
M-1
丨w sinA/4.H 其中，Iik為有物料時激光掃描物料表面輪廓第i個掃描點與掃描中心之間的距離，l(i+1)k為有物料時激光掃描物料表面輪廓第i+Ι個掃描點與掃描中心之間的距離，Λ β k為物料表面輪廓第i個掃描點與掃描中心確定的直線和物料表面輪廓第i+Ι個掃描點與掃描中心確定的直線的之間的夾角。
【文檔編號】G01F1/74GK104132699SQ201410355215
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】吳青, 張東華, 初秀民, 陳鵬, 陳偉, 任學(xué)鋒, 曾飛, 梁躍虹, 許晶, 王媛 申請人:武漢中原電子集團(tuán)有限公司