用于基于形狀屬性檢測倉內(nèi)的障礙物的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及庫存的監(jiān)測和過程的測量，且更特別涉及用于測量倉的內(nèi)容物的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對液體庫存的監(jiān)測通常是簡單的。相比之下，對由堆在如筒倉的倉內(nèi)的顆粒物組成的散裝固體庫存的監(jiān)測往往很難。這些散裝固體庫存的例子包括用于建筑的水泥和沙子、糧食、化肥等。倉內(nèi)的散裝材料的水平的測量是一個(gè)尚未完全解決的問題。倉內(nèi)的狀況通常是不利的(灰塵、極端的溫度等)和存儲(chǔ)在倉內(nèi)的散裝材料的內(nèi)容物往往沒有平坦的表面且不總是各向同性的。其他的困難來自于使用的倉形狀的廣泛種類和一些倉內(nèi)的易爆環(huán)境。
[0003]本文使用的術(shù)語“倉”的范圍包括用于散裝顆粒固體的任何儲(chǔ)存容器，其結(jié)構(gòu)限定了用于容納和存儲(chǔ)固體的內(nèi)部容積。這樣的倉可能會(huì)從上面封閉、下面封閉和四周封閉，如當(dāng)倉是筒倉、器皿或槽的情況，或者可能是上面開口或一個(gè)或多個(gè)側(cè)面開口。在下面的本發(fā)明的詳細(xì)描述中使用的“倉”的例子是筒倉；但是對本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員將明顯的是如何將本發(fā)明的原理應(yīng)用到任何類型的倉。
[0004]已知五種主要的方法用于如筒倉的倉的內(nèi)容物的連續(xù)測量。
[0005]機(jī)電(yo-yo)水平傳感器主要由在一卷帶的一端的砝碼構(gòu)成。砝碼被允許在筒倉內(nèi)下降到內(nèi)容物的頂表面所位于的深度。當(dāng)砝碼被定位于內(nèi)容物的頂部時(shí)，帶內(nèi)的張力松弛。砝碼然后縮回至頂部設(shè)置點(diǎn)。內(nèi)容物的高度根據(jù)縮回砝碼所需的時(shí)間或根據(jù)測得的帶的長度推斷出。
[0006]諸如yo-yo傳感器的機(jī)械設(shè)備是不可靠的。它們易被灰塵堵塞和被筒倉內(nèi)的諸如泵和桿的障礙物卡住。
[0007]超聲水平傳感器基于超聲波發(fā)射和接收原理工作。來自發(fā)射機(jī)的高頻聲波被內(nèi)容物的頂表面反射到接收器。內(nèi)容物的高度根據(jù)往返傳播時(shí)間推斷。這種傳感器具有有限的范圍且在存在灰塵時(shí)工作欠佳。此外，這種裝置需要定制設(shè)計(jì)以用于不同類型的筒倉。
[0008]雷達(dá)水平傳感器基于電磁波發(fā)射與接收原理工作。來自發(fā)射機(jī)的電磁波被內(nèi)容物的頂表面反射到接收器。內(nèi)容物的高度根據(jù)往返傳播時(shí)間推斷。這種傳感器具有不適用于散裝固體的單個(gè)測量點(diǎn)。
[0009]電容傳感器測量兩個(gè)金屬桿之間的電容或金屬桿和地面之間的電容。由于筒倉的內(nèi)容物具有與空氣不同的介電常數(shù)，電容根據(jù)所述兩桿之間或桿與地面之間的內(nèi)容物的頂表面的水平進(jìn)行變化。這樣的傳感器趨于不準(zhǔn)確且對濕度和存儲(chǔ)在筒倉中的材料的類型敏感。
[0010]以上討論的所有現(xiàn)有技術(shù)的傳感器對內(nèi)容物的形狀不敏感，因此在稱為“形成圓錐形”的共同現(xiàn)象存在的情況下是不準(zhǔn)確的，該現(xiàn)象在散裝顆粒固體通過倉的底部撤出時(shí)發(fā)生:其頂點(diǎn)在撤出點(diǎn)的正上方的倒錐形孔趨于在散裝顆粒固體中形成。在散裝顆粒固體被從頂部添加到倉時(shí)，發(fā)生類似的現(xiàn)象:固體往往堆積在其頂點(diǎn)在固體的插入點(diǎn)的正下方的圓錐中。這些傳感器在具有復(fù)雜的幾何形狀的倉中及在存在障礙物的情況下工作欠佳。
[0011]重量計(jì)通過測量保持筒倉的桿中的張力來測量移動(dòng)筒倉及其內(nèi)容物的重量。這種儀表的安裝復(fù)雜，而且它們只適用于具有金屬腿的移動(dòng)筒倉。
[0012]對于測量倉的內(nèi)容物(散裝固體或液體)方面，一個(gè)主要問題是假回波。
[0013]假回波是倉內(nèi)的障礙物的照射導(dǎo)致的。這些障礙物可能是外來物體、倉壁上的不規(guī)則物、內(nèi)容物材料的堆積和平坦的波紋。內(nèi)容物材料可以，例如，累積在障礙物上或倉壁上。
[0014]當(dāng)材料水平面低于這些障礙物時(shí)一水平面測量裝置可以鎖定在障礙物上并將它們視為實(shí)際的材料水平面。
[0015]這些障礙物的位置和它們的大小在每個(gè)倉中是不同的，因此它們不能在安裝之前以通用的穩(wěn)健方式對所有容器消除不同。
[0016]應(yīng)對假回波問題的已知方式是等到倉沒有內(nèi)容物(在安裝水平面測量裝置后)然后手工繪制(記錄)裝置檢測到的來自小于容器底部的距離處的所有回波。在更一般的意義上，繪制可以進(jìn)行到給定已知的材料水平面(這可能在底部以上)。
[0017]這種方法具有幾個(gè)主要問題:
[0018]a.手動(dòng)繪制需要對設(shè)備操作有一些技術(shù)理解(這使安裝容易使用)。
[0019]b.手工繪制需要知道在給定時(shí)間的內(nèi)容物水平面(這是首先安裝裝置的真實(shí)原因)。
[0020]c.在某些情況下，在安裝后，容器將被清空一長段時(shí)間，這延遲了安裝的完成。
[0021]d.散裝固體的堆積產(chǎn)生了隨著時(shí)間的推移而增長的障礙物，從而手動(dòng)繪制不能提前消除它們。
[0022]對于能夠克服目前已知的方法的上述缺點(diǎn)的測量倉的內(nèi)容物且特別是檢測障礙物的方法存在廣泛認(rèn)可的需要，且具有這種方法將是非常有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023]提供了一種用于自動(dòng)繪制障礙物的系統(tǒng)和方法-甚至在安裝后無需人的干預(yù)。
[0024]該系統(tǒng)和方法可以掃描短于內(nèi)容物被檢測到的距離的所有距離并繪制在這些距離的所有障礙物。
[0025]障礙物的自動(dòng)檢測可以基于以下方法中的至少一種。
[0026]利用基于陣列的水平測量，系統(tǒng)能夠檢測到輻射脈沖的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)方向。這樣的系統(tǒng)可以同時(shí)檢測表面上的多個(gè)點(diǎn)。
[0027]如果假設(shè)內(nèi)容物的最大安置角度，則當(dāng)內(nèi)容物水平降低得足夠多的話，障礙物和內(nèi)容物的上表面之間的計(jì)算出的角度將大于內(nèi)容物的給定的最大可能的安置角度。
[0028]當(dāng)其發(fā)生的時(shí)候，很明顯，回波中的一個(gè)是假的(由障礙物導(dǎo)致)。確定哪一個(gè)回波是假回波可以基于每個(gè)回波的相對功率、到達(dá)方向、每個(gè)回波的信噪比、其被檢測到的相對距離和其他參數(shù)。
[0029]取決于內(nèi)容物的表面，在一定條件下假回波可能被選擇及在其他情況下，來自內(nèi)容物的回波非常強(qiáng)烈和清晰(例如，通常來自空容器的底部的回波通常很強(qiáng))。因?yàn)樗惴衫L制由障礙物導(dǎo)致的假回波且其不會(huì)影響未來的測量。
[0030]然而，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，回波的歷史可以被保存并用來檢測障礙物。
[0031]在這種情況下，記錄每個(gè)檢測到的回波的歷史，也記錄被檢測到而因?yàn)楸灰暈榧倩夭ǘ粊G棄的回波。
[0032]來自內(nèi)容物的表面的真正的回波將隨著內(nèi)容物被從容器中清空或填充到容器中而移動(dòng)，而假回波保持不動(dòng)。
[0033]假回波的識別則可以基于這樣的事實(shí)，即算法檢測連續(xù)移動(dòng)的回波，而其他回波保持靜止。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于自動(dòng)繪制存儲(chǔ)內(nèi)容物的倉內(nèi)的障礙物的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可包括:位置估計(jì)器，所述位置估計(jì)器可被布置為響應(yīng)于檢測信號，計(jì)算所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀；其中所述檢測信號是由接收機(jī)響應(yīng)于從所述倉內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)反射或散射的輻射信號產(chǎn)生的；及障礙物檢測器，所述障礙物檢測器可被布置為響應(yīng)于(a)所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀，和(b)所述內(nèi)容物的上表面的預(yù)期的形狀屬性，檢測屬于障礙物的至少一個(gè)障礙點(diǎn)。形狀屬性描述或參考了內(nèi)容物的上表面的形狀。
[0035]所述預(yù)期的形狀屬性可定義所述內(nèi)容物的上表面的最大預(yù)期斜率。
[0036]所述障礙物檢測器可被布置為如果所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀的局部斜率超過所述最大預(yù)期斜率，則檢測到障礙物。
[0037]所述位置估計(jì)器可被布置為在所述障礙物檢測器檢測到障礙物后，通過忽略屬于所述障礙物的至少一個(gè)點(diǎn)，更新所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀。
[0038]所述局部斜率可被定義在所述倉內(nèi)的一組點(diǎn)之間，其中所述障礙物檢測器可被布置為從所述一組點(diǎn)中選擇屬于障礙物的一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0039]所述障礙物檢測器可被布置為響應(yīng)于所述一組點(diǎn)中的點(diǎn)的相對估計(jì)高度選擇所述一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0040]所述障礙物檢測器可被布置為選擇所述一組點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)最高點(diǎn)作為所述一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0041]所述障礙物檢測器可被布置為響應(yīng)于從所述一組點(diǎn)的點(diǎn)反射的強(qiáng)度來選擇所述一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0042]該系統(tǒng)可包括形狀屬性更新模塊，所述形狀屬性更新模塊被布置為響應(yīng)于所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀來更新預(yù)期的形狀屬性。
[0043]該系統(tǒng)可包括所述接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中的至少一個(gè)，所述發(fā)射機(jī)可被布置為使用輻射脈沖照射所述倉的內(nèi)部空間。
[0044]所述輻射信號可以是聲脈沖的回波。
[0045]一種用于自動(dòng)繪制存儲(chǔ)內(nèi)容物的倉內(nèi)的障礙物的方法，所述方法可包括:接收檢測信號，所述檢測信號是由接收機(jī)響應(yīng)于從所述倉內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)反射或散射的輻射信號產(chǎn)生的；由位置估計(jì)器響應(yīng)于所述檢測信號計(jì)算所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀；及由障礙物檢測器響應(yīng)于(a)所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀，和(b)所述內(nèi)容物的上表面的預(yù)期的形狀屬性，檢測屬于障礙物的至少一個(gè)障礙點(diǎn)。
[0046]所述預(yù)期的形狀屬性可定義所述內(nèi)容物的上表面的最大預(yù)期斜率。
[0047]該方法可包括如果所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀的局部斜率超過所述最大預(yù)期斜率，則檢測到障礙物。
[0048]該方法可包括在檢測到障礙物后，通過忽略屬于所述障礙物的至少一個(gè)點(diǎn)，更新所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀。
[0049]在該方法中，所述局部斜率被定義在所述倉內(nèi)的一組點(diǎn)之間，其中所述方法包括從所述一組點(diǎn)中選擇屬于障礙物的一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0050]該方法可包括響應(yīng)于所述一組點(diǎn)中的點(diǎn)的相對估計(jì)高度選擇所述一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0051]該方法可包括選擇所述一組點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)最高點(diǎn)作為所述一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0052]該方法可包括響應(yīng)于從所述一組點(diǎn)中的點(diǎn)反射的強(qiáng)度來選擇所述一個(gè)或多個(gè)障礙點(diǎn)。
[0053]該方法可包括響應(yīng)于所述內(nèi)容物的上表面的估計(jì)形狀來更新預(yù)期的形狀屬性。
[0054]該方法可包括使用輻射脈沖照射所述倉的內(nèi)部空間。
[0055]所述輻射信號可以是聲脈沖的回波。
[0056]任何方法的任何階段可由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的指令。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種非