專利名稱：一種在小顆粒物質(zhì)堆場實現(xiàn)實時數(shù)字化信息場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種能在小顆粒物質(zhì)的堆場實現(xiàn)實時庫存量盤點以及堆場模型虛擬重建的 方法，屬于虛擬現(xiàn)實的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景一個中型的堆場，往往堆有幾萬噸 幾十萬噸的小顆粒物質(zhì)，如火力發(fā)電廠的煤場。為了 保證發(fā)電機組在臺風(fēng)等特殊的氣候環(huán)境下，仍有燃料供應(yīng)發(fā)電，在煤場貯備著幾十萬噸的煤; 煤場每天都有煤被輸送到鍋爐燃燒，又陸續(xù)地有煤送進煤場，因此煤場存有多少噸煤往往是 個未知數(shù)，無人知道一個比較準(zhǔn)確的數(shù)字。應(yīng)運而生的是各種盤煤裝置，有用激光的，也有 用超聲波的，它們基本上都是應(yīng)用測距的原理，采用不同的方法，建立一個煤堆的三維模型， 然后推算出煤堆的體積，折算成重量。因為煤場的煤堆有新堆的，有部分被取過煤的，形狀 五花八門，應(yīng)用測距原理要準(zhǔn)確、實時的建立與現(xiàn)場相似的煤堆模型是很困難的；事實上要 準(zhǔn)確、實時的測量一個存放有幾萬噸煤的無規(guī)律煤堆的體積，還沒有一個好方法。目前這些 盤煤裝置，都是測量靜態(tài)煤堆的，無法動態(tài)的顯示煤堆的變化，也就是說無法實現(xiàn)實時庫存 量的盤點以及堆場模型的虛擬重建。中國專利申請?zhí)?00510038894.4，
公開日2005.10.26，公開了一種立體視覺盤煤方法， 它首先是在煤堆上方安裝成對攝像機，將攝像機邊移動邊對煤堆進行拍攝，得到煤堆圖像， 通過圖像處理計算匹配模版與所覆蓋子圖之間的相似程度或相關(guān)系數(shù)，選擇共軛點并和它在 左右攝像圖像上投影點的關(guān)系，獲得其空間位置，擬合出煤堆的空間曲面，計算出煤堆的體 積和重量。該專利提出了一種對煤場存煤的盤煤方法，不能實時的顯示取煤和堆煤時煤堆的 變化，本發(fā)明是利用在堆場中機械母體設(shè)備的小皮帶上實時檢測的取料和堆料瞬時重量和堆 取料點的三維空間坐標(biāo)實時模擬堆場的三維模型圖，并結(jié)合堆場地理信息資源庫重建出堆場 的數(shù)字化動態(tài)信息場，按照人的視角和操作習(xí)慣模擬人在整個堆場的三維動態(tài)場景中運動， 操作設(shè)備，檢詢各料堆的大小、形狀以及實時盤點料堆的重量。 發(fā)明內(nèi)容小顆粒物質(zhì)通常是采用傳輸皮帶，運往堆場的；往往也是采用同一條傳輸皮帶運出堆場; 如火力發(fā)電廠的煤場，采用斗輪機堆煤，也是采用斗輪機取煤，無論是堆煤還是取煤，煤都 要經(jīng)過斗輪機懸臂上的小皮帶。在這種情況下，本發(fā)明所要解決的是提供一種基于實時重量 測量和堆取料口三維坐標(biāo)相結(jié)合進行虛擬重建數(shù)字化信息場的方法。對于一個小顆粒物質(zhì)的堆場，場地的幾何形狀是不變的。堆場的機械設(shè)備的運行軌跡也 是有規(guī)律的。因此我們可以在堆場的機械設(shè)備上加裝3 4個數(shù)字編碼器，并設(shè)定位置基準(zhǔn)點。 其中1 2個數(shù)字編碼器，記錄機械母體設(shè)備在堆場的位置，如果機械母體設(shè)備是沿著軌道行 走的，只要一個數(shù)字編碼器就可知道它的位置；如無軌道則需用兩個數(shù)字編碼器，才能確定 它在堆場的具體位置。第3個數(shù)字編碼器用于采集機械母體設(shè)備上小皮帶的俯仰角，根據(jù)小 皮帶的實際長度和俯仰角度，就可計算出堆煤小皮帶出口或取煤點的高度；第4個數(shù)字編碼 器用于記錄小皮帶相對機械母體設(shè)備中心軸基準(zhǔn)線的回轉(zhuǎn)角度，結(jié)合回轉(zhuǎn)與俯仰角度，就可 計算出堆煤小皮帶出口或取煤點相對機械母體設(shè)備的坐標(biāo)。這樣我們就可以根據(jù)數(shù)字編碼器 的數(shù)值和機械母體設(shè)備的外形尺寸特征，推算出堆煤小皮帶出口或取煤點的在煤場相對于基 準(zhǔn)點的空間位置。如圖1所示，2為堆取物質(zhì)的機械母體設(shè)備行走軌道，3是機械母體設(shè)備，4是位置基準(zhǔn) 點，5是安裝在數(shù)字機械母體設(shè)備上的數(shù)字編碼器，可記錄機械母體設(shè)備在堆場沿著軌道在X軸方向的位置，十六位的數(shù)字編碼器精度可達到+，如果軌道的總長度為300米，數(shù)字編碼器可精確地反映出機械母體設(shè)備距離基準(zhǔn)點的距離，x=，x仏iV為編碼器的記錄64x1024值，計算誤差不超過±5毫米；如在沒有行走軌道情況下，則需在機械母體設(shè)備上增裝數(shù)字編 碼器6，以記錄機械設(shè)備母體在堆場Y軸方向的位置。如圖2所示，l是機械母體設(shè)備，2是安裝在機械母體設(shè)備上的小皮帶，小皮帶實際長度為丄，它的俯仰角度為a， 3是記錄俯仰角的數(shù)字編碼器，假設(shè)允許小皮帶在0°~+70°范圍 內(nèi)變化，小皮帶俯仰基準(zhǔn)水平線設(shè)為O。，小皮帶最大俯仰角為+ 70°，十六位數(shù)字編碼器可記錄"的精度為7()°，小皮帶距離母體基準(zhǔn)點的高度/z,-i:.sina，當(dāng)丄為30米，年的計 64x1024算高度誤差是毫米級的，小皮帶的水平投影長度/ = ^cos"。當(dāng)機械母體設(shè)備為有軌道型時，小皮帶往往是安裝在母體的一個回轉(zhuǎn)盤上，如圖3所示， l為機械母體設(shè)備，2為母體行走軌道，3為母體上的回轉(zhuǎn)盤，4為小皮帶，當(dāng)母體上的回轉(zhuǎn)盤左右回轉(zhuǎn)時，小皮帶也跟著回轉(zhuǎn)，圖中/ 是回轉(zhuǎn)的角度，以軌道中心線5為基準(zhǔn)，"一般 不會超過±110°，我們把母體基準(zhǔn)點M設(shè)在回轉(zhuǎn)中心上，6是記錄回轉(zhuǎn)角度的十六位數(shù)字編碼器，可記錄yg的精度為 ，小皮帶的投影在X軸方向與母體基準(zhǔn)點M的長度64x1024、二/.cos-二i:.cosa.cos/ ，小皮帶的投影在Y軸方向與母體基準(zhǔn)點M的長度<formula>formula see original document page 5</formula>，當(dāng)丄為30米時，x,和y,的計算長度誤差是毫米級的。數(shù)字編碼器記錄的數(shù)據(jù)均送入主計算機，根據(jù)機械設(shè)備的外形尺寸，就可以計算出機械 母體設(shè)備上小皮帶出口，距離堆場位置基準(zhǔn)點『的平面距離JT和y，如圖4， Z-x + ;c,,r = ;v機械設(shè)備上小皮帶出口，距離地面的高度// = /2,+^，其中/ 為機械設(shè)備母體基準(zhǔn)點距離位置基準(zhǔn)點『的固定高度。當(dāng)機械設(shè)備為無軌道型時，7 = ^ +兀，其中少為機械設(shè)備母體基準(zhǔn)點M與位置基準(zhǔn)點『在Y方向的距離。因此通過讀取數(shù)字編碼器的值，可以計算出 小皮帶出口即堆取料點在堆場中的三維坐標(biāo)。實時重量測量設(shè)備安裝在小皮帶上，考慮到測量重量獲取的實時性，盡量安裝在靠近堆 取料口的地方。在堆料時假定小皮帶是順時針方向旋轉(zhuǎn)，那么取料時小皮帶一定是逆時針方 向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)小皮帶旋轉(zhuǎn)的方向的開關(guān)量，主計算機就可以知道此時此刻處在取料還是堆料 狀態(tài)。電氣和軟件框圖如圖5，其中數(shù)字編碼器1記錄機械母體設(shè)備X軸方向位置；數(shù)字編碼 器2記錄機械母體設(shè)備Y軸方向位置;數(shù)字編碼器3記錄機械母體設(shè)備上小皮帶俯仰的角度； 數(shù)字編碼器4記錄機械母體設(shè)備上回轉(zhuǎn)盤即懸臂回轉(zhuǎn)的角度。主計算機內(nèi)的堆取料點三維坐標(biāo)分析軟件，根據(jù)數(shù)字編碼器的輸出量以及機械設(shè)備的固 有尺寸來計算堆取料點的三維空間位置；實時重量測量設(shè)備提供瞬時物流量，由主計算機重 量計算軟件來累積計算小顆粒物質(zhì)進堆場或出堆場的重量。信息場庫是基于堆場的地理信息資源庫，三維立體堆場仿真軟件利用信息場庫并結(jié)合機 械母體設(shè)備三維結(jié)構(gòu)、堆料和取料的固有特征以及堆取料口的三維坐標(biāo)，堆取物質(zhì)的重量和歷史的信息，虛擬重建出整個堆場的三維動態(tài)場景，仿真出堆料和取料的工作過程，同時可 實時檢詢各料堆的大小、形狀以及實時盤點料堆的重量和整個堆場物質(zhì)的庫存量。在堆料時，從堆料口落下的小顆粒狀物質(zhì)，形成自然落體錐形狀，如圖6，如果是在煤場上的Z角度， 一般為43°左右。這樣就可以由計算機根據(jù)實時重量測量設(shè)備檢測到的瞬時物質(zhì)流量通過三維立體堆場仿真軟件模擬煤堆不斷擴大的形狀，并結(jié)合獲取的堆取料點的三維 坐標(biāo)虛擬重建出堆場不斷變化的三維模型。如果場地上原來有物質(zhì)，那么主計算機一定保留 了原堆場的三維模型，隨著堆料的進行，可根據(jù)原堆場的形狀和現(xiàn)堆料的重量和位置等信息， 虛擬重建出出新的堆場模型，并保留在主計算機中，以備實時檢詢。取料時，由取料設(shè)備特性決定會留下的固有物質(zhì)形狀，根據(jù)取料點的位置以及主計算機 記錄的堆場三維模型以及由實時重量測量設(shè)備檢測到的取料重量，利用三維立體堆場仿真軟件實時、連續(xù)重建出新的堆場三維模型，如圖7。在檢詢時，只要點擊相應(yīng)的三維模型圖，就可實時顯示出某堆物質(zhì)的庫存量。應(yīng)用虛擬 現(xiàn)實手段，可按照人的視角模擬人在整個堆場的三維動態(tài)場景中運動，同時模擬出堆料和取 料時的設(shè)備操作過程，能讓操作人員有身臨其境的感覺。


圖1是數(shù)字編碼器記錄堆場機械母體設(shè)備位置示意圖；圖2是數(shù)字編碼器記錄堆場機械母體設(shè)備上小皮帶俯仰角示意圖；圖3是數(shù)字編碼器記錄堆場機械母體設(shè)備上小皮帶回轉(zhuǎn)角示意圖；圖4是計算堆取料點在堆場中的三維坐標(biāo)原理示意圖；圖5是實現(xiàn)數(shù)字化信息場的電氣和軟件框圖；圖6是堆料三維模型示意圖；圖7是取料三維模型示意圖。
權(quán)利要求
1.一種在小顆粒物質(zhì)堆場實現(xiàn)數(shù)字化信息場的方法，其特性在于(1)在堆場中機械母體設(shè)備的小皮帶上實時檢測小顆粒物質(zhì)瞬時重量。(2)根據(jù)小顆粒物質(zhì)堆料時自由落體特征與堆料重量、取料時由取料設(shè)備形成的固有特征形態(tài)與取料重量，以及實時檢測到的堆取料點的三維空間坐標(biāo)模擬出堆場的三維模型圖，同時可實時顯示出整個堆場物質(zhì)的庫存量。(3)采用虛擬現(xiàn)實手段，結(jié)合堆場地理信息資源庫，根據(jù)歷史的信息與當(dāng)前的數(shù)據(jù)重建出堆場的數(shù)字化動態(tài)信息場，可按照人的視角和操作習(xí)慣模擬人在整個堆場的三維動態(tài)場景中運動，操作設(shè)備，檢詢各料堆的大小、形狀以及實時盤點料堆的重量等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能在小顆粒物質(zhì)的堆場實現(xiàn)實時庫存量盤點以及堆場模型虛擬重建的方法，屬于虛擬現(xiàn)實的技術(shù)領(lǐng)域。該方法實時地檢測堆場中機械母體設(shè)備中小皮帶上的小顆粒物質(zhì)瞬時重量，根據(jù)小顆粒物質(zhì)堆料時自由落體特征與堆料重量，取料時由取料設(shè)備形成的固有特征形態(tài)與取料重量，以及實時檢測到的堆取料點相對堆場位置基準(zhǔn)點的三維空間坐標(biāo)模擬出堆場的三維模型圖，并實時顯示整個堆場物質(zhì)的庫存量；采用虛擬現(xiàn)實手段，結(jié)合堆場地理信息資源庫，根據(jù)歷史的信息與當(dāng)前的數(shù)據(jù)重建出堆場的數(shù)字化動態(tài)信息場，可按照人的視角和操作習(xí)慣模擬人在整個堆場的三維動態(tài)場景中運動，操作設(shè)備，檢詢各料堆的大小、形狀以及實時盤點料堆的重量等。
文檔編號G01B21/02GK101290216SQ200710039798
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者沈文忠, 高幼年 申請人:高幼年;沈文忠