專利名稱：一種自動測量煤堆體積的方法及其專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動測量煤堆體積的方法及其專用裝置。
背景技術(shù)：
火電廠發(fā)電成本的核算與耗煤量密切相關(guān)。解決耗煤量的問題歸根結(jié)底是計(jì)算煤 堆體積的問題。多少年來，測繪同仁一直在努力探索一個(gè)合理、快捷、高效的煤堆體積計(jì)算 方案，通常有以下幾種，然而，效果皆不盡如人意1、通過人工丈量的方式來測定煤堆體積 中型火電廠一個(gè)煤堆的體積一般為數(shù)十萬立方米(長、寬約100m，高約10m)。由汽車運(yùn)至 現(xiàn)場，煤堆呈奇形怪狀，為較為準(zhǔn)確地測定煤堆體積，首先人工整形，然后丈量，最后所得體 積也不準(zhǔn)確，是實(shí)實(shí)在在的“經(jīng)驗(yàn)估算”。經(jīng)驗(yàn)證，誤差在10% 30%之間，而且方法笨拙， 費(fèi)時(shí)費(fèi)工，與現(xiàn)代化火電廠生產(chǎn)運(yùn)作極不相稱。2、通過全站儀測定煤堆體積利用全站儀有 棱鏡模式測定煤堆體積，精度雖高，但必須有反射棱鏡配合作業(yè)，觀測員必須將棱鏡立于每 個(gè)測點(diǎn)上。而表述一個(gè)完整的煤堆外貌，至少需上千個(gè)有效測點(diǎn)，這樣，觀測員不得不爬上 爬下，耗費(fèi)大量的觀測時(shí)間。3、采用激光三角法對煤場進(jìn)行測量，激光三角法測距傳感器安 裝在龍門吊的小車上，借助龍門吊上小車的行走對煤場平面進(jìn)行掃描，完成數(shù)據(jù)采集，并通 過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)儲量計(jì)算和圖形繪制，此方法能實(shí)現(xiàn)煤場的自動測量，但是此方法要使用龍 門吊等大型設(shè)備，設(shè)備成本高，一部分中小電廠沒有該類設(shè)備，此外該方法采用單點(diǎn)采樣， 然后根據(jù)一組采樣數(shù)據(jù)計(jì)算體積，其測量時(shí)間較長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是，提出一種自動測量煤堆體積的方法及其專用裝 置，該方法和專用裝置能準(zhǔn)確地測量煤堆體積，而且易于實(shí)施。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種自動測量煤堆體積的方法，其特征在于，包括以下步驟1)在煤堆上設(shè)置多個(gè)標(biāo)識物；2)由巡航小車?yán)@煤堆巡航一周，巡航小車移動時(shí)，對每一個(gè)標(biāo)識物進(jìn)行掃描巡 航小車上的激光測距儀測量獲取巡航小車到標(biāo)識物的距離S和俯仰轉(zhuǎn)角 ，巡航小車上安 裝的GPS傳感器給出當(dāng)前的水平轉(zhuǎn)角0，激光測距儀到地面的高度為H，則某一標(biāo)識物的空間坐標(biāo)為高度坐標(biāo)zw = H-Scos 小；水平橫坐標(biāo)xw=Ssm<pcosfi ；
水平縱坐標(biāo)-.yw=Ssin爐sinp ；對獲取到的所有的標(biāo)識物的空間坐標(biāo)進(jìn)行處理，形成煤堆三維圖；3)根據(jù)煤堆三維圖計(jì)算煤堆的體積。標(biāo)識物在煤堆中的多個(gè)方向上自上而下均勻設(shè)置，標(biāo)識物為30-50個(gè)，標(biāo)識物為 插桿，插桿的上端為表面涂有白色可反光材料的圓板，圓板的直徑為10cm-20cm。
一種實(shí)現(xiàn)自動測量煤堆體積的方法的專用裝置，其特征在于，該專用裝置為巡航 小車，巡航小車的下端設(shè)有轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪，巡航小車上設(shè)置有嵌入式車載工控機(jī)、激光測 距儀、攝像機(jī)、GPS傳感器和通信模塊，嵌入式車載工控機(jī)通過驅(qū)動電路與轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪 相接，激光測距儀、攝像機(jī)、GPS傳感器和通信模塊均與嵌入式車載工控機(jī)連接；嵌入式車 載工控機(jī)中集成有計(jì)算標(biāo)識物空間坐標(biāo)的標(biāo)識物空間坐標(biāo)計(jì)算單元、用于將所有標(biāo)識物空 間坐標(biāo)擬合成煤堆三維圖的煤堆三維圖生成單元以及用于根據(jù)煤堆三維圖計(jì)算煤堆體積 的煤堆體積計(jì)算單元。巡航小車上還設(shè)置有用于感應(yīng)周圍障礙的接觸傳感器、超聲傳感器和紅外傳感 器，所述的接觸傳感器、超聲傳感器和紅外傳感器均與嵌入式車載工控機(jī)連接。 巡航小車底部設(shè)有轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪，中部設(shè)有嵌入式車載工控機(jī)；嵌入式車載工 控機(jī)控制所述轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪的動作；在小車的外圍還設(shè)有接觸傳感器、超聲傳感器、紅外 傳感器，它們和嵌入式車載工控機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)小車自主運(yùn)動和躲避障礙物。該巡航小車還 包括提供動力和電源的電池、以及自身定位的GPS傳感器、與用戶交流的車載筆記本和喇 口Λ，能為用戶提供良好的人機(jī)界面。巡航小車上設(shè)有體積測量機(jī)構(gòu)由激光測距儀、視覺傳感器、和可調(diào)整高度的傳感 器底座組成；體積測量機(jī)構(gòu)安裝于巡航小車上，在小車沿媒堆環(huán)形移動過程中，體積測量機(jī) 構(gòu)連續(xù)掃描媒堆的截面輪廓和圖像信息，將測量結(jié)果送至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中，可快速計(jì) 算出掃描過的煤堆體積。信號輸入/輸出單元包括輸入信號板、嵌入式車載工控機(jī)、上位機(jī)通信接口 ；輸入 信號板通過數(shù)據(jù)總線與嵌入式車載工控機(jī)連接，嵌入式車載工控機(jī)通過上位機(jī)通信接口與 上位機(jī)連接，將上位機(jī)整定的參數(shù)進(jìn)行存儲及處理，通過小車自帶的GPS傳感器實(shí)時(shí)測量 巡航小車的行進(jìn)方向和具體坐標(biāo)，并記錄在嵌入式處理器存儲器中，可供數(shù)據(jù)采集處理系 統(tǒng)讀取以用于后續(xù)體積計(jì)算；信號輸入/輸出單元能通過小車自帶的車載筆記本構(gòu)成人機(jī) 操作界面。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，是由一臺嵌入式車載工控機(jī)和一塊嵌入式通信卡組成，嵌 入式車載工控機(jī)與體積測量機(jī)構(gòu)和信號輸入/輸出單元具有通信連接，體積測量機(jī)構(gòu)獲取 的煤堆數(shù)據(jù)交由嵌入式車載工控機(jī)處理，計(jì)算出煤堆體積，并能繪制出實(shí)時(shí)煤堆三維圖像， 并能將結(jié)果顯示在巡航小車上的計(jì)算機(jī)屏幕中；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過信號輸入/輸出單 元與上位機(jī)通信，由上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)整定、測量數(shù)據(jù)和結(jié)果下載等。本發(fā)明的工作原理是巡航小車沿煤堆環(huán)形自主移動過程中，由激光測距儀掃描 煤堆表面，其掃描方向保證正對煤堆表面的標(biāo)識物，獲得標(biāo)識物的空間坐標(biāo)，基于所有標(biāo)識 物的坐標(biāo)進(jìn)行擬合，得到的煤堆三維圖可準(zhǔn)確反映煤堆輪廓。最后，基于煤堆三維圖計(jì)算得 到煤堆體積圖。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用移動巡航小車對煤堆體積進(jìn)行自動測量，這種方法和裝置為煤堆體 積測量提供了一個(gè)全新的構(gòu)思。煤堆體積測量采用激光掃描和視覺相結(jié)合的方法，只要標(biāo) 識物的數(shù)量足夠多，就能使得擬合得到的煤堆三維圖能精確表征實(shí)際煤堆的形狀，然后根 據(jù)煤堆三維圖計(jì)算煤堆的體積，因此，采用本方法和裝置，能對煤堆體積進(jìn)行定量的計(jì)算，避免了隨意的估算帶來的誤差，因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明能顯著提高測量精度。2、體積計(jì)算方法簡單、用時(shí)少。該體積測量方法對測量數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除空點(diǎn)、高 程突變點(diǎn)和煤堆邊界以外的點(diǎn)等無效點(diǎn)，減少了后續(xù)處理時(shí)間；另外，通過簡單的計(jì)算得到 煤堆體積以及生成三維煤堆視圖，該計(jì)算方法計(jì)算速度快，效率高。生成三維煤堆視圖，其 實(shí)就是根據(jù)煤堆中被測各點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，擬合出立體三維圖。3、具有參數(shù)校證，測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。測量小車上的車載工控機(jī)能通過通信接口 與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還能通過上位機(jī)的對測量誤差進(jìn)行分析，從而根據(jù)參數(shù)校正 程序修改測量參數(shù)，大大提高了測量精度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的體積測量機(jī)構(gòu)組成示意圖；圖3是本發(fā)明的巡航小車自主檢測示意圖；注隱形區(qū)域?yàn)槊憾?，外圍大圓為巡航 小車自主運(yùn)動路徑，虛線---------為激光射線。圖4是本發(fā)明的體積測試示意圖；(圖中A為激光測距儀)圖中1、巡航小車；2、電池；3、轉(zhuǎn)向輪；4、驅(qū)動輪；5、接觸傳感器；6、嵌入式車載 工控機(jī)；7、超聲傳感器；8、紅外傳感器；9、喇叭；10、激光測距儀；11、C⑶相機(jī)；12、傳感器 底座；13、車載筆記本；14, GPS模塊；15、煤堆。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 如圖1所示，巡航小車1包括體積測量機(jī)構(gòu)、信號輸入/輸出單元、數(shù)據(jù)采集處理 系統(tǒng)；所述的巡航小車底部設(shè)有轉(zhuǎn)向輪3和驅(qū)動輪4，其頂部設(shè)有體積測量機(jī)構(gòu)，中部設(shè) 有嵌入式車載工控機(jī)6 ；嵌入式車載工控機(jī)6控制所述轉(zhuǎn)向輪3和驅(qū)動輪4的動作；在小車 的外圍還設(shè)有接觸傳感器接觸、超聲、紅外傳感器的作用能夠都是用來使小車避開周圍 的障礙物、超聲傳感器7、紅外傳感器8，它們和嵌入式車載工控機(jī)6連接，以實(shí)現(xiàn)小車自主 運(yùn)動和躲避障礙物。該巡航小車還包括提供動力和電源的電池2、以及自身定位的GPS模塊 14、與用戶交流的車載筆記本13和喇叭9，能為用戶提供良好的人機(jī)界面。所述的體積測量機(jī)構(gòu)，由激光測距儀10、視覺傳感器11、和可調(diào)整高度的傳感器 底座12組成；體積測量機(jī)構(gòu)安裝于巡航小車上，在小車沿媒堆環(huán)形移動采用人工遙控巡 航小車移動過程中，操作人員遠(yuǎn)程控制激光測距儀對準(zhǔn)標(biāo)識物，從而通過激光測距儀得到 標(biāo)識物到巡航小車的距離S和俯仰轉(zhuǎn)角Φ ；巡航小車上安裝的GPS傳感器給出當(dāng)前的水平 轉(zhuǎn)角β。實(shí)際測量示意圖如圖4所示。安裝在移動小車上的測量機(jī)構(gòu)上升到一定高度H后 (H為已知量)，如圖4建立坐標(biāo)系。圖4中，S為激光測距儀到被測點(diǎn)的距離，由激光測距儀實(shí)時(shí)給出。由圖4中的三 角形關(guān)系得定點(diǎn)P的高度為zw = H-Scos Φ(1)
水平位置為xw = Ssin Φ cos β (2)yw = Ssin Φ sin β巡航小車要完成巡航一周，才能得到所有的數(shù)據(jù)。由多個(gè)標(biāo)識物的空間坐標(biāo)形成煤堆三維圖的技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù)，這里提供一種具體 算法如下(1)根據(jù)要繪制圖形的區(qū)域?qū)υ疾蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成一給定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù) 點(diǎn)集Pl ；(2)將Pl投影到二維矩陣區(qū)域得到二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集Ρ2 ；(3)對給定區(qū)域的邊界按掃描步長進(jìn)行細(xì)分，得到邊界邊集、邊界點(diǎn)集，并將邊界 點(diǎn)集加入到數(shù)據(jù)點(diǎn)集Ρ3中；(4)對數(shù)據(jù)點(diǎn)集Ρ3在矩陣區(qū)域內(nèi)進(jìn)行三角剖分，得到三角平面描述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；(5)采用正二測變換矩陣對三角形集的頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行投影變換；(6)最后計(jì)算每一三角平面片的法向量，判斷是否其為潛在可見面，并對潛在可見 面之間的隱藏關(guān)系進(jìn)行處理輸出最終的可見線段集，即可得到給定區(qū)域的煤堆三維圖形。根據(jù)煤堆三維圖計(jì)算煤堆體積的方法，為現(xiàn)有技術(shù)，這里提供一種方法在直角坐 標(biāo)系里將煤堆底面分成若干相等的方塊(如邊長為2米)，根據(jù)每個(gè)方塊內(nèi)所有落點(diǎn)的高度 平均值Zwi作為該小柱體的高度，從而求出小柱體的體積，再求和得到整個(gè)煤堆的體積 其中Δχ，Ay為二位掃描在χ，y兩個(gè)方向上的步長，如Δχ = Ay = 2，m，η分 別為X，y方向上的分割分?jǐn)?shù)，對于一個(gè)長為300米，寬為60米的煤堆來說，Δχ, Ay均取為
2米(通過移動小車自主運(yùn)動實(shí)現(xiàn))，則
權(quán)利要求
一種自動測量煤堆體積的方法，其特征在于，包括以下步驟1)在煤堆上設(shè)置多個(gè)標(biāo)識物；2)由巡航小車?yán)@煤堆巡航一周，巡航小車移動時(shí)，對每一個(gè)標(biāo)識物進(jìn)行掃描巡航小車上的激光測距儀測量獲取巡航小車到標(biāo)識物的距離S和俯仰轉(zhuǎn)角φ，巡航小車上安裝的GPS傳感器給出當(dāng)前的水平轉(zhuǎn)角β，激光測距儀到地面的高度為H，則某一標(biāo)識物的空間坐標(biāo)為高度坐標(biāo)zw＝H-Scosφ；水平橫坐標(biāo)水平縱坐標(biāo)對獲取到的所有的標(biāo)識物的空間坐標(biāo)進(jìn)行處理，形成煤堆三維圖；3)根據(jù)煤堆三維圖計(jì)算煤堆的體積。FSA00000126809700011.tif,FSA00000126809700012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自動測量煤堆體積的方法，其特征在于，標(biāo)識物在煤堆 中的多個(gè)方向上自上而下均勻設(shè)置，標(biāo)識物為30-50個(gè)，標(biāo)識物為插桿，插桿的上端為表面 涂有白色可反光材料的圓板，圓板的直徑為10cm-20cm。
3.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1或2中自動測量煤堆體積的方法的專用裝置，其特征在于，該專 用裝置為巡航小車，巡航小車的下端設(shè)有轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動輪，巡航小車上設(shè)置有嵌入式車載 工控機(jī)、激光測距儀、攝像機(jī)、GPS傳感器和通信模塊，嵌入式車載工控機(jī)通過驅(qū)動電路與轉(zhuǎn) 向輪和驅(qū)動輪相接，激光測距儀、攝像機(jī)、GPS傳感器和通信模塊均與嵌入式車載工控機(jī)連 接；嵌入式車載工控機(jī)中集成有計(jì)算標(biāo)識物空間坐標(biāo)的標(biāo)識物空間坐標(biāo)計(jì)算單元、用于將 所有標(biāo)識物空間坐標(biāo)擬合成煤堆三維圖的煤堆三維圖生成單元以及用于根據(jù)煤堆三維圖 計(jì)算煤堆體積的煤堆體積計(jì)算單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的專用裝置，其特征在于，巡航小車上還設(shè)置有用于感應(yīng)周圍 障礙的接觸傳感器、超聲傳感器和紅外傳感器，所述的接觸傳感器、超聲傳感器和紅外傳感 器均與嵌入式車載工控機(jī)連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自動測量煤堆體積的方法及其專用裝置，該方法包括以下步驟1、在煤堆上設(shè)置多個(gè)標(biāo)識物；2、由巡航小車?yán)@煤堆巡航一周，巡航小車移動時(shí)，對每一個(gè)標(biāo)識物進(jìn)行掃描巡航小車上的激光測距儀測量獲取巡航小車到標(biāo)識物的距離S和俯仰轉(zhuǎn)角φ，巡航小車上安裝的GPS傳感器給出當(dāng)前的水平轉(zhuǎn)角β，激光測距儀到地面的高度為H，得到某一標(biāo)識物的空間坐標(biāo)；對獲取到的所有的標(biāo)識物的空間坐標(biāo)進(jìn)行處理，形成煤堆三維圖；根據(jù)煤堆三維圖計(jì)算煤堆的體積。該方法和專用裝置能準(zhǔn)確地測量煤堆體積，而且易于實(shí)施。
文檔編號G01B11/00GK101858730SQ20101017226
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者何昌盛, 劉真, 康雋, 張輝, 程棟 申請人:長沙友欣儀器制造有限公司