专利名称：一种自动测量煤堆体积的方法及其专用装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自动测量煤堆体积的方法及其专用装置。
背景技术：
火电厂发电成本的核算与耗煤量密切相关。解决耗煤量的问题归根结底是计算煤 堆体积的问题。多少年来，测绘同仁一直在努力探索一个合理、快捷、高效的煤堆体积计算 方案，通常有以下几种，然而，效果皆不尽如人意1、通过人工丈量的方式来测定煤堆体积 中型火电厂一个煤堆的体积一般为数十万立方米(长、宽约100m，高约10m)。由汽车运至 现�。憾殉势嫘喂肿矗衔既返夭舛憾烟寤紫热斯ふ危缓笳闪浚詈笏锰� 积也不准确，是实实在在的“经验估算”。经验证，误差在10% 30%之间，而且方法笨拙， 费时费工，与现代化火电厂生产运作极不相称。2、通过全站仪测定煤堆体积利用全站仪有 棱镜模式测定煤堆体积，精度虽高，但必须有反射棱镜配合作业，观测员必须将棱镜立于每 个测点上。而表述一个完整的煤堆外貌，至少需上千个有效测点，这样，观测员不得不爬上 爬下，耗费大量的观测时间。3、采用激光三角法对煤场进行测量，激光三角法测距传感器安 装在龙门吊的小车上，借助龙门吊上小车的行走对煤场平面进行扫描，完成数据采集，并通 过计算机实现储量计算和图形绘制，此方法能实现煤场的自动测量，但是此方法要使用龙 门吊等大型设备，设备成本高，一部分中小电厂没有该类设备，此外该方法采用单点采样， 然后根据一组采样数据计算体积，其测量时间较长。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是，提出一种自动测量煤堆体积的方法及其专用装 置，该方法和专用装置能准确地测量煤堆体积，而且易于实施。本发明的技术解决方案如下一种自动测量煤堆体积的方法，其特征在于，包括以下步骤1)在煤堆上设置多个标识物；2)由巡航小车绕煤堆巡航一周，巡航小车移动时，对每一个标识物进行扫描巡 航小车上的激光测距仪测量获取巡航小车到标识物的距离S和俯仰转角 ，巡航小车上安 装的GPS传感器给出当前的水平转角0，激光测距仪到地面的高度为H，则某一标识物的空间坐标为高度坐标zw = H-Scos �。凰胶嶙陎w=Ssm<pcosfi ；
水平纵坐标-.yw=Ssin炉sinp ；对获取到的所有的标识物的空间坐标进行处理，形成煤堆三维图；3)根据煤堆三维图计算煤堆的体积。标识物在煤堆中的多个方向上自上而下均勻设置，标识物为30-50个，标识物为 插杆，插杆的上端为表面涂有白色可反光材料的圆板，圆板的直径为10cm-20cm。
一种实现自动测量煤堆体积的方法的专用装置，其特征在于，该专用装置为巡航 小车，巡航小车的下端设有转向轮和驱动轮，巡航小车上设置有嵌入式车载工控机、激光测 距仪、摄像机、GPS传感器和通信�？椋度胧匠翟毓た鼗ü缏酚胱蚵趾颓� 相接，激光测距仪、摄像机、GPS传感器和通信�？榫肭度胧匠翟毓た鼗樱磺度胧匠� 载工控机中集成有计算标识物空间坐标的标识物空间坐标计算单元、用于将所有标识物空 间坐标拟合成煤堆三维图的煤堆三维图生成单元以及用于根据煤堆三维图计算煤堆体积 的煤堆体积计算单元。巡航小车上还设置有用于感应周围障碍的接触传感器、超声传感器和红外传感 器，所述的接触传感器、超声传感器和红外传感器均与嵌入式车载工控机连接。 巡航小车底部设有转向轮和驱动轮，中部设有嵌入式车载工控机；嵌入式车载工 控机控制所述转向轮和驱动轮的动作；在小车的外围还设有接触传感器、超声传感器、红外 传感器，它们和嵌入式车载工控机连接，以实现小车自主运动和躲避障碍物。该巡航小车还 包括提供动力和电源的电池、以及自身定位的GPS传感器、与用户交流的车载笔记本和喇 口Λ，能为用户提供良好的人机界面。巡航小车上设有体积测量机构由激光测距仪、视觉传感器、和可调整高度的传感 器底座组成；体积测量机构安装于巡航小车上，在小车沿媒堆环形移动过程中，体积测量机 构连续扫描媒堆的截面轮廓和图像信息，将测量结果送至数据采集处理系统中，可快速计 算出扫描过的煤堆体积。信号输入/输出单元包括输入信号板、嵌入式车载工控机、上位机通信接口 ；输入 信号板通过数据总线与嵌入式车载工控机连接，嵌入式车载工控机通过上位机通信接口与 上位机连接，将上位机整定的参数进行存储及处理，通过小车自带的GPS传感器实时测量 巡航小车的行进方向和具体坐标，并记录在嵌入式处理器存储器中，可供数据采集处理系 统读取以用于后续体积计算；信号输入/输出单元能通过小车自带的车载笔记本构成人机 操作界面。数据采集与处理系统，是由一台嵌入式车载工控机和一块嵌入式通信卡组成，嵌 入式车载工控机与体积测量机构和信号输入/输出单元具有通信连接，体积测量机构获取 的煤堆数据交由嵌入式车载工控机处理，计算出煤堆体积，并能绘制出实时煤堆三维图像， 并能将结果显示在巡航小车上的计算机屏幕中；数据采集处理系统通过信号输入/输出单 元与上位机通信，由上位机进行参数整定、测量数据和结果下载等。本发明的工作原理是巡航小车沿煤堆环形自主移动过程中，由激光测距仪扫描 煤堆表面，其扫描方向保证正对煤堆表面的标识物，获得标识物的空间坐标，基于所有标识 物的坐标进行拟合，得到的煤堆三维图可准确反映煤堆轮廓。最后，基于煤堆三维图计算得 到煤堆体积图。有益效果本发明与现有技术相比具有如下优点1、本发明采用移动巡航小车对煤堆体积进行自动测量，这种方法和装置为煤堆体 积测量提供了一个全新的构思。煤堆体积测量采用激光扫描和视觉相结合的方法，只要标 识物的数量足够多，就能使得拟合得到的煤堆三维图能精确表征实际煤堆的形状，然后根 据煤堆三维图计算煤堆的体积，因此，采用本方法和装置，能对煤堆体积进行定量的计算，避免了随意的估算带来的误差，因此，相对于现有技术，本发明能显著提高测量精度。2、体积计算方法简单、用时少。该体积测量方法对测量数据预处理，剔除空点、高 程突变点和煤堆边界以外的点等无效点，减少了后续处理时间；另外，通过简单的计算得到 煤堆体积以及生成三维煤堆视图，该计算方法计算速度快，效率高。生成三维煤堆视图，其 实就是根据煤堆中被测各点的三维坐标信息，拟合出立体三维图。3、具有参数校证，测量精度高的优点。测量小车上的车载工控机能通过通信接口 与上位机进行数据传输，同时还能通过上位机的对测量误差进行分析，从而根据参数校正 程序修改测量参数，大大提高了测量精度。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的体积测量机构组成示意图；图3是本发明的巡航小车自主检测示意图；注隐形区域为煤堆，外围大圆为巡航 小车自主运动路径，虚线---------为激光射线。图4是本发明的体积测试示意图；(图中A为激光测距仪)图中1、巡航小车；2、电池；3、转向轮；4、驱动轮；5、接触传感器；6、嵌入式车载 工控机；7、超声传感器；8、红外传感器；9、喇叭；10、激光测距仪；11、C⑶相机；12、传感器 底座；13、车载笔记本；14, GPS�？椋�15、煤堆。
具体实施例方式实施例1 如图1所示，巡航小车1包括体积测量机构、信号输入/输出单元、数据采集处理 系统；所述的巡航小车底部设有转向轮3和驱动轮4，其顶部设有体积测量机构，中部设 有嵌入式车载工控机6 ；嵌入式车载工控机6控制所述转向轮3和驱动轮4的动作；在小车 的外围还设有接触传感器接触、超声、红外传感器的作用能够都是用来使小车避开周围 的障碍物、超声传感器7、红外传感器8，它们和嵌入式车载工控机6连接，以实现小车自主 运动和躲避障碍物。该巡航小车还包括提供动力和电源的电池2、以及自身定位的GPS�？� 14、与用户交流的车载笔记本13和喇叭9，能为用户提供良好的人机界面。所述的体积测量机构，由激光测距仪10、视觉传感器11、和可调整高度的传感器 底座12组成；体积测量机构安装于巡航小车上，在小车沿媒堆环形移动采用人工�？匮� 航小车移动过程中，操作人员远程控制激光测距仪对准标识物，从而通过激光测距仪得到 标识物到巡航小车的距离S和俯仰转角Φ ；巡航小车上安装的GPS传感器给出当前的水平 转角β。实际测量示意图如图4所示。安装在移动小车上的测量机构上升到一定高度H后 (H为已知量)，如图4建立坐标系。图4中，S为激光测距仪到被测点的距离，由激光测距仪实时给出。由图4中的三 角形关系得定点P的高度为zw = H-Scos Φ(1)
水平位置为xw = Ssin Φ cos β (2)yw = Ssin Φ sin β巡航小车要完成巡航一周，才能得到所有的数据。由多个标识物的空间坐标形成煤堆三维图的技术为现有技术，这里提供一种具体 算法如下(1)根据要绘制图形的区域对原始采样数据进行处理，生成一给定区域内的数据 点集Pl ；(2)将Pl投影到二维矩阵区域得到二维数据点集Ρ2 ；(3)对给定区域的边界按扫描步长进行细分，得到边界边集、边界点集，并将边界 点集加入到数据点集Ρ3中；(4)对数据点集Ρ3在矩阵区域内进行三角剖分，得到三角平面描述的拓扑结构；(5)采用正二测变换矩阵对三角形集的顶点坐标进行投影变换；(6)最后计算每一三角平面片的法向量，判断是否其为潜在可见面，并对潜在可见 面之间的隐藏关系进行处理输出最终的可见线段集，即可得到给定区域的煤堆三维图形。根据煤堆三维图计算煤堆体积的方法，为现有技术，这里提供一种方法在直角坐 标系里将煤堆底面分成若干相等的方块(如边长为2米)，根据每个方块内所有落点的高度 平均值Zwi作为该小柱体的高度，从而求出小柱体的体积，再求和得到整个煤堆的体积 其中Δχ，Ay为二位扫描在χ，y两个方向上的步长，如Δχ = Ay = 2，m，η分 别为X，y方向上的分割分数，对于一个长为300米，宽为60米的煤堆来说，Δχ, Ay均取为
2米(通过移动小车自主运动实现)，则
权利要求
一种自动测量煤堆体积的方法，其特征在于，包括以下步骤1)在煤堆上设置多个标识物；2)由巡航小车绕煤堆巡航一周，巡航小车移动时，对每一个标识物进行扫描巡航小车上的激光测距仪测量获取巡航小车到标识物的距离S和俯仰转角φ，巡航小车上安装的GPS传感器给出当前的水平转角β，激光测距仪到地面的高度为H，则某一标识物的空间坐标为高度坐标zw＝H-Scosφ；水平横坐标水平纵坐标对获取到的所有的标识物的空间坐标进行处理，形成煤堆三维图；3)根据煤堆三维图计算煤堆的体积。FSA00000126809700011.tif,FSA00000126809700012.tif
2.根据权利要求1所述的用于自动测量煤堆体积的方法，其特征在于，标识物在煤堆 中的多个方向上自上而下均勻设置，标识物为30-50个，标识物为插杆，插杆的上端为表面 涂有白色可反光材料的圆板，圆板的直径为10cm-20cm。
3.一种实现权利要求1或2中自动测量煤堆体积的方法的专用装置，其特征在于，该专 用装置为巡航小车，巡航小车的下端设有转向轮和驱动轮，巡航小车上设置有嵌入式车载 工控机、激光测距仪、摄像机、GPS传感器和通信�？椋度胧匠翟毓た鼗ü缏酚胱� 向轮和驱动轮相接，激光测距仪、摄像机、GPS传感器和通信�？榫肭度胧匠翟毓た鼗� 接；嵌入式车载工控机中集成有计算标识物空间坐标的标识物空间坐标计算单元、用于将 所有标识物空间坐标拟合成煤堆三维图的煤堆三维图生成单元以及用于根据煤堆三维图 计算煤堆体积的煤堆体积计算单元。
4.根据权利要求3所述的专用装置，其特征在于，巡航小车上还设置有用于感应周围 障碍的接触传感器、超声传感器和红外传感器，所述的接触传感器、超声传感器和红外传感 器均与嵌入式车载工控机连接。
全文摘要
本发明提供了一种自动测量煤堆体积的方法及其专用装置，该方法包括以下步骤1、在煤堆上设置多个标识物；2、由巡航小车绕煤堆巡航一周，巡航小车移动时，对每一个标识物进行扫描巡航小车上的激光测距仪测量获取巡航小车到标识物的距离S和俯仰转角φ，巡航小车上安装的GPS传感器给出当前的水平转角β，激光测距仪到地面的高度为H，得到某一标识物的空间坐标；对获取到的所有的标识物的空间坐标进行处理，形成煤堆三维图；根据煤堆三维图计算煤堆的体积。该方法和专用装置能准确地测量煤堆体积，而且易于实施。
文档编号G01B11/00GK101858730SQ20101017226
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者何昌盛, 刘真, 康隽, 张辉, 程栋 申请人:长沙友欣仪器制造有限公司
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