基於雷射掃描雷達的體積動態測量裝置及測量方法與流程

2023-04-24 19:12:21 1

本發明屬於體積動態測量技術領域，特別涉及基於雷射掃描雷達的體積動態測量裝置及測量方法。

背景技術：
在很多科學研究和工業生產中，常常需要獲知相關物體的體積參數。但是當被測物體具有時變性、毒性、易爆性等特性時，為了安全起見，不方便人工直接進行測量。例如，在煤塊的分選和分類過程中，需要動態的測量煤塊的體積大小，從而能夠自動的根據其體積對其進行分類或者結合質量計算其密度。目前根據體積對煤塊進行分選的方法主要是振動篩選法，即根據煤塊振動時的不同運動方向，篩選出體積相近的煤塊。但是這種篩選方法只能粗略的對煤塊進行分類，無法精確的獲取煤塊的體積大小，從而用於計算煤塊的密度。另外，這種篩選方法也會使煤塊造成破壞，大體積的煤塊在振動下容易分裂成小體積的煤塊。

技術實現要素：
本發明的目的在於提出基於雷射掃描雷達的體積動態測量裝置及測量方法。該體積動態測量裝置投資費用少，測量速度快，便於實現自動控制，無需人工操作，能夠方便的對被測物的體積進行動態測量。為實現上述技術目的，本發明採用如下技術方案予以實現。技術方案一：基於雷射掃描雷達的體積動態測量裝置，包括傳送帶，所述傳送帶的上方、左側和右側對應安裝有第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達，所述第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達位於同一豎直平面內；所述第一雷射掃描雷達垂直朝向傳送帶平面，所述第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達均水平朝向傳送帶平面；所述傳送帶的驅動電機的轉軸上固定安裝有增量式旋轉編碼器；所述第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達均通過交換機電連接工控機，所述增量式旋轉編碼器通過數據採集卡電連接所述工控機。本技術方案的特點和進一步改進在於：所述第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達的型號均為UXM-30LX-EW；所述增量式旋轉編碼器採用E6A2-CW3C增量式旋轉編碼器。所述第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達具有相同的採樣頻率。技術方案二：基於雷射掃描雷達的體積動態測量方法，基於上述基於雷射掃描雷達的體積動態測量裝置，包括以下步驟：雷射掃描雷達標定：製作一個八面體形狀的標定物，所述八面體具有兩個底面和六個側面，所述兩個底面分別為兩個正六邊形，所述兩個正六邊形具有相同的邊長，所述六個側面均為矩形；將所述標定物放置在傳送帶上，所述標定物的六個側面均與所述傳送帶的運動方向平行；使用傳送帶傳送所述標定物，第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達對應採集標定物截面的三組點雲數據，將其中兩組點雲數據的坐標轉換至另一組點雲數據所在的坐標系，確定所述兩組點雲數據對應的坐標轉換的參數；採集傳送帶運轉速度和被測物截面輪廓的點雲數據：使用傳送帶傳送被測物，利用增量式旋轉編碼器和工控機測量傳送帶的實時運轉速度；第一雷射掃描雷達按時間順序依次採集第1被測物截面至第M被測物截面的上輪廓線的點雲數據，M為大於1的自然數；第i被測物截面為：第一雷射掃描雷達對被測物進行第i次採樣所對應的被測物截面，i取1至M，第i被測物截面為豎直截面，並與傳送帶運動方向垂直；第二雷射掃描雷達按時間順序依次採集第1被測物截面至第M被測物截面的左輪廓線的點雲數據，第三雷射掃描雷達按時間順序依次採集第1被測物截面至第M被測物截面的右輪廓線的點雲數據；將採集到的點雲數據通過交換機輸入至工控機；坐標轉換：工控機按照所述兩組點雲數據對應的坐標轉換的參數，對第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達同一時間採集的點雲數據進行對應的坐標轉換，工控機根據坐標轉換的結果構造出對應的被測物截面圖像；被測物截面面積計算：根據所述被測物截面圖像計算出對應的被測物截面面積；被測物採樣距離計算：根據第一雷射掃描雷達的採樣頻率，計算出第一雷射掃描雷達的採樣時間，所述第一雷射掃描雷達的採樣時間為第一雷射掃描雷達採集相鄰兩個被測物截面的點雲數據之間的時間間隔；將採集被測物截面輪廓的點雲數據時傳送帶的實時運轉速度與第一雷射掃描雷達的採樣時間相乘，得到每兩個相鄰被測物截面之間的採樣距離；被測物截體體積計算：所述被測物截體體積指位於兩個相鄰的被測物截面之間的被測物的體積；根據每個被測物截面面積以及對應的兩個相鄰被測物截面之間的採樣距離，採用稜台計算方法得出對應的被測物截體體積；被測物體積計算：所有被測物截體體積累加即為被測物體積。本技術方案的特點和進一步改進在於：在採集傳送帶運轉速度和被測物截面輪廓的點雲數據時，增量式旋轉編碼器將單位時間內記錄的脈衝數據通過數據採集卡發送至工控機，工控機根據所述脈衝數據計算出傳送帶的實時運轉速度。在進行雷射掃描雷達標定時，將第二雷射掃描雷達採集到的標定物截面的點雲數據的坐標轉換至第一雷射掃描雷達的坐標系，得出對應的坐標轉換的參數；將第三雷射掃描雷達採集到的標定物截面的點雲數據的坐標轉換至第一雷射掃描雷達的坐標系，得出對應的坐標轉換的參數；第一雷射掃描雷達的坐標係為第一雷射掃描雷達採集到的標定物截面的點雲數據所在的坐標系。本發明的有益效果為：該體積動態測量裝置投資費用少，測量速度快，便於實現自動控制，無需人工操作，能夠方便的對被測物體積進行動態測量。附圖說明圖1為本發明的基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量裝置的機械結構示意圖；圖2為本發明的基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量裝置的電路連接示意圖；圖3為本發明的基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量方法的流程圖；圖4為煤塊截面的面積計算示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步說明：（八面體）以煤塊為例，說明基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量裝置及測量方法。參照圖1，為本發明的基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量裝置的機械結構示意圖。該基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量裝置，包括用於傳送煤塊的傳送帶1，在傳送帶1的上方、左側和右側對應安裝有第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4，第一雷射掃描雷達2的雷射頭垂直向下，第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4的雷射頭均水平朝向傳送帶平面。三個雷射掃描雷達（第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4）位於同一豎直平面內，分別固定在三個支架上；三個雷射掃描雷達分別用於採集煤塊截面的上輪廓線、左輪廓線和右輪廓線的點雲數據。傳送帶1的驅動電機的轉軸上固定安裝有增量式旋轉編碼器5，增量式旋轉編碼器5用於測量傳送帶1的實時運轉速度。參照圖2，為本發明的基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量裝置的電路連接示意圖；第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4均通過交換機電連接工控機，增量式旋轉編碼器5通過數據採集卡電連接工控機。具體地說，工控機通過自身的網絡接口連接交換機，並通過自身的串口連接數據採集卡。工控機設置在傳送帶的一側（左側或右側）。本發明實施例中，第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4的型號均採用HOKUYO公司的UXM-30LX-EW雷射測距儀。這種雷射測距儀具有190°的測量範圍、20Hz的採樣頻率、0.1～30m的測量距離。高性能的工控機接收增量式旋轉編碼器5發送的脈衝數據後，根據該脈衝數據計算得到傳送帶當前的實時運轉速度。工控機接收第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4發送來的點雲數據後，根據該點雲數據採用圖像拼接方法重構煤塊截面的圖像，並基於此，計算對應的煤塊截面面積。本發明實施例中，增量式旋轉編碼器5採用OMRON公司的E6A2-CW3C增量式旋轉編碼器。E6A2-CW3C增量式旋轉編碼器採用雙相測速方式，其解析度為500P/R，它通過數據採集卡與串口線連接工控機的串口。參照圖3，為本發明的基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量方法的流程圖。該基於雷射掃描雷達的煤塊體積動態測量方法包括以下步驟：雷射掃描雷達標定：由於雷射掃描雷達所採集的點雲數據對應的坐標系都是基於自身為原點而建立的，因此需要對三個雷射掃描雷達進行標定，將點雲數據轉換至統一坐標系後，才能基於雷射掃描雷達所採集的點雲數據計算出對應的煤塊截面面積。雷射掃描雷達標定的具體過程為：製作一個八面體形狀的標定物，該八面體具有兩個底面和六個側面，這兩個底面分別為兩個正六邊形，兩個正六邊形的邊長均為20cm，八面體的六個側面均為矩形（長40cm，寬20cm）；然後將標定物放置在傳送帶上，標定物的六個側面均與所述傳送帶的運動方向平行；使用傳送帶傳送該標定物，由於第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4的採樣頻率均為20Hz，並且第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4位於同一豎直平面，所以在同一時刻，第一雷射掃描雷達2、第二雷射掃描雷達3和第三雷射掃描雷達4可以對應採集到該標定物的一個截面的上輪廓線的點雲數據、左輪廓線的點雲數據和右輪廓線的點雲數據。然後基於這些點雲數據這三條輪廓曲線在工控機上描繪出來。然後以第一雷射掃描雷達2的坐標系（第一雷射掃描雷達採集到的標定物截面的點雲數據所在的坐標系）為基準，固定該標定物截面的上輪廓曲線。根據標定物截面的上輪廓線、左輪廓線和右輪廓線的共有點，對該標定物截面的左輪廓線進行平移和旋轉，並對該標定物截面的右輪廓線進行平移和旋轉；使三條輪廓線拼接成一個正六邊形的五個邊。此時，記錄下左輪廓線的平移量和旋轉量以及右輪廓線的平移量和旋轉量。左輪廓線的平移量和旋轉量即為左輪廓線的點雲數據對應的坐標轉換的參數，右輪廓線的平移量和旋轉量即為右輪廓線的點雲數據對應的坐標轉換的參數。上述標定物的截面為正六邊形，可以較為精確地模擬煤塊的截面形狀，能夠提高雷射掃描雷達標定的精確度，從而能夠提高煤塊截面面積計算的精確度。本發明實施例中，還可以根據需要選擇標定物的形狀，例如選用截面為正八邊形的十面體。本發明實施例中，還可以在標定物的位置向前移動5mm時，再進行如上雷射掃描雷達標定，得到對應的平移量和旋轉量數據。多次進行如上雷射掃描雷達標定過程並對所有標定的平移量和旋轉量求平均值後，確定出第二雷射掃描雷達3所採集的左輪廓線的點雲數據對應的平移量和旋轉量，以及第三雷射掃描雷達4所採集的右輪廓線的點雲數據對應的平移量和旋轉量。最終使第二雷射掃描雷達3所採集的左輪廓線的點雲數據的坐標和第三雷射掃描雷達4所採集的右輪廓線的點雲數據的坐標變換至第一雷射掃描雷達2所在的坐標系，形成一個統一的坐標系。本發明實施例中，還可以在傳送煤塊前，預先設定傳送帶的運轉速度。為保證煤塊體積計算的實時性和高精度，設定煤塊的採樣距離D為5mm。由於雷射掃描雷達的採樣頻率f為20Hz，因此設定傳送帶的運轉速度v為：v=D*f=5′10-3*20=0.1ms然後採集傳送帶運轉速度和煤塊截面輪廓的點雲數據：傳送帶剛啟動時，傳送帶以設定速度0.1m/s運轉。煤塊隨著傳送帶向前運動時，煤塊的重量會使傳送帶的運轉速度發生一定的變化，此時，增量式旋轉編碼器5啟動對傳送帶運轉速度的實時採集，同時三個雷射掃描雷達啟動對煤塊的截面輪廓線的點雲數據的實時採集。工控機利用串口實時採集來自增量式旋轉編碼器的脈衝數據，根據脈衝數據精確計算出傳送帶的實時運轉速度。工控機利用網絡接口實時採集來自三個雷射掃描雷達的煤塊截面輪廓線的點雲數據，具體過程如下：第一雷射掃描雷達按時間順序依次採集第1煤塊截面至第M煤塊截面的上輪廓線的點雲數據，M為大於1的自然數；第i煤塊截面為：第一雷射掃描雷達對煤塊進行第i次採樣所對應的煤塊截面，i取1至M，第i煤塊截面為豎直截面，並與傳送帶運動方向垂直；第二雷射掃描雷達按時間順序依次採集第1煤塊截面至第M煤塊截面的左輪廓線的點雲數據，第三雷射掃描雷達按時間順序依次採集第1煤塊截面至第M煤塊截面的右輪廓線的點雲數據；將採集到的點雲數據通過交換機輸入至工控機。然後進行坐標轉換，工控機按照坐標轉換的參數，對第一雷射掃描雷達、第二雷射掃描雷達和第三雷射掃描雷達同一時間採集的點雲數據進行對應的坐標轉換（即進行對應的平移和旋轉），工控機根據坐標轉換的結果構造出對應的煤塊截面圖像；坐標轉換的參數指：第二雷射掃描雷達3所採集的左輪廓曲線的點雲數據對應的平移量和旋轉量，以及第三雷射掃描雷達4所採集的右輪廓曲線的點雲數據對應的平移量和旋轉量。然後進行煤塊截面面積計算：採用分割法計算每個煤塊截面的面積，參照圖4，為煤塊截面的面積計算示意圖。從坐標原點出發，沿x軸方向每隔Dx選取一條垂直於x軸的直線，從而將煤塊的每個截面分割成N個小梯形。通過求取每條垂直於x軸的直線與煤塊截面線段之間的兩個交點yj和y'j，計算得到每個小梯形的邊長值lj為：lj=|y'j-yj|則第i煤塊截面的面積Si為：計算每個煤塊截面對應的採樣距離：在三個雷射掃描雷達採集第i煤塊截面輪廓線對應的點雲數據時，測量得到的傳送帶的實時運轉速度為v'i，由於三個雷射掃描雷達的採樣頻率均為f，則三個雷射掃描雷達的採樣時間均為1/f，則第i煤塊截面對應的採樣距離Di為：煤塊截體體積計算，煤塊截體體積為位於兩個相鄰的煤塊截面之間的煤塊的體積。根據第i煤塊截面的面積Si和第i煤塊截面對應的採樣距離Di，採用稜台計算方法得出位於兩個相鄰的煤塊截面之間的煤塊截體的體積Vi，計算煤塊體積：所有煤塊截體體積的總和即為煤塊的實際體積大小。由於煤塊截面的個數為M，則煤塊截體的個數為M-1，所以煤塊體積V為：本發明採用一種非接觸式的、無破壞性的裝置和方法對傳送帶上運輸的煤塊的體積進行動態測量。本發明的體積動態測量裝置，採用雷射掃描雷達、增量式旋轉編碼器和工控機，投資費用少，設計簡單，可靠性高；本發明的體積動態測量方法，基於上述的體積動態測量裝置，對煤塊體積的計算由工控機自動完成，其智能化高，測量精度高，而且對煤塊的測量結果直觀、可靠。本發明不僅可用於測量煤塊體積，還可以廣泛應用於醫藥、化工、食品、建材等行業的相關物體的體積測量。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。