一種粉體物料堆的體積密度測量方法及其系統的製作方法
2023-05-28 03:50:31
專利名稱：一種粉體物料堆的體積密度測量方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖形圖像技術領域，尤其涉及一種粉體物料堆的體積密度測量方法及其系統。
背景技術：
為了保證粉體物料(如煤炭)運輸工作的安全有序運行，防止粉體物料在運輸途中發生截留、更換、以次充好等作弊現象，煤炭運輸監控成為煤炭運輸中一個重要的環節。對煤炭運輸過程進行監控的核心是測量煤炭運輸車中煤炭的體積、質量、密度等信息，然後根據這些信息判斷煤炭在出發地和目的地之間是否按照正規標準進行運輸。在礦山、電廠、港口及車站等有許多粉體物料堆或粉料車(如煤等)的體積和質量需要準確而快速地測量，即盤煤，多年來這一直成為技術難題。對煤炭運輸過程進行監控的核心是測量煤炭運輸車中煤炭的體積、質量、密度等信息。對於運輸途中發生的截留問題，可以通過在出發地和目 的地的地設置地磅進行很方便的質量測量，但對於更換、以次充好等作弊現象，則需要對粉體物料堆的體積和密度進行測量。傳統的盤煤方法有如下兩種一、人工盤煤。用推土機對煤堆整形成標準幾何體後，人工用皮尺或手持雷射測距儀進行丈量和估算，計算出煤堆的體積。但是該方法需要耗費大量的人力，測量精度低，而且只能對場地中的煤炭進行測量，無法對煤炭運輸車中的煤炭進行測量。二、雷射盤煤。目前大多數雷射測距設備，其功能只局限於距離測量，基本不帶或者只帶簡易的測量儀器設定程序，無法進行二次開發來滿足用戶需求，而根據物體進行全面的長度、分散點密度等測量的儀器，大多也不能進行計算統計，而如果進行全面的數據分析，則需要大量的人力物力與綜合實施手段才能達到滿意效果，且儀器相對非常龐大，無法滿足煤炭行業現場需求。在其他大型項目中，會帶有測量數據分析項目模塊，且其項目龐大，模塊眾多，其使用的算法或是三重積分，或是三維重構，沒有將兩者相結合進行計算。
發明內容
為了準確真實地獲取煤炭、粉料等粉體物料堆的現場體積密度數據，本發明提出一種粉體物料堆的體積密度測量方法及其系統。本發明提出了一種粉體物料堆的體積測量方法，包括SI、搭建雷射測量裝置，將N個雷射測量頭並排固定於粉料車通過處的上方架子上，測量之前確保各所述雷射測量頭髮射的雷射束垂直於水平面，將兩個最遠的雷射測量頭之間的距離調整到等於粉料車的寬度，N為大於等於2的正整數；S2、當粉料車的車箱駛入所述架子正下方時，控制各所述雷射測量頭對所述粉體物料堆表面同時按照預設的相同頻率進行掃描，獲得各掃描點的高度數據，當所述粉料車的車箱駛出所述架子正下方時結束掃描；S3、利用電腦程式以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸構建三維迪卡爾坐標系，計算各掃描點在所述三維迪卡爾坐標系下的三維坐標；S4、利用電腦程式分別對每行和每列的掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對所述光滑曲線組成的曲面進行二重積分獲取所述粉料車中粉體物料堆的體積。進一步地，步驟S3中所述計算各掃描點在所述三維迪卡爾坐標系下的三維坐標具體包括通過雷射測量頭在第一次掃描和對某掃描點掃描期間所述粉料車行駛的距離確定該掃描點的X坐標；通過各雷射測量頭所在的位置的Y坐標確定各雷射測量頭掃描到的所有掃描點Y坐標；通過各掃描點的高度數據確定各掃描點的Z坐標。進一步地，步驟S4中所述樣條插值方法為二次樣條插值。進一步地，步驟SI中所述雷射測量頭個數為12。本發明還提出了一種粉體物料堆的密度測量方法，包括，通過地磅測量出的所述粉體物料堆的質量數據，通過如上所述的粉體物料堆的體積測量方法測量所述粉體物料堆 的體積數據，通過所述質量數據除以所述體積數據獲取所述粉體物料堆的密度數據。基於同一發明構思，本發明還提出了一種粉體物料堆的體積測量系統，，包括雷射測量裝置，所述裝置包括N個雷射測量頭，所述雷射測量頭並排固定於粉料車通過處的上方架子上，測量之前確保各所述雷射測量頭髮射的雷射束垂直於水平面，確保兩個最遠的雷射測量頭之間的距離調整到等於粉料車的寬度，其中所述N為大於等於2的正整數；雷射控制裝置，用於當所述粉料車的車箱駛入所述架子正下方時，控制所述雷射測量裝置中各所述雷射測量頭對所述粉體物料堆表面同時按照預設的相同頻率進行掃描，用於獲得各掃描點的高度數據，當所述粉料車的車箱駛出所述架子正下方時控制所述雷射測量裝置結束掃描，將所述各掃描點的高度數據發送給坐標記算軟體模塊；坐標記算軟體模塊，用於接收所述雷射控制裝置發送的各掃描點的高度數據，利用電腦程式分別計算各掃描點在以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸的三維迪卡爾坐標系下的三維坐標，將所有掃描點的三維坐標發送給體積計算軟體模塊；體積計算軟體模塊，用於接收所述坐標記算軟體模塊發送的所有掃描點的三維坐標，利用電腦程式分別對每行和每列的掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對所述光滑曲線組成的曲面進行二重積分獲取所述粉料車中粉體物料堆的體積。進一步地，所述坐標記算軟體模塊中所述利用電腦程式分別計算各掃描點在以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸的三維迪卡爾坐標系下的三維坐標具體包括通過雷射測量頭在第一次掃描和對某掃描點掃描期間所述粉料車行駛的距離確定該掃描點的X坐標；通過各雷射測量頭所在的位置的Y坐標確定各雷射測量頭掃描到的所有掃描點Y坐標；通過各掃描點的高度數據確定各掃描點的Z坐標。進一步地，體積計算軟體模塊中所述樣條插值方法為二次樣條插值。進一步地，所述雷射測量裝置中所述雷射測量頭個數為12。基於同一構思，本發明還提出了一種粉體物料堆的密度測量系統，包括質量測定模塊，用於通過地磅測量出的所述粉體物料堆的質量數據；體積測定模塊，用於通過如權利要求6-9之一所述的粉體物料堆的體積測量系統測量所述粉體物料堆的體積數據；密度計算模塊，用於通過所述質量數據除以所述體積數據獲取所述粉體物料堆的密度數據。使用本發明所述的粉體物料堆的體積密度測量方法及其系統，能方便快捷地計算出粉體物料堆的體積和密度，特別是通過在物料運輸的出發地和目的地快速測量粉體物料運輸車所運輸的料體物料的體積和密度，防止粉體物料在運輸途中發生截留、更換、以次充好等作弊現象，保證粉體物料運輸工作的安全有序運行。
圖I是本發明具體實施例一所述的粉體物料堆的體積測量方法流程圖；圖2是本發明三維曲面生成示意圖；
圖3是本發明具體實施例二所述的粉體物料堆的體積測量系統框圖；圖4到圖9是本發明不同積分方式介紹的示例圖。
具體實施例方式下面結合附圖並通過具體實施方式
來進一步說明本發明的技術方案。實施例一圖I是本實施例所述的粉體物料堆的體積測量方法流程圖，如圖I所示，本實施例所述的粉體物料堆的體積測量方法包括S101、搭建雷射測量裝置；將N個雷射測量頭並排固定於粉料車通過處的上方架子上，測量之前確保各所述雷射測量頭髮射的雷射束垂直於水平面，將兩個最遠的雷射測量頭之間的距離調整到等於粉料車的寬度。其中，所述雷射頭的數目N為大於等於2的正整數，雷射頭的數量可根據煤炭運輸車寬度、測量環境和不同用戶測量精度的不同而進行相應的調整。以粉體物料為煤炭為例，本實施例通過將12個雷射測量頭設置於粉料車上方的架子上，該架子與水平面平行，各雷射測量頭在架子上豎直安裝，確保發射的雷射束垂直於水平面，圖2是本發明三維曲面生成示意圖，如圖2所示，架子上第I個雷射點與第12個雷射點之間的距離與車箱寬度相等，支架與車箱寬邊平行，每個雷射點投射的光線與車箱底
面垂直。S102、當粉料車的車箱駛入架子正下方時，控制各雷射測量頭對粉體物料堆表面同時按照預設的相同頻率進行掃描，獲得各掃描點的高度數據，車箱駛出架子正下方時結束掃描；例如，當有待檢測的煤炭運輸車進入該煤炭運輸監控系統的工作區域時，12個雷射頭同時對煤堆自上而下進行照射掃描，並將雷射在煤堆表面掃描點反饋的光信號通過模數轉換器將光信號轉換為數位訊號，對所述數位訊號進行編碼和處理以獲得粉體物料堆表面各掃描點的高度數據。當煤炭運輸車的車尾經過雷射頭時，結束掃描。S103、構建三維迪卡爾坐標系，計算各掃描點在的三維迪卡爾坐標；利用電腦程式以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸構建三維迪卡爾坐標系，計算各掃描點在所述三維迪卡爾坐標系下的三維坐標；通過雷射測量頭在第一次掃描和對某掃描點掃描期間所述粉料車行駛的距離確定該掃描點的X坐標；通過各雷射測量頭所在的位置的Y坐標確定各雷射測量頭掃描到的所有掃描點Y坐標；通過各掃描點的高度數據確定各掃描點的Z坐標。例如，如圖2所示，各雷射測量頭第I次掃描的掃描點的X坐標均為O ;各雷射測量頭第2次掃描的掃描點的X坐標均為第2次掃描距第I次掃描時車箱移動的距離；各雷射測量頭第3次掃描的掃描點的X坐標均為第3次掃描距第I次掃描時車箱移動的距離；依次類推，各雷射測量頭第最後一次掃描的掃描點的X坐標均為該次掃描距第I次掃描時車箱移動的距離，也為車箱的長度值。第I個雷射測量頭所測得的所有掃描點的Y坐標均為0，第2個雷射測量頭所測得的所有掃描點的Y坐標均為第2個雷射測量頭到第I個雷射測量頭的距離；第3個雷射測量頭所測得的所有掃描點的Y坐標均為第3個雷射測量頭到第I個雷射測量頭的距離；依 次類推，第12個雷射測量頭所測得的所有掃描點的Y坐標均第12個雷射測量頭到第I個雷射測量頭的距離，也為車箱的寬度值。各掃描點的Z值均由步驟S102所獲得各掃描點的高度數據確定，需要說明的是，測量所得的直接高度數據是指雷射測量頭照射到的點到該雷射測量頭之間的高度，該掃描點在上述三維迪卡爾坐標系下的Z坐標需要將雷射測量頭到車箱底部的距離減去上述直接高度數據獲得。S104、分別對對各行和各列掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對光滑曲線組成的曲面進行二重積分。利用電腦程式分別對每個雷射測量頭掃描到的所有掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，分別對每個掃描時刻所有雷射測量頭掃描到的掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對所述光滑曲線組成的曲面進行二重積分獲取所述粉料車中粉體物料堆的體積。其中，樣條插值是使用一種名為樣條的特殊分段多項式進行插值的形式。由於樣條插值可以使用低階多項式樣條實現較小的插值誤差，這樣就避免了使用高階多項式所出現的龍格現象，樣條插值具體方法有很多，例如，包括線性樣條插值、二次樣條插值、三次樣條插值。本實施例以二次樣條插值為例，使用Matlab函數庫來實現，主要用到的Matlab中的griddata函數、mesh函數、Iinspace函數。例如,對10個掃描點以二次樣條插值為例，所述10個掃描點坐標是A=xI, yl, zl; x2, y2, z2;........; xlO, ylO, zlO];x=A(:, I);y=A(:, 2);z=A(:，3);N=IOO ；//插值點數，實際使用時需確定，暫寫100x0=l inspace (min (x), max (x), N);y0=l inspace (min (y), max (y), N);[X，Y, Z]=griddata(x, y, z, x0，，yO, 』 v4』) ;// 插值擬合曲面。
figure;mesh (X，Y，Z) ; //體積的近似值用下代碼L=sum (sum (abs (Z)));S=abs ((yO (2)-yO (I)) * (x0 (2)-χ0 (I)));V=L*S;所述V的值就是體積值。依據該算法計算出粉料車內粉體物料堆的體積，進一步地，通過地磅測量出的所述粉體物料堆的質量數據，使用密度計算公式密度=質量/體積，可求出密度。 其中，多重積分是定積分的一類，它將定積分擴展到多元函數(多變量的函數)，例如求f (X, y)或者f (X, y, z)類型的多元函數的積分。下面對各種不同的多重積分進行介紹和分析譬如，邊長為4X6X5的長方體的體積可以通過兩種方法得到通過函數f (X，y) =5在xy平面中的區域D，也就是長方體的底上的雙重積分/ / D5dx dy或者是常函數I在長方體上的三重積分iff Idx dy dz令η為大於I的自然數。考慮所謂的半開η維矩形(下面簡稱矩形)。對於平面，η=2,而多重積分就是雙重積分。
T = [tti, fei) X [a-2, i>2) X …X K, hn) C S"。將每個區間[ai，bi)分成有限個不重疊的子區間，每個都是左閉右開。將子區間記為Ii。則，所有所有如下形式的子矩形的族C= I1X I2 X · · · X In是T的一個劃分，也即，子矩形C是互不重疊的，而且它們併集為T。C中的子矩形的直徑按照定義是C中最大的邊長，而T的劃分的直徑就是劃分中的子矩形的最大直徑。令f:T —R為定義在T上的函數。考慮如上定義的T的劃分T = C1 U C2 U · · · U Cni其中m是正整數。如下形式的和稱為黎曼和
観Y^f(Pk) Hi(Cfc)其中，對於每個k，點Pk在Ck中，而m(Ck)是笛卡爾積為Ck的區間的邊長之積。函數f稱為黎曼可積，如果如下極限存在
m S = IimJ]/(ft)m(C&)其中極限取遍所有直徑最大為δ的T的劃分。若f黎曼可積，S稱為f在T上的黎曼積分。記為/ Tf (X) dx定義在任意有界η維集合上的函數的黎曼和可以通過將函數延拓到一個半開半閉矩形上來求出，其取值在原來的定義域之外為O。然後，原來的函數的積分就定義為延展的函數在矩形區域中的積分(如果存在的話)。下文中η維黎曼積分簡稱多重積分。多重積分具有很多與單變量函數的積分一祥的性質(線性，可加性，單調性，等等)。而且，和單變量情況ー樣，可以用多重積分找出函數在給定集合上的積分。具體來講，給定集合D c Rn和D上的可積函數f，f在定義域上的平均值為
權利要求
1.一種粉體物料堆的體積測量方法，其特徵在於，包括 51、搭建雷射測量裝置，將N個雷射測量頭並排固定於粉料車通過處的上方架子上，測量之前確保各所述雷射測量頭髮射的雷射束垂直於水平面，將兩個最遠的雷射測量頭之間的距離調整到等於粉料車的寬度，N為大於等於2的正整數； 52、當粉料車的車箱駛入所述架子正下方時，控制各所述雷射測量頭對所述粉體物料堆表面同時按照預設的相同頻率進行掃描，獲得各掃描點的高度數據，當所述粉料車的車箱駛出所述架子正下方時結束掃描； 53、利用電腦程式以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸構建三維迪卡爾坐標系，計算各掃描點在所述三維迪卡爾坐標系下的三維坐標； 54、利用電腦程式分別對每行和每列的掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對所述光滑曲線組成的曲面進行二重積分獲取所述粉料車中粉體物料堆的體積。
2.如權利要求I所述的粉體物料堆的體積測量方法，其特徵在於，步驟S3中所述計算各掃描點在所述三維迪卡爾坐標系下的三維坐標具體包括通過雷射測量頭在第一次掃描和對某掃描點掃描期間所述粉料車行駛的距離確定該掃描點的X坐標；通過各雷射測量頭所在的位置的Y坐標確定各雷射測量頭掃描到的所有掃描點Y坐標；通過各掃描點的高度數據確定各掃描點的Z坐標。
3.如權利要求I或2所述的粉體物料堆的體積測量方法，其特徵在於，步驟S4中所述樣條插值方法為二次樣條插值。
4.如權利要求3所述的粉體物料堆的體積測量方法，其特徵在於，步驟SI中所述雷射測量頭個數為12。
5.一種粉體物料堆的密度測量方法，其特徵在於，包括，通過地磅測量出的所述粉體物料堆的質量數據，通過如權利要求1-4之一所述的粉體物料堆的體積測量方法測量所述粉體物料堆的體積數據，通過所述質量數據除以所述體積數據獲取所述粉體物料堆的密度數據。
6.一種粉體物料堆的體積測量系統，其特徵在於，包括 雷射測量裝置，所述裝置包括N個雷射測量頭，所述雷射測量頭並排固定於粉料車通過處的上方架子上，測量之前確保各所述雷射測量頭髮射的雷射束垂直於水平面，確保兩個最遠的雷射測量頭之間的距離調整到等於粉料車的寬度，其中所述N為大於等於2的正整數； 雷射控制裝置，用於當所述粉料車的車箱駛入所述架子正下方時，控制所述雷射測量裝置中各所述雷射測量頭對所述粉體物料堆表面同時按照預設的相同頻率進行掃描，用於獲得各掃描點的高度數據，當所述粉料車的車箱駛出所述架子正下方時控制所述雷射測量裝置結束掃描，將所述各掃描點的高度數據發送給坐標記算軟體模塊； 坐標記算軟體模塊，用於接收所述雷射控制裝置發送的各掃描點的高度數據，利用電腦程式分別計算各掃描點在以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸的三維迪卡爾坐標系下的三維坐標，將所有掃描點的三維坐標發送給體積計算軟體模塊； 體積計算軟體模塊，用於接收所述坐標記算軟體模塊發送的所有掃描點的三維坐標，利用電腦程式分別對每行和每列的掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對所述光滑曲線組成的曲面進行二重積分獲取所述粉料車中粉體物料堆的體積。
7.如權利要求6所述的粉體物料堆的體積測量系統，其特徵在於，所述坐標記算軟體模塊中所述利用電腦程式分別計算各掃描點在以平行於粉料車行駛方向的方向為X軸，以垂直於粉料車行駛方向的方向為Y軸，以垂直於水平面的方向為Z軸的三維迪卡爾坐標系下的三維坐標具體包括通過雷射測量頭在第一次掃描和對某掃描點掃描期間所述粉料車行駛的距離確定該掃描點的X坐標；通過各雷射測量頭所在的位置的Y坐標確定各雷射測量頭掃描到的所有掃描點Y坐標；通過各掃描點的高度數據確定各掃描點的Z坐標。
8.如權利要求6或7所述的粉體物料堆的體積測量系統，其特徵在於，體積計算軟體模塊中所述樣條插值方法為二次樣條插值。
9.如權利要求8所述的粉體物料堆的體積測量系統，其特徵在於，所述雷射測量裝置中所述雷射測量頭個數為12。
10.一種粉體物料堆的密度測量系統，其特徵在於，包括 質量測定模塊，用於通過地磅測量出的所述粉體物料堆的質量數據； 體積測定模塊，用於通過如權利要求6-9之一所述的粉體物料堆的體積測量系統測量所述粉體物料堆的體積數據； 密度計算模塊，用於通過所述質量數據除以所述體積數據獲取所述粉體物料堆的密度數據。
全文摘要
本發明公開了一種粉體物料堆的體積密度測量方法及其系統，體積測量方法包括將N個雷射測量頭並排固定於粉料車上方的架子上，當粉料車駛入架子正下方時，控制各雷射測量頭對粉體物料堆表面同時按照預設的相同頻率進行掃描，獲得各掃描點的高度數據，當粉料車的車箱駛出架子正下方時結束掃描；構建三維迪卡爾坐標系，計算各掃描點的三維坐標；利用電腦程式對掃描點進行樣條插值形成光滑曲線，對所述光滑曲線組成的曲面進行二重積分，得到粉料車中粉體物料堆的體積。本發明能準確真實地獲取煤炭、粉料等粉體物料堆的現場體積數據，進而獲取密度數據，能客觀地監督運輸方使用合法、安全、正規的手段進行煤炭、粉料等粉體物料的運輸操作。
文檔編號G01B11/00GK102967260SQ20121043096
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者林建就, 牛相濤, 管軍, 曹嘯 申請人:北京華夏力鴻商品檢驗有限公司