基于激光掃描的儲礦場散裝物料計量系統(tǒng)的

1、基于激光掃描的儲礦場散裝物料計量系統(tǒng)的研究與設(shè)計 林 森 程耕國（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）摘 要 ：針對目前國內(nèi)大型儲礦場盤礦管理的實際情況，設(shè)計了一套基于激光掃描的散裝物料計量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高精度的雙激光測頭對堆體進行高速連續(xù)掃描，通過建立數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)礦堆的截面積計算進而積分得到堆體體積，此外還詳細闡述了該系統(tǒng)的測量原理、方法及硬件軟件結(jié)構(gòu)，應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)安裝方便、測量速度快、精度高，市場應(yīng)用前景十分廣闊。關(guān)鍵詞：激光掃描 雙測頭 截面積計算 三維測量中圖分類號：TN249 文獻標識碼：AResearch and Design of Measurement S

2、ystem for BulkMaterial in Mine Yard Based on Laser-Scanning Lin Sen Cheng Gengguo(College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081)Abstract: This paper probes into the practical conditions of the mine stocktaking management in our countrys larg

3、e mine yard and devises a measurement system of the bulk material on the basis of laser-scanning. In this system, sophisticated double laser probes are used to scan the mine pile constantly at high speed and then the volume of the mine pile is figured out by integration of the sectional area through

4、 mathematical model. In addition, this paper elaborates on the theory, approach and software as well as the hardware structure of the system and it has been proved that this system has promising prospects in the market for its convenient installation, fast measuring speed and high precision.Keywords

5、: laser-scanning double probes calculation of the sectional area three-dimensional measurement1 前言 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，市場對礦物量需求的日益增加，使得我們對儲礦場中存礦的管理提出了更高的要求。準確而迅速地測出礦場的實際存礦量，是各個工礦企業(yè)進行成本核算、效益評估和生產(chǎn)管理的必要環(huán)節(jié)。由于儲礦場礦料因生產(chǎn)過程的進行處于一個動態(tài)變化的狀態(tài)，所以如何對大型儲礦場的散裝物料體積進行快速準確的測量，多年來一直是個技術(shù)難題。 針對這種情況，本文結(jié)合工程實際，設(shè)計了一套激光計量系統(tǒng)，采用基于激光掃描的

6、大功率脈沖測距儀配合擺動掃描機構(gòu)，并且安裝雙激光測頭的精確測量方法，實現(xiàn)了在其掃描角度范圍內(nèi)進行二維測量的特殊功能，將掃描單元安裝在斗輪堆取料機上，借助該設(shè)備的行走，即實現(xiàn)了三維測量呈象的目的。同時系統(tǒng)配有高速的計算機接口，克服了采用CCD線陣或面陣攝像技術(shù)的瓶頸。將其應(yīng)用在類似鐵礦廠的儲礦場這樣的測量對象上有明顯的實用性和優(yōu)勢。這種系統(tǒng)測距可達幾十米到幾千米，不受強光照射影響，自帶高速光學(xué)掃描器，體積小，接口簡單，能快速準確的測出礦場的儲礦量。2 系統(tǒng)設(shè)計思想及測量原理 在激光計量系統(tǒng)的設(shè)計中,我們將激光脈沖測距儀做成小型的掃描工作的掃描測量儀，即把轉(zhuǎn)動裝置集成到測頭內(nèi)部采用光學(xué)轉(zhuǎn)動技術(shù)進行

7、轉(zhuǎn)動，令測頭實現(xiàn)二維掃描測量，根據(jù)需要提出要求,并充分考慮成本及堆取料機穩(wěn)定的行走機構(gòu)，先行訂制了二維掃描測頭，并提出全天候的要求,使之適應(yīng)室外惡劣環(huán)境的使用。在保證準確測量整個礦場的要求下，在堆取料機固定橫梁前、后位安裝兩個垂直于地面的測頭，可將需測量范圍全部包括進去并協(xié)同完成對礦場寬度方向截面積的測量，使取樣間隔最為合理。同時為了協(xié)調(diào)測頭的測量動作并獲取堆取料機行走位置、定位開關(guān)等信號實時采集的需要，我們把系統(tǒng)供電、計算機接口、各信號采集接口一并接入到1套智能網(wǎng)橋控制箱里, 大車行走的計數(shù)脈沖測量精度可達到3cm。在測量過程中，堆取料機沿軌道即礦場長度方向行走，激光掃描測頭對礦料面進行掃描

8、測量得到橫截面面積。最后，所有測量數(shù)據(jù)均通過通信接口被實時傳送到主控微機上，利用微機高速強大的計算能力對測量數(shù)據(jù)進行分析、平滑，并通過數(shù)值積分的方法計算出整個儲礦場的體積。最后,儲礦量由算得的體積和專用測比重儀測得的堆體密度計算得到。通過反復(fù)測量，本系統(tǒng)總的相對誤差<7，多次實測結(jié)果小于<5。3 堆料體積的計算方法在對堆料體積的測量過程中，堆料截面面積的測量是其中的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)采用激光掃描測距原理，在每次測量過程中，行程都要走到礦場的一端，兩個激光掃描測頭對礦料面進行連續(xù)掃描測量。單個測頭掃描角度為100°，掃描點間隙為0.5°,即每個測頭掃描一次取樣201

9、點，雙測頭取樣402點，按這個速度計算，每秒鐘測量的點數(shù)就有402×（1/0.04）=10050個測量點，這么多的數(shù)據(jù)通過電纜發(fā)送到主控單元中進行進一步的計算，繪制出礦堆截面的輪廓，通過建立數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)對礦堆截面的測量。截面數(shù)學(xué)模型如圖1。在激光掃描測頭、的一個掃描周期內(nèi)，對礦堆的橫斷面成像是一個x、y坐標系上的二維曲線，礦堆的一個截面面積即為圖1中曲線下的面積?？梢越?shù)學(xué)模型： （1）Si=(Hh·cosi)·(h·sini-h·sini-1) （2） 其中，h為第i條掃描線所對應(yīng)礦堆處的測距，Si 為第i個截面的面積，S為所有截面的面積之

10、和。 圖1 截面數(shù)學(xué)模型那么礦堆的體積值就可以在縱向方向上（三維坐標的z軸）積分可得： （3） 其中：A，B分別是截面與z軸相交的上限和下限，SI為第I個礦堆斷面（堆取料機縱向行走方向上）所對應(yīng)的截面面積。然后由專用測比重儀測得堆體密度，最后可以求出堆體的儲量為： 堆體儲量（M）=堆體體積（V）×堆體密度（Q） （4）4 系統(tǒng)構(gòu)成及功能整個激光計量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分：4.1 硬件部分主要由主控單元、激光測量單元、輔助測量單元構(gòu)成。如圖2所示，圖中每個單元的功能特點如下：a主控單元：即網(wǎng)橋控制箱，料場激光盤點計量系統(tǒng)中的核心部件，為本系統(tǒng)的傳輸通道。它連接激光掃描測量單元等系統(tǒng)

11、其他單元，主控單元與激光測量設(shè)備之間通過RS422通訊接口連接，與位移傳感器之間通過專用接口連接，實現(xiàn)系統(tǒng)供電、數(shù)據(jù)采集和計算處理等系統(tǒng)功能。b 激光掃描測量單元：即激光掃描測頭，料場激光盤點計量系統(tǒng)中的主要部件，為本系統(tǒng)的現(xiàn)場測量設(shè)備。它采用激光測量技術(shù)，內(nèi)置二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)，采用橫向掃描方式進行測量，測量結(jié)果通過串行通信的方式傳送到主控單元。c 邊界及行程測量單元：即位移測量和啟停傳感器，料場激光盤點計量系統(tǒng)中的輔助測量部件，為本系統(tǒng)的現(xiàn)場測量設(shè)備，配合激光掃描進行位移量測量并將數(shù)據(jù)提供給主控單元。d 回轉(zhuǎn)及俯仰測量單元：料場激光盤點計量系統(tǒng)中的輔助測量部件，僅用于安裝有懸臂式堆取料機的料場上

12、，測量其懸臂的回轉(zhuǎn)及俯仰角度，并將數(shù)據(jù)提供給主控單元。e 上位機：即筆記本電腦。通過通信電纜與系統(tǒng)主控單元連接，存取測量結(jié)果詳細信息，進行上層處理等工作。f 無線擴頻設(shè)備：為方便操作者使用，采用無線擴頻技術(shù)，利用2.4GHz頻段，傳輸速率9600bps，操作者不必攀登堆取料機即可盤點儲礦量。 圖2 系統(tǒng)硬件部分構(gòu)成圖 4.2 軟件部分系統(tǒng)以VC+和OpenGL為開發(fā)平臺，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、三維顯示及成果輸出模塊。流程結(jié)構(gòu)如圖3： 圖3 系統(tǒng)軟件流程框圖 系統(tǒng)軟件部分主要完成激光測量的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)從原始數(shù)據(jù)采集到最終報表生成的自動化。5 應(yīng)用實例激光計量系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某集團鐵

13、礦儲礦場上，在測量時以行車作為運動平臺，激光掃描單元隨行車運動而對礦堆連續(xù)掃描。我們對1#儲礦場重復(fù)測量了3次，測出的體積差在5以內(nèi)，見表1： 掃描次數(shù)體積/m3測量平均值V平測量極差值max測量精度145127.2345049.81118.812.6245013.78345008.426 實際運行中的幾個問題6.1 不同礦質(zhì)儲量的測量 考慮到各礦料原產(chǎn)地不用，礦質(zhì)、濕度等各種影響密度的因素各不相同。如果礦料是以礦物的產(chǎn)地堆放，激光計量系統(tǒng)則可以分段測量，然后乘以密度，求出總量；如果混合堆礦，則只能取一個密度平均值進行計算。本系統(tǒng)準確的測量結(jié)果應(yīng)以體積來衡量。6.2 測量精度的提高 為了提高測

14、量精度，系統(tǒng)采用兩個激光測頭的方案。根據(jù)現(xiàn)場計量截面圖可以看出，如果只使用一個激光測頭，由于礦堆的兩邊斜坡和激光掃描線之間的夾角過于狹小，而造成系統(tǒng)不能清晰的看清楚堆取料機兩端礦坡的礦坑，從而影響系統(tǒng)的測量精度。但是如果安裝了雙測頭，無論礦堆是什么樣的形狀，礦堆兩邊的礦坡有多大多不規(guī)則的坑，系統(tǒng)都能清晰的看到，有效杜絕了系統(tǒng)的死角問題，實現(xiàn)了激光掃描單元對不規(guī)則礦堆的直射，使發(fā)射的激光數(shù)據(jù)點最大的限度得到利用，從而大大提高了系統(tǒng)的精確度。7 結(jié)束語本系統(tǒng)自在某礦業(yè)集團鐵礦儲礦場上安裝運行以來，收到了良好的效果，節(jié)省了人力、財力、物力，與傳統(tǒng)的計量方法相比具有不可比擬的優(yōu)越性：1 激光掃描單元無

15、死區(qū)、抗強光、測程長、使用雙測頭技術(shù)，采用德國產(chǎn)LS100/180型探頭(各一)，測量精度在+16mm,系統(tǒng)誤差小，測量精度很高。2 激光掃描單元體積小、耐沖擊，環(huán)境適應(yīng)性強，正常工作溫度為-30° +50°。 3 光學(xué)掃描設(shè)備固定于堆取料機上，無機械運動，減少了故障率，無須維護，經(jīng)久耐用，。 4 輸出報表，圖文并茂；輸出信息可聯(lián)接MIS網(wǎng)系統(tǒng)，供網(wǎng)絡(luò)查詢。 5 采用嵌入式計算機系統(tǒng)的主控單元：技術(shù)先進，性能穩(wěn)定。 6 接口及控制方便靈活，筆記本電腦串口通信或無線擴頻方式可隨時盤礦。無論是從技術(shù)上，還是從使用效果上都適合在大型儲礦場管理中采用，值得推廣，在冶金、電力、煤炭、鋼鐵和工程建設(shè)方面市場前景十分廣闊。參考文獻：1 李相銀等編著 激光原理技術(shù)及應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 20042 李清泉等 激光雷達測量技術(shù)及其應(yīng)用研究 武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報 2000.103 王朝輝等 便攜式激光盤煤系統(tǒng)的研究應(yīng)用 河北電力技術(shù) 2003.44 劉紅軍等 露天煤場激光攝象盤煤系統(tǒng)的研究 華北電力