基于激光掃描的儲(chǔ)礦場散裝物料計(jì)量系統(tǒng)的

1、基于激光掃描的儲(chǔ)礦場散裝物料計(jì)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 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(duì)目前國內(nèi)大型儲(chǔ)礦場盤礦管理的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套基于激光掃描的散裝物料計(jì)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高精度的雙激光測(cè)頭對(duì)堆體進(jìn)行高速連續(xù)掃描，通過建立數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)礦堆的截面積計(jì)算進(jìn)而積分得到堆體體積，此外還詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的測(cè)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(cè)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(cè)頭 截面積計(jì)算 三維測(cè)量中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)礦物量需求的日益增加，使得我們對(duì)儲(chǔ)礦場中存礦的管理提出了更高的要求。準(zhǔn)確而迅速地測(cè)出礦場的實(shí)際存礦量，是各個(gè)工礦企業(yè)進(jìn)行成本核算、效益評(píng)估和生產(chǎn)管理的必要環(huán)節(jié)。由于儲(chǔ)礦場礦料因生產(chǎn)過程的進(jìn)行處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，所以如何對(duì)大型儲(chǔ)礦場的散裝物料體積進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)量，多年來一直是個(gè)技術(shù)難題。 針對(duì)這種情況，本文結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了一套激光計(jì)量系統(tǒng)，采用基于激光掃描的

6、大功率脈沖測(cè)距儀配合擺動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)，并且安裝雙激光測(cè)頭的精確測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了在其掃描角度范圍內(nèi)進(jìn)行二維測(cè)量的特殊功能，將掃描單元安裝在斗輪堆取料機(jī)上，借助該設(shè)備的行走，即實(shí)現(xiàn)了三維測(cè)量呈象的目的。同時(shí)系統(tǒng)配有高速的計(jì)算機(jī)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(chǔ)礦場這樣的測(cè)量對(duì)象上有明顯的實(shí)用性和優(yōu)勢(shì)。這種系統(tǒng)測(cè)距可達(dá)幾十米到幾千米，不受強(qiáng)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(zhǔn)確的測(cè)出礦場的儲(chǔ)礦量。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及測(cè)量原理 在激光計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,我們將激光脈沖測(cè)距儀做成小型的掃描工作的掃描測(cè)量儀，即把轉(zhuǎn)動(dòng)裝置集成到測(cè)頭內(nèi)部采用光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行

7、轉(zhuǎn)動(dòng)，令測(cè)頭實(shí)現(xiàn)二維掃描測(cè)量，根據(jù)需要提出要求,并充分考慮成本及堆取料機(jī)穩(wěn)定的行走機(jī)構(gòu)，先行訂制了二維掃描測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)礦場的要求下，在堆取料機(jī)固定橫梁前、后位安裝兩個(gè)垂直于地面的測(cè)頭，可將需測(cè)量范圍全部包括進(jìn)去并協(xié)同完成對(duì)礦場寬度方向截面積的測(cè)量，使取樣間隔最為合理。同時(shí)為了協(xié)調(diào)測(cè)頭的測(cè)量動(dòng)作并獲取堆取料機(jī)行走位置、定位開關(guān)等信號(hào)實(shí)時(shí)采集的需要，我們把系統(tǒng)供電、計(jì)算機(jī)接口、各信號(hào)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(jì)數(shù)脈沖測(cè)量精度可達(dá)到3cm。在測(cè)量過程中，堆取料機(jī)沿軌道即礦場長度方向行走，激光掃描測(cè)頭對(duì)礦料面進(jìn)行掃描

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

9、點(diǎn)，雙測(cè)頭取樣402點(diǎn)，按這個(gè)速度計(jì)算，每秒鐘測(cè)量的點(diǎn)數(shù)就有402×（1/0.04）=10050個(gè)測(cè)量點(diǎn)，這么多的數(shù)據(jù)通過電纜發(fā)送到主控單元中進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算，繪制出礦堆截面的輪廓，通過建立數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)礦堆截面的測(cè)量。截面數(shù)學(xué)模型如圖1。在激光掃描測(cè)頭、的一個(gè)掃描周期內(nèi)，對(duì)礦堆的橫斷面成像是一個(gè)x、y坐標(biāo)系上的二維曲線，礦堆的一個(gè)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(duì)應(yīng)礦堆處的測(cè)距，Si 為第i個(gè)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(biāo)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(gè)礦堆斷面（堆取料機(jī)縱向行走方向上）所對(duì)應(yīng)的截面面積。然后由專用測(cè)比重儀測(cè)得堆體密度，最后可以求出堆體的儲(chǔ)量為： 堆體儲(chǔ)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(gè)激光計(jì)量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分：4.1 硬件部分主要由主控單元、激光測(cè)量單元、輔助測(cè)量單元構(gòu)成。如圖2所示，圖中每個(gè)單元的功能特點(diǎn)如下：a主控單元：即網(wǎng)橋控制箱，料場激光盤點(diǎn)計(jì)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(cè)量單元等系統(tǒng)

11、其他單元，主控單元與激光測(cè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算處理等系統(tǒng)功能。b 激光掃描測(cè)量單元：即激光掃描測(cè)頭，料場激光盤點(diǎn)計(jì)量系統(tǒng)中的主要部件，為本系統(tǒng)的現(xiàn)場測(cè)量設(shè)備。它采用激光測(cè)量技術(shù)，內(nèi)置二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用橫向掃描方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)量單元：即位移測(cè)量和啟停傳感器，料場激光盤點(diǎn)計(jì)量系統(tǒng)中的輔助測(cè)量部件，為本系統(tǒng)的現(xiàn)場測(cè)量設(shè)備，配合激光掃描進(jìn)行位移量測(cè)量并將數(shù)據(jù)提供給主控單元。d 回轉(zhuǎn)及俯仰測(cè)量單元：料場激光盤點(diǎn)計(jì)量系統(tǒng)中的輔助測(cè)量部件，僅用于安裝有懸臂式堆取料機(jī)的料場上

12、，測(cè)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(jī)：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(cè)量結(jié)果詳細(xì)信息，進(jìn)行上層處理等工作。f 無線擴(kuò)頻設(shè)備：為方便操作者使用，采用無線擴(kuò)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(jī)即可盤點(diǎn)儲(chǔ)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(tái)，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(cè)量的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)從原始數(shù)據(jù)采集到最終報(bào)表生成的自動(dòng)化。5 應(yīng)用實(shí)例激光計(jì)量系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某集團(tuán)鐵

13、礦儲(chǔ)礦場上，在測(cè)量時(shí)以行車作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，激光掃描單元隨行車運(yùn)動(dòng)而對(duì)礦堆連續(xù)掃描。我們對(duì)1#儲(chǔ)礦場重復(fù)測(cè)量了3次，測(cè)出的體積差在5以內(nèi)，見表1： 掃描次數(shù)體積/m3測(cè)量平均值V平測(cè)量極差值max測(cè)量精度145127.2345049.81118.812.6245013.78345008.426 實(shí)際運(yùn)行中的幾個(gè)問題6.1 不同礦質(zhì)儲(chǔ)量的測(cè)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(jì)量系統(tǒng)則可以分段測(cè)量，然后乘以密度，求出總量；如果混合堆礦，則只能取一個(gè)密度平均值進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果應(yīng)以體積來衡量。6.2 測(cè)量精度的提高 為了提高測(cè)

14、量精度，系統(tǒng)采用兩個(gè)激光測(cè)頭的方案。根據(jù)現(xiàn)場計(jì)量截面圖可以看出，如果只使用一個(gè)激光測(cè)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(jī)兩端礦坡的礦坑，從而影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。但是如果安裝了雙測(cè)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(shí)現(xiàn)了激光掃描單元對(duì)不規(guī)則礦堆的直射，使發(fā)射的激光數(shù)據(jù)點(diǎn)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(tuán)鐵礦儲(chǔ)礦場上安裝運(yùn)行以來，收到了良好的效果，節(jié)省了人力、財(cái)力、物力，與傳統(tǒng)的計(jì)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(qiáng)光、測(cè)程長、使用雙測(cè)頭技術(shù)，采用德國產(chǎn)LS100/180型探頭(各一)，測(cè)量精度在+16mm,系統(tǒng)誤差小，測(cè)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(qiáng)，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(jī)上，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，減少了故障率，無須維護(hù)，經(jīng)久耐用，。 4 輸出報(bào)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主控單元：技術(shù)先進(jìn)，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(kuò)頻方式可隨時(shí)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(chǔ)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(xiàn)：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(dá)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用研究 武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào) 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