專利名稱：一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及料堆形狀測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用臂式斗輪取料機(jī)實(shí)現(xiàn)接觸式實(shí)時測量取料后剩余料堆形狀的方法。
背景技術(shù)：
冶金、化工、熱電廠等企業(yè)的大型原料場中所堆放的原料多為散裝物料，如鐵礦石、焦炭、石灰等，散裝物料(固體物料或粉狀物料)從物料輸送裝置上，自由下落在堆料場上形成的類似圓錐形的料堆，料堆斜面是自然塌落形成，在生產(chǎn)過程中(即取料后)，料堆的形狀始終處于一種動態(tài)變化中。大多數(shù)企業(yè)進(jìn)行料堆的庫存量結(jié)算及動態(tài)管理時依然沿用傳統(tǒng)的工程測量方法完成。這種人工斷面測量方法，勞動強(qiáng)度大，采樣點(diǎn)少，測量時間長，其測量的結(jié)果也很不精確。由于不能經(jīng)常地進(jìn)行測量，所以無法做到及時獲取料堆庫存量的信息。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和大量新型傳感技術(shù)的涌現(xiàn)，人們探索著各種新穎的料堆形狀測量方法，如“超聲波測距法”、“攝影測量方法”、“激光掃描技術(shù)”、“激光攝像方法”等，這些測量方法的共同特點(diǎn)都是非接觸式測量，方法的核心是距離的測量，且多數(shù)基于激光測距技術(shù)或者作為輔助手段。這些測量方法在具有很多優(yōu)點(diǎn)的同時，自身也存在著這樣或那樣的不足，如“超聲波測距法”存在死角較多，操作復(fù)雜；“攝影測量方法”對環(huán)境要求高，解算技術(shù)復(fù)雜實(shí)用性差；“激光掃描技術(shù)”受料堆環(huán)境影響大、處理時間長；“激光攝像方法”攝像點(diǎn)的捕捉和定位比較困難，失敗率高等。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，授權(quán)公告號CN201532189、授權(quán)公告日2010. 07.21的中國實(shí)用新型專利公開了一種基于GPU的料堆的形狀測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有激光測距儀、走行距離傳感器、回轉(zhuǎn)角度傳感器、控制器和計算機(jī)，系統(tǒng)中的控制器一端連接激光測距儀、走行距離傳感器和回轉(zhuǎn)角度傳感器，另一端連接計算機(jī)，激光測距儀安裝在斗輪取料機(jī)的懸臂上，回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上，走行距離傳感器固定安裝在斗輪取料機(jī)的底部。該系統(tǒng)通過走行距離傳感器和回轉(zhuǎn)角度傳感器來獲得激光測距儀在料堆底面上的投影坐標(biāo)(X軸，y軸)，通過激光測距儀來獲得料堆表面被測點(diǎn)的高度值(z軸)，經(jīng)過掃描料堆全部表面后，即可得到被測料堆表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，獲得被測料堆的表面形態(tài)，為進(jìn)行各種量算或三維建模顯示提供依據(jù)。該實(shí)用新型專利公開的測量料堆形狀的方法簡潔、實(shí)用，屬于非接觸式測量，沒有苛刻的測量條件要求，沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。雖然灰塵、惡劣氣象條件等會對激光測量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但在一般的正常環(huán)境條件、沒有實(shí)時性要求的情況下，這種方法還是能夠滿足料堆形狀測量的要求。隨著企業(yè)對料場管理水平要求的越來越高，料場的作業(yè)效率凸現(xiàn)其重要性。基于激光、超聲波等技術(shù)的非接觸式測量料堆形狀的方法，首選必須完整地掃描測量整個料堆，然后才能得出料堆表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，單次測量時間長，料堆越大測量時間就越長。另夕卜，企業(yè)從成本方面考慮，一般不會為測量設(shè)備單獨(dú)提供走行機(jī)械設(shè)備，通常情況下測量設(shè)備被安裝在堆、取料作業(yè)設(shè)備上，隨作業(yè)設(shè)備移動，因此，進(jìn)行料堆形狀測量作業(yè)時，必須中斷堆、取料作業(yè)；堆、取料作業(yè)時，不能進(jìn)行料堆形狀的測量作業(yè)，導(dǎo)致料堆形狀測量作業(yè)成為堆、取料作業(yè)率進(jìn)一步提高的障礙，由于無法提高料堆形狀測量的頻度，更做不到料堆形狀的快速、實(shí)時測量。因此，綜上所述，當(dāng)對測量料堆形狀提出快速、實(shí)時性要求時，基于目前測量技術(shù)的方法在實(shí)際使用中無法滿足相關(guān)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中測量料堆形狀出現(xiàn)的眾多問題。本發(fā)明提供的接觸式測量料堆形狀的方法，利用臂式斗輪取料機(jī)實(shí)現(xiàn)接觸式實(shí)時測量經(jīng)取料后剩余料堆的形狀，在取料作業(yè)時，同樣能夠?qū)α隙研螤钸M(jìn)行測量，隨取隨測，快速，實(shí)時性強(qiáng)，采用接觸式測量，不受外部環(huán)境的影響，測量精度能夠得到保證，具有良好的應(yīng)用前景。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于初次獲取待測量料堆的形狀數(shù)據(jù)前，臂式斗輪取料機(jī)需對料堆的整個頂面至少取料一次，以生成剩余料堆形狀的三維數(shù)據(jù)，計算后續(xù)取料后的料堆形狀時，更新取料處的料堆表面的三維數(shù)據(jù)，所述三維數(shù)據(jù)通過以下步驟得到，
步驟(I)計算在取料過程中斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并發(fā)送到用于處理料堆形狀的計算機(jī)；
步驟(2)計算機(jī)將接收的斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，分類記錄在數(shù)據(jù)庫中，擬合出取料后料堆的頂面；
步驟(3)根據(jù)取料后料堆頂面邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，結(jié)合料堆的安息角，擬合取料后的料堆斜面；
步驟(4)將步驟(2)擬合出取料后的料堆的頂面和步驟(3)擬合取料后的料堆斜面進(jìn)行拼接，獲得取料后的料堆表面形狀三維圖。前述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于步驟(I)計算在取料過程中斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，包括以下步驟，
(1)通過斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器實(shí)時采集臂式斗輪取料機(jī)在取料過程中的走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器檢測到的臂式斗輪取料機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)；
(2)根據(jù)臂式斗輪取料機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出臂式斗輪取料機(jī)上的斗輪下沿的三維坐標(biāo)；
(3)判斷斗輪的下沿是否接觸料堆表面；
(4)若斗輪的下沿接觸料堆表面，則將此時斗輪下沿的三維坐標(biāo)等同于斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成料堆表面此接觸點(diǎn)的測量工作。前述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于所述判斷斗輪下沿是否接觸料堆表面的方法是采用料流檢測器或者懸臂皮帶秤檢測臂式斗輪取料機(jī)上的懸臂皮帶輸送機(jī)上是否有料流的存在。前述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于用于處理料堆形狀的計算機(jī)，通過無線或者有線的方式接收斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器發(fā)送的數(shù)據(jù)。前述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)在料堆底面上投影面積越小，測量精度越高。
前述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于取料時，斗輪的下沿僅與料堆的頂面接觸，不與料堆斜面接觸。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供的接觸式測量料堆形狀的方法，通過采集臂式斗輪取料機(jī)的走行距離、懸臂的俯仰角、懸臂的回轉(zhuǎn)角及懸臂皮帶上料流等數(shù)據(jù)，借助斗輪取料時斗輪下沿與料堆表面接觸的條件，將被測料堆表面的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測量斗輪取料時斗輪下沿的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了接觸式測量料堆形狀的方法，具備隨取隨測，不取不測的工作特點(diǎn)，使測量料堆形狀的工作融入于取料作業(yè)中，形成取料作業(yè)與測量作業(yè)同時進(jìn)行，達(dá)到了實(shí)時測量料堆形狀的目的，并采用接觸式測量，測量過程不受料堆現(xiàn)場粉塵、霧氣等惡劣氣象條件的影響，也不受懸臂負(fù)荷變化引起的斗輪抖動產(chǎn)生的影響，測量過程所涉及檢測設(shè)備如走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器以及懸臂皮帶上料流檢測器或者懸臂皮帶秤均是取料機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，不是僅僅用于測量料堆形狀的專用設(shè)備，本發(fā)明是在利用取料機(jī)現(xiàn)有檢測設(shè)備條件下，完成了料堆形狀測量，沒有增加額外的專用檢測設(shè)備，也就沒有增加額外的設(shè)備維護(hù)工作量，節(jié)省成本，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的接觸式測量料堆取料后形狀的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，用于測量料堆取料后形狀的系統(tǒng)，包括臂式斗輪取料機(jī)、斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器、用于處理料堆形狀的計算機(jī)，臂式斗輪取料機(jī)上設(shè)有從料堆中取料的斗輪、走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器以及懸臂皮帶機(jī)上料流檢測器或者懸臂皮帶秤，斗輪固定安裝在臂式斗輪取料機(jī)的最遠(yuǎn)端，繞中心軸旋轉(zhuǎn)；斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器安裝在臂式斗輪取料機(jī)上，與臂式斗輪取料機(jī)上的走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器以及懸臂皮帶上料流檢測器或者懸臂皮帶秤采用有線連接；走行距離傳感器固定安裝在取料機(jī)底部走行機(jī)構(gòu)上；俯仰角傳感器固定安裝在取料機(jī)懸臂上；回轉(zhuǎn)角傳感器固定安裝在取料機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺上；料流檢測器或者懸臂皮帶秤固定安裝在懸臂皮帶輸送機(jī)架上；計算機(jī)安置在固定于地面的控制室內(nèi)，與斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器通過無線或有線的方式連接。本發(fā)明處理的背景對象料堆必須是由同品種的物料堆積，料堆的堆積采用自由落料方式，料堆斜面是自然塌落形成，料堆各個斜面的安息角認(rèn)為相同。基于上述的用于測量料堆取料后形狀的系統(tǒng)的接觸式測量料堆取料后形狀的方法，初次獲取待測量料堆的形狀數(shù)據(jù)前，臂式斗輪取料機(jī)需對料堆的整個頂面至少取料一次，以生成剩余料堆形狀的三維數(shù)據(jù)，計算后續(xù)取料后的料堆形狀時，更新取料處的料堆表面的三維數(shù)據(jù)，所述三維數(shù)據(jù)通過以下步驟得到，
步驟(I)計算在取料過程中斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并發(fā)送到用于處理料堆形狀的計算機(jī)，這里計算在取料過程中斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，包括以下步驟，
(I)通過斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器實(shí)時采集臂式斗輪取料機(jī)在取料過程中的走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器檢測到的臂式斗輪取料機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)；
(2)根據(jù)臂式斗輪取料機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出臂式斗輪取料機(jī)上的斗輪下沿的三維坐標(biāo)；
(3)判斷斗輪的下沿是否接觸料堆表面，采用料流檢測器或者懸臂皮帶秤檢測臂式斗輪取料機(jī)上的懸臂皮帶輸送機(jī)上是否有料流的存在，即得到斗輪的下沿是否接觸料堆表面；
(4)若斗輪的下沿接觸料堆表面，則將此時斗輪下沿的三維坐標(biāo)等同于斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成料堆表面此接觸點(diǎn)的測量工作；
步驟(2)計算機(jī)將接收的斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，分類記錄在數(shù)據(jù)庫中，擬合出取料后料堆的頂面；
步驟(3)根據(jù)取料后料堆頂面邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，結(jié)合料堆的安息角，擬合取料后的料堆斜面，這里料堆的安息角，由于料堆斜面為自然塌落形成，料堆各個斜面的安息角相同，安息角能夠通過人工測量或者根據(jù)兩次取料后料堆頂面邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo)計算得到，一般細(xì)料料堆理論最大安息角為45°，料堆安息角的范圍為38° 45° ;
步驟(4)將步驟(2)擬合出取料后的料堆的頂面和步驟(3)擬合取料后的料堆斜面進(jìn)行拼接，獲得取料后的料堆表面形狀三維圖。上述步驟中所述的斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)在料堆底面上投影面積越小，測量精度越高，接觸點(diǎn)在料堆底面上投影面積一般取O.1mXO. lm，取料時，斗輪的下沿僅與料堆的頂面接觸，不與料堆斜面接觸。綜上所述，本發(fā)明通過采集臂式斗輪取料機(jī)的走行距離、懸臂的俯仰角、懸臂的回轉(zhuǎn)角及懸臂皮帶上料流等數(shù)據(jù)，借助斗輪取料時斗輪下沿與料堆表面接觸的條件，將被側(cè)料堆表面的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測量斗輪取料時斗輪下沿的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了一種接觸式測量取料后的料堆形狀的方法，本發(fā)明自然具備隨取隨測，不取不測的工作特點(diǎn)，使測量料堆形狀的工作融入于取料作業(yè)中，形成取料作業(yè)與測量作業(yè)同時進(jìn)行，達(dá)到了實(shí)時測量料堆形狀的目的。由于采用接觸式測量，測量過程不受料堆現(xiàn)場粉塵、霧氣等惡劣氣象條件的影響；也不受懸臂負(fù)荷變化引起的斗輪抖動產(chǎn)生的影響。測量過程所涉及檢測設(shè)備如走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器及懸臂皮帶上料流檢測器或者懸臂皮帶秤等均是取料機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，不是僅能用于測量料堆形狀的專用設(shè)備。所以，本發(fā)明是在利用取料機(jī)現(xiàn)有檢測設(shè)備條件下，完成了料堆形狀測量，沒有增加額外的專用檢測設(shè)備，也就沒有增加額外的設(shè)備維護(hù)工作量，測量作業(yè)不中斷、不干涉取料機(jī)的取料作業(yè)，不占用額外的取料機(jī)作業(yè)時間，具有良好的應(yīng)用前景。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于:初次獲取待測量料堆的形狀數(shù)據(jù)前，臂式斗輪取料機(jī)需對料堆的整個頂面至少取料一次，以生成剩余料堆形狀的三維數(shù)據(jù)，計算后續(xù)取料后的料堆形狀時，更新取料處的料堆表面的三維數(shù)據(jù)，所述三維數(shù)據(jù)通過以下步驟得到， 步驟(I)計算在取料過程中斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并發(fā)送到用于處理料堆形狀的計算機(jī)； 步驟(2)計算機(jī)將接收的斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，分類記錄在數(shù)據(jù)庫中，擬合出取料后料堆的頂面； 步驟(3)根據(jù)取料后料堆頂面邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，結(jié)合料堆的安息角，擬合取料后的料堆斜面； 步驟(4)將步驟(2)擬合出取料后的料堆的頂面和步驟(3)擬合取料后的料堆斜面進(jìn)行拼接，獲得取料后的料堆表面形狀三維圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于:步驟(I)計算在取料過程中斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)，包括以下步驟， (1)通過斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器實(shí)時采集臂式斗輪取料機(jī)在取料過程中的走行距離傳感器、俯仰角傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器檢測到的臂式斗輪取料機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)； (2)根據(jù)臂式斗輪取料機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出臂式斗輪取料機(jī)上的斗輪下沿的三維坐標(biāo)； (3)判斷斗輪的下沿是否接觸料堆表面； (4)若斗輪的下沿接觸料堆表面，則將此時斗輪下沿的三維坐標(biāo)等同于斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)的三 維坐標(biāo)，完成料堆表面此接觸點(diǎn)的測量工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于:所述判斷斗輪下沿是否接觸料堆表面的方法是采用料流檢測器或者懸臂皮帶秤檢測臂式斗輪取料機(jī)上的懸臂皮帶輸送機(jī)上是否有料流的存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于:用于處理料堆形狀的計算機(jī)，通過無線或者有線的方式接收斗輪下沿三維坐標(biāo)檢測器發(fā)送的數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于:斗輪下沿與料堆表面接觸點(diǎn)在料堆底面上投影面積越小，測量精度越高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，其特征在于:取料時，斗輪的下沿僅與料堆的頂面接觸，不與料堆斜面接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種接觸式測量料堆取料后形狀的方法，初次獲取待測量料堆的形狀數(shù)據(jù)前，臂式斗輪取料機(jī)需對料堆的整個頂面至少取料一次，以生成剩余料堆形狀的三維數(shù)據(jù)，計算后續(xù)取料后的料堆形狀時，更新取料處的料堆表面的三維數(shù)據(jù)，在取料作業(yè)時，同樣能夠?qū)α隙研螤畹臏y量，隨取隨測，快速，實(shí)時性強(qiáng)，采用接觸式測量，不受外部環(huán)境的影響，測量精度高，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01B21/20GK103075992SQ201310047269
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者蔡丹葵 申請人:南京通晟自控系統(tǒng)有限公司