激光盘煤的装置的原理及实现.doc

激光盘煤的装置的原理及实现 电厂燃煤的库存盘点，作为整个燃料管理系统中的一个环节，有着举足轻重的重要性。人们一直在寻求一种方法，可以准确地获得发电厂存煤量。早期人们用推煤机将不规则煤堆整形，然后用尺子丈量，计算出煤堆的体积，再乘以煤的比重，得到存煤量将这样的过程称为盘煤但是，这种方法测量结果误差较大。为了准确地获得火电厂存煤量，节省发电成本，投运激光盘煤测量装置是一种很好的方法。该系统大大改善了工人的劳动条件,减少了人为因素产生的测量误差,实现了煤场的自动化盘煤。现场运行实践证明了该系统安全、可靠、省时,取得了很好的测量效果。 激光盘煤：以激光测距配以角度测量完成煤堆表面有限点的空间位置坐标的测量，用一定方法建模后，计算出煤堆的体积。激光盘煤仪由于具体的硬件形态和原理不同，又细分出几大类、十几个具体型号。比如：便携式，全自动，斗轮机式(固定式)，多功能式等。 基本方法原理：利用激光盘煤仪测量煤堆表面上的有限特征点的空间位置信息（X，Y，Z坐标），利用这些点建立煤堆的立体模型，计算模型的体积，并认可其为煤堆的体积，进而求算出煤的重量(质量)；从以上描述中我们可以看出，影响最后结果精度的因素有四个：测量点的精度，建立模型的精度，计算体积的精度，密度测量的精度。前三点是我们评价一款盘煤仪好坏的主要依据。当然，设备的可靠稳定性，使用的便捷性，工作效率的高低等也必须事先考虑到。本文以一种实用便捷的盘煤系统为例谈谈激光盘煤装置的原理及实现。1.盘煤系统硬件组成及工作原理盘煤系统工作原理是在煤场建立观测网和空间坐标系，利用精密测量仪器在观测网上采集煤堆轮廓数据点，然后将这些数据点按照一定的数学模型转换为三维坐标，利用VC和OpenGL技术进行煤堆三维图形复现，用方格网算法计算煤堆的体积，最终用体积乘以煤的比重获得存煤量。硬件系统主要完成采集煤堆轮廓数据点，包括2个设备，1个多功能测量设备用于采集数据，个手持电脑用于收发数据。如图 1所示。图1.盘煤系统硬件组成框图根据测量要求，多功能测量设备选择美国手持激光多功能测距仪CX( Contour Xlric) ，有以下的原因: CX量程达1850m ; 设备小，而且具有图 1所述4 个功能，测量误差0.5；抗干扰能力强。手持电脑选择松下CF-19 ，因为CF-19体积重量小，而且还具有一些特殊的性质，例如防水防撞击抗干扰能力强，更为重要的是可以在野外恶劣内置锂电池可以提供7h左右的使用时间。2.煤堆数据采样在对煤堆数据进行采样前，还需要建立观测网和空间坐标系。2.1建立测量观测网和空间直角坐标系由于在一个点根本不能观测到整个煤堆的轮廓外形，因此必须建立测量观测网 测量观测网可以获得煤堆轮廓的多个观测点 观测点又叫基点，设置在测量仪器的地方，用来采集煤堆轮廓特征点数据; 把煤堆表面的特征点叫碎部点。有时煤场太大或形状复杂，还需建立辅助点，采集的点越密，绘制的三维越逼真 如图2所示。 图2 辅助点观测网在现实世界中，所有的物体都具有三维特征，将三维物体及二维数据联系在一起的惟一纽带就是坐标 建立空间直角坐标系，煤场采样点才有意义，采样的数据点在同一坐标系下，以便于煤堆三维重建。2.2煤堆数据采样及转换煤堆数据是按照一定的顺序在观测点上用仪器测量煤堆轮廓的特征点获取的。手持激光多功能测距仪 测量煤堆将获得斜距方位垂直角，并不是三维坐标，因此需进行转换才能获得煤堆的三维坐标数据。1) 斜距: 测量仪器到目标点的直线距离 用表示.2) 方位角: 测量仪器平视线与正北方向的夹角，用表示。3) 垂直角: 测量仪器的测点至观测目标的方向线与水平面间的夹角，用表示。数据采样过程: 如图3所示，设基点坐标为( 0，0，0) ，通过基点的坐标去测量，经过式(1)转换得到三维坐标，依次类推，得到，坐标。得到观测网数据之后，由每个基点去测量碎部点。CX测距仪获取的每个点的斜距方位角垂直角，可通过式(1) 将其转换成三维坐标。 （1）式中: ，为原始坐标点，可以取( 0，0，0) 或取(1 000，1 000，1 000) 等。 图3煤场数据采样及转换3软件设计经过数据采样过程之后，要进一步利用软件对数据进行处理。首先数据预处理，然后利用算法生成煤堆轮廓图，显示煤堆三维图形，最后计算体积如图4所示。 图4盘煤软件图3.1数据预处理CX多功能测距仪用RS232接口发送数据到手持电脑，它按照测距仪给定的数据传输格式，利用VC下MSCcom控件完成数据获取CX测距仪给定数据传输格式: PLCI,rrr.r，m，bbb.b，d，m，ppp.p，d,例如由CX测距仪发来的一组数据: PLCI,0035.2,m，075.2，d 表示测量斜距( 仪器到被测点的距离) 为35.2m，水平角为23.6，垂直角为75.2。3.2 三维重建先利用Delaunay算法生成煤堆轮廓图，然后利用VC和OpenGL等技术生成三维。令P= , 为平面域上N个散点的集合，三角剖分是将P集合中点按一定方式连接成互不交叉的三角形网图形，Delaunay三角形具有三角剖分最小内角为最大和空圆性质，能够使生成的三角网最优，是一种最常用的方法。Delaunay三角剖分算法用链表来实现，链表包括点链表边链表和三角形链表。算法实现: 将散乱的点加入点链表，用链表的头节点做第1点，在点链表中搜索与其距离最近的点，由这2点链成的线作为第一条边加入边链表。然后在点链表中找到与这条边2个端点构成的角最大的点作为第1个三角形的第3点，将第1个三角形加入三角形链表。紧接着用第1个三角形的3条边分别向3面扩展，调用边扩展算法.如果所有的边均剖分结束，三角剖分完成。边扩展算法: 判断这条边被使用过的次数，如果此边已用了2次或只使用一次但它是边缘，就不需对其进行扩展 否则，搜索与待扩展三角形的第3点分别位于待扩展边两侧的点，除去冗余点( 包括封闭点) ，比较各点与待扩展边两端点构成的角，构成的角最大的点就是扩展出的三角形的第3点 。将扩展出的三角形加入三角形链表。生成煤堆轮廓图之后利用OpenGL光照投影等技术由 实现煤堆三维图形显示。3.3体积计算用方格网算法计算煤堆体积，再用煤的比重乘以体积得到存煤量。方格网算法: 将煤场按纵横2个方向分成MN个网格，这一过程相当于把煤堆切成个MN底为四边形的小煤柱。计算各小煤柱的体积。累计各小煤柱的体积之和，这样也就计算出了整个煤堆的体积，N取值越大，越精确。将方格的4个角上的高程相加( 如果角上没有高程点，通过周围高程点内插值得出其高程) ，取平均值与地平高程相减，然后乘以指定方格的面积便得到该煤堆的体积，取其和即为煤堆体积。方格边长越小，计算精度越高 计算公式如下: （2）式中: 为地平高程，为第i个小方格面积。4 实验结果通过以上对盘煤工作原理分析和研究，按照文中所提出的系统方案，在某电厂用CX测距仪在基点测量的部分碎部点数据如表1所示，表中SBD为碎部点。图5是利用Delaunay三角剖分算法对上面的数据点进行处理以及OpenGL光照投影等技术在VC下实现的煤堆三维图形。表1 实验数据 图5 三维煤堆图5 结论本利用精密多功能测距仪CX，在煤堆观测网上进行数据采集，利用采集的煤堆轮廓点数据，进行煤堆的三维复现，之后得到煤堆体积。比起目前发电厂常用的盘煤方法( 需要固定塔架