基于激光扫描的储矿场散装物料计量系统的

1、基于激光扫描的储矿场散装物料计量系统的研究与设计 林 森 程耕国（武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉 430081）摘 要 ：针对目前国内大型储矿场盘矿管理的实际情况，设计了一套基于激光扫描的散装物料计量系统。系统采用高精度的双激光测头对堆体进行高速连续扫描，通过建立数学模型实现矿堆的截面积计算进而积分得到堆体体积，此外还详细阐述了该系统的测量原理、方法及硬件软件结构，应用结果表明该系统安装方便、测量速度快、精度高，市场应用前景十分广阔。关键词：激光扫描 双测头 截面积计算 三维测量中图分类号：TN249 文献标识码：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 随着现代工业技术的飞速发展，市场对矿物量需求的日益增加，使得我们对储矿场中存矿的管理提出了更高的要求。准确而迅速地测出矿场的实际存矿量，是各个工矿企业进行成本核算、效益评估和生产管理的必要环节。由于储矿场矿料因生产过程的进行处于一个动态变化的状态，所以如何对大型储矿场的散装物料体积进行快速准确的测量，多年来一直是个技术难题。 针对这种情况，本文结合工程实际，设计了一套激光计量系统，采用基于激光扫描的

6、大功率脉冲测距仪配合摆动扫描机构，并且安装双激光测头的精确测量方法，实现了在其扫描角度范围内进行二维测量的特殊功能，将扫描单元安装在斗轮堆取料机上，借助该设备的行走，即实现了三维测量呈象的目的。同时系统配有高速的计算机接口，克服了采用CCD线阵或面阵摄像技术的瓶颈。将其应用在类似铁矿厂的储矿场这样的测量对象上有明显的实用性和优势。这种系统测距可达几十米到几千米，不受强光照射影响，自带高速光学扫描器，体积小，接口简单，能快速准确的测出矿场的储矿量。2 系统设计思想及测量原理 在激光计量系统的设计中,我们将激光脉冲测距仪做成小型的扫描工作的扫描测量仪，即把转动装置集成到测头内部采用光学转动技术进行

7、转动，令测头实现二维扫描测量，根据需要提出要求,并充分考虑成本及堆取料机稳定的行走机构，先行订制了二维扫描测头，并提出全天候的要求,使之适应室外恶劣环境的使用。在保证准确测量整个矿场的要求下，在堆取料机固定横梁前、后位安装两个垂直于地面的测头，可将需测量范围全部包括进去并协同完成对矿场宽度方向截面积的测量，使取样间隔最为合理。同时为了协调测头的测量动作并获取堆取料机行走位置、定位开关等信号实时采集的需要，我们把系统供电、计算机接口、各信号采集接口一并接入到1套智能网桥控制箱里, 大车行走的计数脉冲测量精度可达到3cm。在测量过程中，堆取料机沿轨道即矿场长度方向行走，激光扫描测头对矿料面进行扫描

8、测量得到横截面面积。最后，所有测量数据均通过通信接口被实时传送到主控微机上，利用微机高速强大的计算能力对测量数据进行分析、平滑，并通过数值积分的方法计算出整个储矿场的体积。最后,储矿量由算得的体积和专用测比重仪测得的堆体密度计算得到。通过反复测量，本系统总的相对误差<7，多次实测结果小于<5。3 堆料体积的计算方法在对堆料体积的测量过程中，堆料截面面积的测量是其中的关键部分。本系统采用激光扫描测距原理，在每次测量过程中，行程都要走到矿场的一端，两个激光扫描测头对矿料面进行连续扫描测量。单个测头扫描角度为100°，扫描点间隙为0.5°,即每个测头扫描一次取样201

9、点，双测头取样402点，按这个速度计算，每秒钟测量的点数就有402×（1/0.04）=10050个测量点，这么多的数据通过电缆发送到主控单元中进行进一步的计算，绘制出矿堆截面的轮廓，通过建立数学模型实现对矿堆截面的测量。截面数学模型如图1。在激光扫描测头、的一个扫描周期内，对矿堆的横断面成像是一个x、y坐标系上的二维曲线，矿堆的一个截面面积即为图1中曲线下的面积。可以建立数学模型： （1）Si=(Hh·cosi)·(h·sini-h·sini-1) （2） 其中，h为第i条扫描线所对应矿堆处的测距，Si 为第i个截面的面积，S为所有截面的面积之

10、和。 图1 截面数学模型那么矿堆的体积值就可以在纵向方向上（三维坐标的z轴）积分可得： （3） 其中：A，B分别是截面与z轴相交的上限和下限，SI为第I个矿堆断面（堆取料机纵向行走方向上）所对应的截面面积。然后由专用测比重仪测得堆体密度，最后可以求出堆体的储量为： 堆体储量（M）=堆体体积（V）×堆体密度（Q） （4）4 系统构成及功能整个激光计量系统包括硬件和软件两个部分：4.1 硬件部分主要由主控单元、激光测量单元、辅助测量单元构成。如图2所示，图中每个单元的功能特点如下：a主控单元：即网桥控制箱，料场激光盘点计量系统中的核心部件，为本系统的传输通道。它连接激光扫描测量单元等系统

11、其他单元，主控单元与激光测量设备之间通过RS422通讯接口连接，与位移传感器之间通过专用接口连接，实现系统供电、数据采集和计算处理等系统功能。b 激光扫描测量单元：即激光扫描测头，料场激光盘点计量系统中的主要部件，为本系统的现场测量设备。它采用激光测量技术，内置二维转动机构，采用横向扫描方式进行测量，测量结果通过串行通信的方式传送到主控单元。c 边界及行程测量单元：即位移测量和启停传感器，料场激光盘点计量系统中的辅助测量部件，为本系统的现场测量设备，配合激光扫描进行位移量测量并将数据提供给主控单元。d 回转及俯仰测量单元：料场激光盘点计量系统中的辅助测量部件，仅用于安装有悬臂式堆取料机的料场上

12、，测量其悬臂的回转及俯仰角度，并将数据提供给主控单元。e 上位机：即笔记本电脑。通过通信电缆与系统主控单元连接，存取测量结果详细信息，进行上层处理等工作。f 无线扩频设备：为方便操作者使用，采用无线扩频技术，利用2.4GHz频段，传输速率9600bps，操作者不必攀登堆取料机即可盘点储矿量。 图2 系统硬件部分构成图 4.2 软件部分系统以VC+和OpenGL为开发平台，包括数据采集、数据通讯、数据处理、三维显示及成果输出模块。流程结构如图3： 图3 系统软件流程框图 系统软件部分主要完成激光测量的数据处理，实现从原始数据采集到最终报表生成的自动化。5 应用实例激光计量系统已成功应用于某集团铁

13、矿储矿场上，在测量时以行车作为运动平台，激光扫描单元随行车运动而对矿堆连续扫描。我们对1#储矿场重复测量了3次，测出的体积差在5以内，见表1： 扫描次数体积/m3测量平均值V平测量极差值max测量精度145127.2345049.81118.812.6245013.78345008.426 实际运行中的几个问题6.1 不同矿质储量的测量 考虑到各矿料原产地不用，矿质、湿度等各种影响密度的因素各不相同。如果矿料是以矿物的产地堆放，激光计量系统则可以分段测量，然后乘以密度，求出总量；如果混合堆矿，则只能取一个密度平均值进行计算。本系统准确的测量结果应以体积来衡量。6.2 测量精度的提高 为了提高测

14、量精度，系统采用两个激光测头的方案。根据现场计量截面图可以看出，如果只使用一个激光测头，由于矿堆的两边斜坡和激光扫描线之间的夹角过于狭小，而造成系统不能清晰的看清楚堆取料机两端矿坡的矿坑，从而影响系统的测量精度。但是如果安装了双测头，无论矿堆是什么样的形状，矿堆两边的矿坡有多大多不规则的坑，系统都能清晰的看到，有效杜绝了系统的死角问题，实现了激光扫描单元对不规则矿堆的直射，使发射的激光数据点最大的限度得到利用，从而大大提高了系统的精确度。7 结束语本系统自在某矿业集团铁矿储矿场上安装运行以来，收到了良好的效果，节省了人力、财力、物力，与传统的计量方法相比具有不可比拟的优越性：1 激光扫描单元无

15、死区、抗强光、测程长、使用双测头技术，采用德国产LS100/180型探头(各一)，测量精度在+16mm,系统误差小，测量精度很高。2 激光扫描单元体积小、耐冲击，环境适应性强，正常工作温度为-30° +50°。 3 光学扫描设备固定于堆取料机上，无机械运动，减少了故障率，无须维护，经久耐用，。 4 输出报表，图文并茂；输出信息可联接MIS网系统，供网络查询。 5 采用嵌入式计算机系统的主控单元：技术先进，性能稳定。 6 接口及控制方便灵活，笔记本电脑串口通信或无线扩频方式可随时盘矿。无论是从技术上，还是从使用效果上都适合在大型储矿场管理中采用，值得推广，在冶金、电力、煤炭、钢铁和工程建设方面市场前景十分广阔。参考文献：1 李相银等编著 激光原理技术及应用 哈尔滨工业大学出版社 20042 李清泉等 激光雷达测量技术及其应用研究 武汉测绘科技大学学报 2000.103 王朝辉等 便携式激光盘煤系统的研究应用 河北电力技术 2003.44 刘红军等 露天煤场激光摄象盘煤系统的研究 华北电力