帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量激光測(cè)量方法

曾飛等

摘要：針對(duì)高帶速、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量難以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量問(wèn)題，提出一種基于激光掃描的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量高精度實(shí)時(shí)測(cè)量方法.利用二維激光測(cè)距儀和測(cè)速傳感器獲取帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行下物料流三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、異常值剔除、數(shù)據(jù)平滑等預(yù)處理后，通過(guò)分析掃描線上激光點(diǎn)云空間形態(tài)特征提出一種物料流輪廓自動(dòng)提取方法，并建立基于面元積分的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型.開(kāi)發(fā)的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量帶寬為200 mm槽型帶式輸送機(jī)在帶速0.5～1.5m/s下物料流瞬時(shí)流量時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性和相關(guān)性都達(dá)到98%以上.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法采樣間距小、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)適用性和可靠性，有助于為港口帶式輸送機(jī)自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實(shí)時(shí)、精確的數(shù)據(jù)來(lái)源.

關(guān)鍵詞：測(cè)量；物料瞬時(shí)流量；激光掃描；帶式輸送機(jī)；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP23；TP249；TH715文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011年，我國(guó)港口擁有生產(chǎn)用碼頭泊位超3.1萬(wàn)，完成貨物吞吐量突破100億t（連續(xù)9年位居世界第一），其中干散貨吞吐量占總吞吐量比率高達(dá)58.3%[1].隨著干散貨運(yùn)輸以年超10%比率迅猛增長(zhǎng)，港口散貨碼頭原粗放型長(zhǎng)距離帶式輸送設(shè)備高耗能、低效率問(wèn)題日益嚴(yán)重.特別當(dāng)輸送帶上物料較少或斷續(xù)情況時(shí)帶式輸送機(jī)仍以高速恒定狀態(tài)運(yùn)行從而能耗浪費(fèi)嚴(yán)重.因此，交通部特別在《“十二五”水運(yùn)節(jié)能減排總體推進(jìn)實(shí)施方案》（[2011]474號(hào)文件）中將帶式輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行控制技術(shù)列為重要研發(fā)任務(wù)之一.

近年來(lái)，因變頻技術(shù)調(diào)速平穩(wěn)、瞬態(tài)穩(wěn)定性高、節(jié)能等比較優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者紛紛提出了基于輸送帶實(shí)時(shí)負(fù)荷的帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制方法[2-4].為使其運(yùn)行在最佳負(fù)荷狀態(tài)，物料瞬時(shí)流量成為調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的重要指標(biāo).目前散貨碼頭物料瞬時(shí)流量檢測(cè)大多采用電子皮帶秤、核子秤等接觸式方式測(cè)量，其測(cè)量方式通常假定單位計(jì)量段內(nèi)物料流分布均勻，因此計(jì)量精度易受真實(shí)物料分布不均、斷續(xù)等因素影響.同時(shí)，帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶速調(diào)節(jié)不當(dāng)會(huì)直接影響系統(tǒng)各機(jī)械部件使用壽命和運(yùn)行安全[5].隨著帶式輸送機(jī)向高帶速、大運(yùn)量方向發(fā)展，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的物料流瞬時(shí)流量檢測(cè)方法對(duì)于保障帶式輸送機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)安全同時(shí)切實(shí)提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率具有重要意義.

光學(xué)測(cè)量技術(shù)以其柔性大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本和高精度等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被用于輸煤量或煤堆體積等非接觸式測(cè)量，包括視覺(jué)檢測(cè)和激光測(cè)量?jī)煞N.文獻(xiàn)[6]采用小波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)煤流視頻圖像邊界快速識(shí)別和輸煤量有效估計(jì).文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了雙目視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)大型散料（靜態(tài)）物料體積和重量進(jìn)行測(cè)量.針對(duì)堆場(chǎng)形貌復(fù)雜、紋理特征貧乏等特性，文獻(xiàn)[8]提出了激光投射儀掃描輔助下的雙目攝影測(cè)量方法對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行掃描與局部三維形貌重建.為實(shí)現(xiàn)散狀物料流量遠(yuǎn)程在線檢測(cè)功能，文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了基于FPGA（Field Programmable Gate Array）和3G（Third Generation Mobile System）的帶式輸送機(jī)物料流視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng).上述基于視覺(jué)檢測(cè)方法雖具有可行性，但處理速度因受紋理特征提取、攝像機(jī)標(biāo)定等復(fù)雜算法限制而無(wú)法滿足帶式輸送機(jī)物料流量實(shí)時(shí)采集要求.

激光三維測(cè)量技術(shù)是一種高效率、高精度、實(shí)時(shí)測(cè)得堆體體積有效監(jiān)測(cè)方法[10-11].考慮到激光測(cè)量受散料紋理特征因素影響較小優(yōu)勢(shì)，根據(jù)帶式輸送機(jī)物料流瞬時(shí)流量測(cè)量實(shí)時(shí)、連續(xù)、精準(zhǔn)需求，本文利用二維激光測(cè)距儀和測(cè)速傳感器獲取帶式輸送機(jī)高速運(yùn)行下高密度物料流三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出一種基于掃描線激光點(diǎn)云空間形態(tài)特征的物料流輪廓自動(dòng)提取方法，設(shè)計(jì)了兩種物料流截面積計(jì)算方法，并建立了一種基于面元積分的物料瞬時(shí)流量實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)學(xué)模型.最后通過(guò)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)本文測(cè)量方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

1物料瞬時(shí)流量激光測(cè)量原理

1.1激光測(cè)量原理

設(shè)計(jì)的物料瞬時(shí)流量激光測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖1所示.系統(tǒng)采用1臺(tái)二維激光測(cè)距儀采集帶式輸送機(jī)水平高速運(yùn)行下物料流表面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，融合速度傳感器轉(zhuǎn)換的位移信息后經(jīng)物料瞬時(shí)流量計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)物料瞬時(shí)流量精準(zhǔn)、高效計(jì)量.為方便獲取被測(cè)物料流表面散亂激光點(diǎn)云，激光測(cè)距儀選擇在帶式輸送機(jī)水平段高h(yuǎn)處安裝，并使其垂直向下對(duì)準(zhǔn)物料，讓物料流通過(guò)方向與激光掃描截面保持垂直.因二維激光測(cè)距儀是基于飛行時(shí)間差原理，將測(cè)量的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)鏡入射光束角度變化范圍內(nèi)發(fā)射與反射光間飛行時(shí)間差Δtik，精確轉(zhuǎn)換為激光扇面與被測(cè)目標(biāo)輪廓間二維距離值（lik=c·Δtik/2， c為光速）.因此，通過(guò)激光測(cè)距儀獲取的物料流截面每幀掃描數(shù)據(jù)包括2個(gè)參數(shù)：輪廓上任意點(diǎn)Mik相對(duì)于掃描中心水平線偏角θik；Mik與掃描中心間直線距離lik.為方便后續(xù)物料流瞬時(shí)流量計(jì)算，需要對(duì)激光每幀掃描散料截面輪廓各特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)計(jì)算示意圖如圖2所示.

1.2基于面元積分的物料瞬時(shí)流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

散貨碼頭帶式輸送機(jī)輸送量通常由物料瞬時(shí)流量和累計(jì)流量表征.其中物料流瞬時(shí)流量通常定義為物料瞬時(shí)載荷與輸送帶瞬時(shí)速度的乘積[12]，而物料瞬時(shí)載荷實(shí)質(zhì)是單位時(shí)間T內(nèi)通過(guò)某流通截面的質(zhì)量，即物料密度乘以單位時(shí)間內(nèi)物料流通截面的體積.因此，為準(zhǔn)確計(jì)算物料瞬時(shí)流量，建立精確的單位時(shí)間內(nèi)物料流通截面體積計(jì)算模型是關(guān)鍵.目前，針對(duì)不規(guī)則料場(chǎng)或煤堆體積測(cè)量通常采用TIN （triangulated irregular network）三角網(wǎng)建模思想，將激光離散點(diǎn)數(shù)據(jù)三角化后形成互不相交、互相鄰近若干三棱柱，通過(guò)累加直三棱柱體積值后得出料場(chǎng)堆料的體積.因該方法計(jì)算步驟繁瑣、計(jì)算工作量巨大，再加上近年來(lái)研制的激光測(cè)距儀掃描精度和頻率飛躍提升，本文采用圖3所示基于面元積分的數(shù)學(xué)模型計(jì)算物料瞬時(shí)流量.

2物料瞬時(shí)流量測(cè)量算法

2.1物料流輪廓邊界自動(dòng)提取

受散料揚(yáng)塵、輸送帶垂直波動(dòng)、尖角礦石鏡面反射、遮擋等因素影響，物料流激光測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差.因此，為精確提取物料流輪廓和后續(xù)瞬時(shí)流量快速、精確計(jì)算，需要對(duì)物料流點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理.物料流激光掃描輪廓截面數(shù)據(jù)分布特征：①物料流輪廓激光點(diǎn)云位于掃描線中間區(qū)域，對(duì)稱分散于帶寬中點(diǎn)左右，且中間區(qū)域物料掃描點(diǎn)Z坐標(biāo)值較大，并依次向Y軸左右兩邊呈緩慢減小趨勢(shì)（相鄰兩掃描點(diǎn)Z坐標(biāo)間差值較?。?；②當(dāng)物料輪廓與輸送帶輪廓相交的邊界處存在局部階躍；③輸送帶輪廓掃描點(diǎn)Z坐標(biāo)變化相對(duì)平緩，但同物料相比變化趨勢(shì)相反；④采集支架、輸送機(jī)旁邊支撐裝置等物在局部范圍內(nèi)Z坐標(biāo)變化很大.因此，首先根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則，以2倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除濾波后數(shù)據(jù)可能存在的異常值（如物料反光引起的異常值）.再采用移動(dòng)窗口法對(duì)每幀掃描曲線從中間往兩端逐點(diǎn)分析連續(xù)相鄰窗口Z坐標(biāo)差值，找到物料兩邊與輸送帶邊界區(qū)域進(jìn)行非物料點(diǎn)剔除.濾波算子由3個(gè)窗口組成，窗口1用來(lái)快速確定左右兩邊物料與輸送帶邊界區(qū)域，而窗口2和3用來(lái)進(jìn)一步約束窗口1所確定的物料輪廓范圍.通過(guò)設(shè)置Z坐標(biāo)差值閾值Δz

2.2物料流截面積計(jì)算

提取物料流輪廓后，可根據(jù)掃描點(diǎn)坐標(biāo)近似計(jì)算物料流截面積.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量激光測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)由1臺(tái)激光測(cè)距儀、MOXA Nport 6250模塊、24V直流穩(wěn)壓電源、物料流激光數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成.其中，激光測(cè)距儀選用德國(guó)SICK公司生產(chǎn)的LMS291-S05激光測(cè)距儀，激光波長(zhǎng)λ = 905 nm，采集頻率75幀/s.速度傳感器選用德國(guó)SEW光電編碼器ES1T（OG72DN1024TTL），供電電壓5 V，信號(hào)5 V TTL/RS-422.根據(jù)物料瞬時(shí)流量采集需要，采用激光測(cè)距儀配套設(shè)置軟件LMSIBS Configuration Software設(shè)置激光測(cè)距儀角度分辨率為0.25.（53.33樣ms）、角度范圍100.、mm級(jí)測(cè)量模式、測(cè)量分辨率10 mm、測(cè)量精度±35 mm、最大測(cè)量距離為18 m.通過(guò)臺(tái)灣摩莎MOXA Nport 6250模塊以Ethernet通訊方式將測(cè)距儀每幀掃描的404組（l，θ）數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，由自行開(kāi)發(fā)的基于VC++ 6.0的物料流激光數(shù)據(jù)采集與處理軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、物料流輪廓提取和瞬時(shí)流量計(jì)算.因激光測(cè)距儀和目標(biāo)對(duì)象間測(cè)量距離越小時(shí)獲取每幀測(cè)量點(diǎn)數(shù)越多（激光點(diǎn)云獲取精度越高），設(shè)計(jì)了測(cè)量距離和掃描截面方向左右位置二維可調(diào)的機(jī)械支架用于調(diào)節(jié)激光測(cè)距儀安裝高度并確保被測(cè)物料寬度不超出掃描范圍，系統(tǒng)硬件平臺(tái)如圖7所示.

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為檢驗(yàn)本文測(cè)量方法精確性和有效性，將開(kāi)發(fā)的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量激光測(cè)量系統(tǒng)架設(shè)于港口裝卸技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室散貨碼頭物流裝備與物流自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1#堆場(chǎng)帶式輸送機(jī)水平段（帶寬b=200 mm，運(yùn)量Q=1.5 t/h，安川A1000變頻器驅(qū)動(dòng)，帶速范圍0.2～4 m/s），調(diào)節(jié)激光采集支架高度h=583 mm （激光掃描儀上平面離地面間距離）、水平寬度l=820 mm后，通過(guò)物料流激光數(shù)據(jù)采集與處理軟件實(shí)測(cè)帶式輸送機(jī)通過(guò)物料的瞬時(shí)流量值.實(shí)驗(yàn)被測(cè)物料為細(xì)干河沙，為排除物料密度對(duì)測(cè)量精度的影響，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)容器升測(cè)量方式檢驗(yàn)激光掃描測(cè)量物料瞬時(shí)體積流量精度.分別采集帶速在0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s下裝滿1 L，2 L，3 L，5 L，7 L 5種不同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)容積升時(shí)物料體積流量激光測(cè)量值.表1為重復(fù)測(cè)量同標(biāo)準(zhǔn)物料體積10次后去除最大、最小值測(cè)量結(jié)果.

由表1計(jì)算出的測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，測(cè)試結(jié)果重復(fù)性和相關(guān)性在98%以上，測(cè)量數(shù)據(jù)速度變異系數(shù)都在98%以上（測(cè)量結(jié)果與帶速無(wú)關(guān)）.圖8是根據(jù)表1激光測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)容積測(cè)量值間誤差分析圖，其中“△”代表三角面積累積方法測(cè)量結(jié)果，“□”代表梯形面積累積方法測(cè)量結(jié)果.

圖8中看出，激光測(cè)量值與人工測(cè)量值平均誤差保持在3%以內(nèi)，且三角面積累積方法更接近真值.系統(tǒng)測(cè)量誤差主要來(lái)源于：1）帶速測(cè)量誤差：由于帶式輸送機(jī)水平運(yùn)輸過(guò)程中輸送帶垂直、水平振動(dòng)較大，同時(shí)可能出現(xiàn)輸送帶與傳動(dòng)滾筒間打滑，使得部分輸送帶部分行走距離未被速度傳感器檢測(cè)，使得測(cè)量長(zhǎng)度偏短、測(cè)量結(jié)果偏低.2）模型誤差：由于物料流表面形狀是不規(guī)則的，采用面元積分的物料流瞬時(shí)流量計(jì)算模型假設(shè)2幀時(shí)間內(nèi)物料流面積與前幀面積相同，因此引入誤差.3）實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差：測(cè)量方法不完善、測(cè)量者對(duì)儀器使用不當(dāng)、環(huán)境條件

的變化等引入誤差.因此，今后將研究更為合理的物料瞬時(shí)流量計(jì)算模型，通過(guò)設(shè)計(jì)合理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式，切實(shí)、有效提高帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量激光掃描測(cè)量精度、降低誤差.

4結(jié)論

1）提出了一種基于激光掃描的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量測(cè)量方法.采用單臺(tái)激光測(cè)距儀設(shè)計(jì)了一種可三維激光點(diǎn)數(shù)據(jù)采集的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高帶速帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量測(cè)量.

2）設(shè)計(jì)了一種面元積分的物料瞬時(shí)流量計(jì)算模型.結(jié)合設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)采集帶式輸送機(jī)物料流三維激光點(diǎn)云，采用該算法對(duì)單位時(shí)間內(nèi)物料瞬時(shí)流量進(jìn)行計(jì)算，獲取物料流瞬時(shí)流量大小.

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于激光掃描的帶式輸送機(jī)物料瞬時(shí)流量測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量帶寬為200 mm槽型帶式輸送機(jī)在帶速0.5～1.5 m/s下物料流瞬時(shí)流量時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性和相關(guān)性都達(dá)到98%以上.該方法采樣間距小、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)適用性和可靠性，有助于為港口高帶速帶式輸送機(jī)自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實(shí)時(shí)、精確的數(shù)據(jù)來(lái)源.

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