曾飛等

摘要：針對高帶速、大運量帶式輸送機物料瞬時流量難以實時精準(zhǔn)測量問題，提出一種基于激光掃描的帶式輸送機物料瞬時流量高精度實時測量方法.利用二維激光測距儀和測速傳感器獲取帶式輸送機高速運行下物料流三維激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、異常值剔除、數(shù)據(jù)平滑等預(yù)處理后，通過分析掃描線上激光點云空間形態(tài)特征提出一種物料流輪廓自動提取方法，并建立基于面元積分的帶式輸送機物料瞬時流量計算數(shù)學(xué)模型.開發(fā)的帶式輸送機物料瞬時流量測量系統(tǒng)用于測量帶寬為200 mm槽型帶式輸送機在帶速0.5～1.5m/s下物料流瞬時流量時，數(shù)據(jù)重復(fù)性和相關(guān)性都達(dá)到98%以上.實驗結(jié)果表明，該方法采樣間距小、測量精度高、實時性強，具有較強適用性和可靠性，有助于為港口帶式輸送機自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實時、精確的數(shù)據(jù)來源.

關(guān)鍵詞：測量；物料瞬時流量；激光掃描；帶式輸送機；節(jié)能

中圖分類號：TP23；TP249；TH715文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

2011年，我國港口擁有生產(chǎn)用碼頭泊位超3.1萬，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].隨著干散貨運輸以年超10%比率迅猛增長，港口散貨碼頭原粗放型長距離帶式輸送設(shè)備高耗能、低效率問題日益嚴(yán)重.特別當(dāng)輸送帶上物料較少或斷續(xù)情況時帶式輸送機仍以高速恒定狀態(tài)運行從而能耗浪費嚴(yán)重.因此，交通部特別在《“十二五”水運節(jié)能減排總體推進(jìn)實施方案》（[2011]474號文件）中將帶式輸送機節(jié)能運行控制技術(shù)列為重要研發(fā)任務(wù)之一.

近年來，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，國內(nèi)外研究學(xué)者紛紛提出了基于輸送帶實時負(fù)荷的帶式輸送機變頻調(diào)速控制方法[2-4].為使其運行在最佳負(fù)荷狀態(tài)，物料瞬時流量成為調(diào)節(jié)帶式輸送機運行速度的重要指標(biāo).目前散貨碼頭物料瞬時流量檢測大多采用電子皮帶秤、核子秤等接觸式方式測量，其測量方式通常假定單位計量段內(nèi)物料流分布均勻，因此計量精度易受真實物料分布不均、斷續(xù)等因素影響.同時，帶式輸送機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶速調(diào)節(jié)不當(dāng)會直接影響系統(tǒng)各機械部件使用壽命和運行安全[5].隨著帶式輸送機向高帶速、大運量方向發(fā)展，實時、準(zhǔn)確的物料流瞬時流量檢測方法對于保障帶式輸送機系統(tǒng)生產(chǎn)安全同時切實提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率具有重要意義.

光學(xué)測量技術(shù)以其柔性大、結(jié)構(gòu)簡單、低成本和高精度等優(yōu)點，逐漸被用于輸煤量或煤堆體積等非接觸式測量，包括視覺檢測和激光測量兩種.文獻(xiàn)[6]采用小波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)了帶式輸送機煤流視頻圖像邊界快速識別和輸煤量有效估計.文獻(xiàn)[7]設(shè)計了雙目視覺系統(tǒng)對大型散料（靜態(tài)）物料體積和重量進(jìn)行測量.針對堆場形貌復(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量方法對堆場進(jìn)行掃描與局部三維形貌重建.為實現(xiàn)散狀物料流量遠(yuǎn)程在線檢測功能，文獻(xiàn)[9]設(shè)計了基于FPGA（Field Programmable Gate Array）和3G（Third Generation Mobile System）的帶式輸送機物料流視覺檢測系統(tǒng).上述基于視覺檢測方法雖具有可行性，但處理速度因受紋理特征提取、攝像機標(biāo)定等復(fù)雜算法限制而無法滿足帶式輸送機物料流量實時采集要求.

激光三維測量技術(shù)是一種高效率、高精度、實時測得堆體體積有效監(jiān)測方法[10-11].考慮到激光測量受散料紋理特征因素影響較小優(yōu)勢，根據(jù)帶式輸送機物料流瞬時流量測量實時、連續(xù)、精準(zhǔn)需求，本文利用二維激光測距儀和測速傳感器獲取帶式輸送機高速運行下高密度物料流三維激光點云數(shù)據(jù)，提出一種基于掃描線激光點云空間形態(tài)特征的物料流輪廓自動提取方法，設(shè)計了兩種物料流截面積計算方法，并建立了一種基于面元積分的物料瞬時流量實時測量數(shù)學(xué)模型.最后通過設(shè)計、開發(fā)的帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統(tǒng)對本文測量方法進(jìn)行實驗測試.

1物料瞬時流量激光測量原理

1.1激光測量原理

設(shè)計的物料瞬時流量激光測量系統(tǒng)原理圖如圖1所示.系統(tǒng)采用1臺二維激光測距儀采集帶式輸送機水平高速運行下物料流表面三維激光點云數(shù)據(jù)，融合速度傳感器轉(zhuǎn)換的位移信息后經(jīng)物料瞬時流量計算算法實現(xiàn)物料瞬時流量精準(zhǔn)、高效計量.為方便獲取被測物料流表面散亂激光點云，激光測距儀選擇在帶式輸送機水平段高h(yuǎn)處安裝，并使其垂直向下對準(zhǔn)物料，讓物料流通過方向與激光掃描截面保持垂直.因二維激光測距儀是基于飛行時間差原理，將測量的內(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間差Δtik，精確轉(zhuǎn)換為激光扇面與被測目標(biāo)輪廓間二維距離值（lik=c·Δtik/2， c為光速）.因此，通過激光測距儀獲取的物料流截面每幀掃描數(shù)據(jù)包括2個參數(shù)：輪廓上任意點Mik相對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)物料流瞬時流量計算，需要對激光每幀掃描散料截面輪廓各特征點數(shù)據(jù)進(jìn)行二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)計算示意圖如圖2所示.

1.2基于面元積分的物料瞬時流量計算數(shù)學(xué)模型

散貨碼頭帶式輸送機輸送量通常由物料瞬時流量和累計流量表征.其中物料流瞬時流量通常定義為物料瞬時載荷與輸送帶瞬時速度的乘積[12]，而物料瞬時載荷實質(zhì)是單位時間T內(nèi)通過某流通截面的質(zhì)量，即物料密度乘以單位時間內(nèi)物料流通截面的體積.因此，為準(zhǔn)確計算物料瞬時流量，建立精確的單位時間內(nèi)物料流通截面體積計算模型是關(guān)鍵.目前，針對不規(guī)則料場或煤堆體積測量通常采用TIN （triangulated irregular network）三角網(wǎng)建模思想，將激光離散點數(shù)據(jù)三角化后形成互不相交、互相鄰近若干三棱柱，通過累加直三棱柱體積值后得出料場堆料的體積.因該方法計算步驟繁瑣、計算工作量巨大，再加上近年來研制的激光測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)模型計算物料瞬時流量.

2物料瞬時流量測量算法

2.1物料流輪廓邊界自動提取

受散料揚塵、輸送帶垂直波動、尖角礦石鏡面反射、遮擋等因素影響，物料流激光測量數(shù)據(jù)存在一定的系統(tǒng)誤差和隨機誤差.因此，為精確提取物料流輪廓和后續(xù)瞬時流量快速、精確計算，需要對物料流點云進(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物料流輪廓激光點云位于掃描線中間區(qū)域，對稱分散于帶寬中點左右，且中間區(qū)域物料掃描點Z坐標(biāo)值較大，并依次向Y軸左右兩邊呈緩慢減小趨勢（相鄰兩掃描點Z坐標(biāo)間差值較小）；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Z坐標(biāo)變化相對平緩，但同物料相比變化趨勢相反；④采集支架、輸送機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）.再采用移動窗口法對每幀掃描曲線從中間往兩端逐點分析連續(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)行非物料點剔除.濾波算子由3個窗口組成，窗口1用來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用來進(jìn)一步約束窗口1所確定的物料輪廓范圍.通過設(shè)置Z坐標(biāo)差值閾值Δz

2.2物料流截面積計算

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

3實驗結(jié)果與分析

3.1帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統(tǒng)

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

3.2實驗結(jié)果與分析

為檢驗本文測量方法精確性和有效性，將開發(fā)的帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統(tǒng)架設(shè)于港口裝卸技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室散貨碼頭物流裝備與物流自動化實驗平臺1#堆場帶式輸送機水平段（帶寬b=200 mm，運量Q=1.5 t/h，安川A1000變頻器驅(qū)動，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，通過物料流激光數(shù)據(jù)采集與處理軟件實測帶式輸送機通過物料的瞬時流量值.實驗被測物料為細(xì)干河沙，為排除物料密度對測量精度的影響，通過標(biāo)準(zhǔn)容器升測量方式檢驗激光掃描測量物料瞬時體積流量精度.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)容積升時物料體積流量激光測量值.表1為重復(fù)測量同標(biāo)準(zhǔn)物料體積10次后去除最大、最小值測量結(jié)果.

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

圖8中看出，激光測量值與人工測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)測量誤差主要來源于：1）帶速測量誤差：由于帶式輸送機水平運輸過程中輸送帶垂直、水平振動較大，同時可能出現(xiàn)輸送帶與傳動滾筒間打滑，使得部分輸送帶部分行走距離未被速度傳感器檢測，使得測量長度偏短、測量結(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流量計算模型假設(shè)2幀時間內(nèi)物料流面積與前幀面積相同，因此引入誤差.3）實驗測量誤差：測量方法不完善、測量者對儀器使用不當(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流量計算模型，通過設(shè)計合理實驗驗證方式，切實、有效提高帶式輸送機物料瞬時流量激光掃描測量精度、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物料瞬時流量測量方法.采用單臺激光測距儀設(shè)計了一種可三維激光點數(shù)據(jù)采集的光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了高帶速帶式輸送機物料瞬時流量測量.

2）設(shè)計了一種面元積分的物料瞬時流量計算模型.結(jié)合設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)采集帶式輸送機物料流三維激光點云，采用該算法對單位時間內(nèi)物料瞬時流量進(jìn)行計算，獲取物料流瞬時流量大小.

3）實驗結(jié)果表明，設(shè)計的基于激光掃描的帶式輸送機物料瞬時流量測量系統(tǒng)在測量帶寬為200 mm槽型帶式輸送機在帶速0.5～1.5 m/s下物料流瞬時流量時，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、測量精度高、實時性強，具有較強適用性和可靠性，有助于為港口高帶速帶式輸送機自適應(yīng)節(jié)能控制技術(shù)提供實時、精確的數(shù)據(jù)來源.

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