CN102135418A - 一种大型散堆料的体积测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型散堆料的体积测量装置及其方法，装置包括测量装置、测量计算机，以及连接测量装置和测量计算机的通信网络，所述测量装置包括高速单片机、门式堆取料机、安装在门式堆取料机横梁上的测距传感器阵列以及分别与高速单片机相连的数据采集模块、通信模块和运动控制模块。测量时，首先设定测距模块的间隔参数、个数，以及门式堆取料机的步进值，接着，测量计算机发出指令，使门式堆取料机行进至料堆一端的起始位置，单片机扫描每一个测距模块的测量值，完成扫描和数据采样，最后，高速单片机将采集的数据集传输至测量计算机，测量计算机接收到该测量数据集后，执行测算任务和料堆三维图形绘制任务。本测量方法简单、精度高，且可以长时间可靠工作。

Description

一种大型散堆料的体积测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是一种大型散堆料的体积测量装置。

背景技术

对大型不规则散堆物料的体积进行准确测量，多年来一直是一个技术难题。长期以来国内散堆物料的体积(质量)的测量，普遍采用人工量尺的方法进行。其基本工作方式是首先将散堆物料进行整形，然后拉尺测量规则料堆的长、宽、高等基本几何参数，进而计算料堆的体积。但是这一过程中，由于需要人工对料堆进行整形，而且整形往往不是十分精确，水平面是倾斜的，散堆物料各面凹凸不平，采用直尺测量容易造成与实际体积的偏差，直接影响单位物料消耗的准确计算，测量误差较大。而且这种测量方式工作量较大，投入人力、物力较多，实用性很差。

针对大型散堆物料的体积测量中存在的问题和不便，近年来一些新的大型散料堆积物的体积(质量)测量方法不断出现，主要是接触式测量法和非接触式测量方法两种。其中接触式测量方法如重锤法、压力传感器测量法等。非接触法主要有激光成像法、图像测量法等多种间接测量方法。比较流行的是非接触测量方法，目前逐渐由实验论证向实用化发展，取得了一定的效果。

但是新的非接触测量法普遍存在对环境参数要求较高，投资成本高的缺点，而且一般不具备联网和组网功能，不能适用于多个料堆体积的实时测量与分析。本发明提供一种新型的基于非接触测量方法的，能够方便进行测量系统组网和联网的，成本低廉的，测量精度较高的测量技术和具体装置。

发明内容

本发明提供了一种简单实用的大型散堆料的体积测量装置，该装置测量简单、测量精度能够保证，且可以长时间可靠工作。

本发明所采用的技术方案是：一种大型散堆料的体积测量装置，包括测量装置、测量计算机，以及连接测量装置和测量计算机的通信网络，所述测量装置包括高速单片机、门式堆取料机、安装在门式堆取料机横梁上的测距传感器阵列以及分别与高速单片机相连的数据采集模块、通信模块和运动控制模块。

作为本发明的优选实施例，所述测距传感器阵列由均匀安装在门式堆取料机横梁上的超声波测距模块阵列组成；

作为本发明的优选实施例，所述第一个测距模块安装于门式堆取料机一端0.25m处，其余相邻的测距模块间隔0.5m；

作为本发明的优选实施例，所述测距模块安装的个数为门式堆取料机横梁长度的两倍。

根据上述装置，本发明还提供了一种大型散堆料的体积测量方法，首先把整个散堆物料划分为许多底面积相同的小柱体，利用超声波测距测出每个柱体的高度，然后根据划分的小柱体规格事先确定每一个小柱体的底面积，接着计算出这个小柱体的体积，再将所有小柱体的体积进行累加即可得到整个料堆的体积。

根据上述装置，本发明还提供了一种大型散堆料的体积测量方法，包括以下步骤：

步骤1：设定门式堆取料机横梁上安装测距模块的间隔参数、个数，以及门式堆取料机行进的步进值；

步骤2：测量计算机向测量装置发出测量指令；

步骤3：测量装置的高速单片机接收到测量指令后，通过运动控制模块使得门式堆取料机行进至料堆一端的起始位置；

步骤4：高速单片机依次扫描安装在门式堆取料机横梁上每一个测距模块的测量值，完成一次扫描和数据采样；

步骤5：高速单片机按照设定的门式堆取料机步进值，通过运动控制模块控制门式堆取料机移动到下一个采样位置，重复执行步骤4，依此类推，直至门式堆取料机行进至料堆的另外一端；

步骤6：高速单片机将采集的数据集通过通信接口和无线通信网络传输至测量计算机；

步骤7：测量计算机通过通信接口接收来自测量装置的测量数据集，执行测算任务和料堆三维图形绘制任务。

作为本发明的优选实施例，所述步骤4中，在一次扫描采样中对于每一个测距模块执行多次采集，求取平均值后以此作为最后采样值。

本发明大型散堆料的体积测量装置及其方法至少具有以下优点：本发明利用超声波测距模块组合阵列和微体积分割计算方法，提供了一种性价比较高的散堆物料体积测量装置，可以快速、准确地测量大型散堆物料体积，改变目前散堆物料体积测量的工作现状，实现测量的自动化，且计量准确度大为提高，把测量工作从繁重的劳动中解放出来，使得工作人员可以在计算机上随时开展测量工作以及浏览查询测量结果数据、料堆的三维图形结果，为企业进行经济核算提供科学依据。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图；

图2是本发明测量装置的示意图；

图3是本发明测量计算机任务处理程序流程图；

图4是本发明测量装置任务处理程序流程图。

具体实施方式

测量原理：测量机构把整个散堆物料划分为许多底面积相同的小柱体，利用超声波测距技术测出每个柱体的高度，根据划分的小柱体规格可以事先确定每一个小柱体的底面积，就可计算出这个小柱体的体积，再将所有小柱体的体积进行累加即可得到整个料堆的体积。于是小柱体的底面积的确定、小柱体的高度测量就成为测量的关键之处。一般情况下，大型散堆物料都配属有门式堆取料机或龙门吊车，其宽度一般正好跨越料堆，一次全行程运动，也正好覆盖料堆的长度，所以在门式堆取料机横梁上按照w的间隔安装超声波测距模块，门式堆取料机按照指定的行进间隔s运动一次，每一个超声波测距模块采集一次对应位置料堆的垂直高度Hi，这样就可以将散堆物料划分为w*s*Hi的小柱体，当门式堆取料机一次全行程运动，就可以将料堆扫描一次，获取划分小柱体的所有长宽高参数，累加所有小柱体的体积，就可得到料堆体积的计量结果。

请参阅图1所示，本发明大型散堆料的体积测量装置包括测量装置、测量计算机，以及连接测量装置和测量计算机的通信网络。

所述测量装置包括高速单片机、门式堆取料机、安装在门式堆取料机横梁上的测距传感器阵列、与高速单片机相连的数据采集模块、通信模块，以及运动控制模块；

所述测距传感器阵列由均匀安装在门式堆取料机横梁上的超声波测距模块阵列组成，用于测量对应位置下方料堆垂直高度的采样。假设门式堆取料机横梁长度为L，第一个测距模块安装于门式堆取料机一端0.25m处，其余相邻的测距模块间隔0.5m，总共安装2L个测距模块，如此，将料堆划分为2L个长方体。

数据采集模块，用来测量门式堆取料机横梁测距模块至散堆物料表面的垂直高度h，设定门式堆取料机横梁至地面水平的高度H，则H-h就是测距模块对应的划分小柱体的高度，高速单片机通过数据采集模块完成对于2L个测距模块的一次扫描和数据采集。

运动控制模块由高速单片机控制，对于门式堆取料机的行进进行计算机控制。高速单片机通过运动控制模块控制门式堆取料机驱动电机按照指定的步进值间歇式前进，每一次门式堆取料机的步进，由单片机控制数据采集模块采集2L个测距模块的测量数据，得到2L个划分小柱体的一次基本数据采样值——由测距模块得到2L个小柱体的高度，柱体底面宽度为0.5m，长度就是门式堆取料机一次步进值。所述门式堆取料机的一次步进由高速单片机控制运动控制模块，驱动电机运动，步进值可调整，也可确定一次步进0.5m的固定距离。

通信模块，是高速单片机和测量计算机连接的纽带。测量装置通过通信模块获取来自测量计算机的测量指令，通知高速单片机开始执行测量任务；高速单片机采集的数据通过通信模块传输给测量计算机，完成料堆体积的测算和料堆三维图形的绘制，完成测量任务。

高速单片机是测量装置的核心模块，接收测量计算机指令，控制门式堆取料机按照指定步进值行走，每一次行进，扫描并采集传感器阵列数据，并将多次扫描的采集结果进行均值化处理，得出一次采集的数据集，将数据按照规定协议发送到测量计算机。

通信网络为无线通信网络；测量计算机为工业PC以及相应的软件系统。

所述测量计算机通过无线通信网络和测量装置连接，构成网络化测量系统，测量计算机向测量装置发送测量动作指令，并接收测量结果数据，分析、处理测量结果数据，显示最终测量结果。所述测量计算机通过本机通信接口连接无线通信模块，形成无线通信网络。测量装置通过高速单片机和无线通信接口连接，接入通信网络。

本发明装置工作时，首先按照图2所示的结构构建测量装置，然后按照图1所示的结构示意图连接系统硬件各单元，构建测量装置和测量计算机的无线通信网络，最后按照图3、图4分别编制测量计算机和测量装置程序，完成测量和控制。

本发明提供的测量装置对于散堆物料测量结果的精度取决于超声波测距装置在门式堆取料机横梁上的分布间隔宽度参数w和门式堆取料机在执行测量任务中步进值大小参数s。其中，测距模块之间的间隔越小，门式堆取料机步进值越小，测量精度也就越高，但是精度越高，测距传感器阵列就越庞大，数据线路、控制线路就越复杂，通信负载也就越大，系统的稳定性就要提出更高要求，必然导致装置成本的大幅度上升，一般可以在容许的误差范围之内，做出合理的传感器安装位置间隔参数，在本发明装置中，所述超声波测距装置在门式堆取料机横梁上的分布间隔宽度参数w取0.5m，门式堆取料机在执行测量任务中步进值大小参数s取0.5m。

在测量之前，首先按照测量精度要求，设定门式堆取料机横梁上安装测距模块的间隔参数、个数，以及门式堆取料机行进的步进值。开始工作时，按照以下步骤执行：

步骤1：由测量计算机向测量装置发出测量指令；

步骤2：测量装置的高速单片机接收到测量指令后，首先通过运动控制模块使得门式堆取料机行进至料堆一端的起始位置；

步骤3：接着，高速单片机依次扫描安装在门式堆取料机横梁上每一个测距模块的测量值，完成一次扫描和数据采样，由于考虑到测距模块的稳定性，一般在一次扫描采样中对于每一个测距模块都执行多次采集求取平均值以作最后采样值；

步骤4：接着，高速单片机按照设定的门式堆取料机步进值，通过运动控制模块控制门式堆取料机移动到下一个采样位置，执行步骤3，依此类推，直至门式堆取料机行进至料堆的另外一端；

步骤5：再接着，高速单片机将采集的数据集通过通信接口和无线通信网络传输至测量计算机；

步骤6：最后，测量计算机通过通信接口接收来自测量装置的测量数据集，执行测算任务和料堆三维图形绘制任务。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种大型散堆料的体积测量装置，其特征在于：包括测量装置、测量计算机，以及连接测量装置和测量计算机的通信网络，所述测量装置包括高速单片机、门式堆取料机、安装在门式堆取料机横梁上的测距传感器阵列以及分别与高速单片机相连的数据采集模块、通信模块和运动控制模块。

2.如权利要求1所述的大型散堆料的体积测量装置，其特征在于：所述测距传感器阵列由均匀安装在门式堆取料机横梁上的超声波测距模块阵列组成。

3.如权利要求2所述的大型散堆料的体积测量装置，其特征在于：所述第一个测距模块安装于门式堆取料机一端0.25m处，其余相邻的测距模块间隔0.5m。

4.如权利要求3所述的大型散堆料的体积测量装置，其特征在于：所述测距模块安装的个数为门式堆取料机横梁长度的两倍。

5.根据权利要求1所述的大型散堆料的体积测量方法，其特征在于：首先把整个散堆物料划分为许多底面积相同的小柱体，利用超声波测距测出每个柱体的高度，然后根据划分的小柱体规格事先确定每一个小柱体的底面积，接着计算出这个小柱体的体积，再将所有小柱体的体积进行累加即可得到整个料堆的体积。

6.根据权利要求1所述的大型散堆料的体积测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设定门式堆取料机横梁上安装测距模块的间隔参数、个数，以及门式堆取料机行进的步进值；

步骤2：测量计算机向测量装置发出测量指令；

步骤3：测量装置的高速单片机接收到测量指令后，通过运动控制模块使得门式堆取料机行进至料堆一端的起始位置；

步骤4：高速单片机依次扫描安装在门式堆取料机横梁上每一个测距模块的测量值，完成一次扫描和数据采样；

步骤5：高速单片机按照设定的门式堆取料机步进值，通过运动控制模块控制门式堆取料机移动到下一个采样位置，重复执行步骤4，依此类推，直至门式堆取料机行进至料堆的另外一端；

步骤6：高速单片机将采集的数据集通过通信接口和无线通信网络传输至测量计算机；

步骤7：测量计算机通过通信接口接收来自测量装置的测量数据集，执行测算任务和料堆三维图形绘制任务。

7.根据权利要求6所述的大型散堆料的体积测量方法，其特征在于：所述步骤4中，在一次扫描采样中对于每一个测距模块执行多次采集，求取平均值后以此作为最后采样值。

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