CN104132699A - 一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，获得每帧物料流截面轮廓采集点数据和带速数据；根据采集点数据和带速数据三维坐标；通过三角网构建方法获得的相邻帧之间的物料流量，得到单位时间的瞬时流量；计算激光扫描仪扫描物料与扫描空载皮带之间的面积差求得物料流截面积，计算激光扫描仪在物料传输中每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与物料流截面轮廓围成的面积R，得到每帧物料流截面积；获得第k帧物料流截面面积分布误差修正系数；计算修正后的物料流截面面积。本发明结构简单、自动化程度高、实时性强，不受粉层、天气、光线等外界环境对物料分布测定的影响。

Description

一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法

技术领域

本发明涉及物料在线检测领域，具体涉及一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，适用于传输物料参数的检测。 

背景技术

在煤矿、金属矿、水泥和粮食等散料连续输送领域，物料运行状态需要得到严格有效地监测，否则极易影响带式输送机系统正常运行，甚至导致系统零部件破坏和系统运行效率降低，从而造成巨大的经济损失。如物料在落料点处易发生局部聚集现象，该现象会直接导致输送带磨损或张裂。另外，当带式输送机系统输送带上物料分布不均或载荷较轻时，系统几乎约有40％的运行能耗被白白浪费。这不仅影响了带式输送机散料输送能效水平，而且大大增加了企业散料运输的运行成本。 

物料瞬时流量是物料运行状态的主要参数。在线检测物料流量，提高测量精度的方法很多，目前在工程中应用于带式输送机物料瞬时流量检测较为常用的方法有电子皮带秤和核子秤。其中电子皮带秤是根据压力测量原理计量单位段内物料流通质量，测量精度精度高，但易受称重传感器、带速传感器硬件精度的影响。核子秤利用辐射能量通过被测物料时存在衰减的特性而实现测量，测量精度较高，但因维护成本高、结构复杂、难调整、易变形，以及辐射能量对人体健康存在严重损害而较少应用。近年来，基于光学测量技术的物料流量非接触测量装置是一种提高测量精度、消除测量误差的有效途径，一般多采用机器视觉或激光扫描方式，见文献“①～③”(①中国实用新型专利CN202956334U，《视频图像物料检测装置》；②中国发明专利CN101216337A，《谷物流量实时试验测定装置及方法》；③中国发明专利CN103335680A，《一种固态物料输送的流量测量方法及其系统》)。采用机器视觉方法的优点是可通过摄像头、视频采集器、显示器和图像采集器实时准确检测物料流种类及状态，但识别准确性目前受高粉层露天环境下影响较大。而采用激光扫描技术可有效避免视觉技术受粉层环境限制的缺点，通过激光传感器扫描单位时间内物料流轮廓激光点云数据测算输送带上物料流瞬时流量。 

国内外虽已研制出带式输送机物料瞬时流量测量装置，但都不具备消除物料状态分布误差功能。要使物料瞬时流量测量值不受物料分布状态(不均匀、断续)等因素影响，需具备物料分布状态实时在线检测和误差修正功能。目前仅有针对放射性仪表被测物料分布非线性测量误差研究，见文献“④”(④王军亮，张新国，马义德.放射性仪表被测物料分布非线性测量误差研究[J].甘肃科学学报，1999，11(3)：44-47.)针对激光检测物料瞬时流量分布误差测定方法尚无研究，因此，探索一种精度高、不受运行工况影响的高精度实时在线带式输送机物料流分布误差消除方法，并将其应用于激光扫描式散状物料瞬时流量检测系统中，将具有很强的实用价值。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，实现实时测量物料瞬时流量并消除物料分布误差实现在线带式输送机物料瞬时流量精准检测。 

一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，包括以下步骤 

步骤1、通过激光扫描仪获得每帧物料流截面轮廓采集点数据和带速数据； 

步骤2、根据每帧物料流截面轮廓采集点数据和带速数据建立每帧物料流截面轮廓采集点数的三维坐标； 

步骤3、相邻帧之间通过三角网构建方法获得的相邻帧之间的物料流量，计算单位时间T内所有相邻帧之间的物料流量，得到单位时间T的瞬时流量P(T)； 

步骤4、计算激光扫描仪在物料空载时每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与空载皮带所围成的面积W，计算激光扫描仪在物料传输中每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与物料流截面轮廓围成的面积R，得到每帧物料流截面积为S(k)＝W-R，其中k为第k帧； 

步骤5、根据如下公式获得第k帧物料流截面面积分布误差修正系数γ_k： 

${\mathrm{\γ}}_k=\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\λ}}_k}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λk}}}$

其中： 为第k帧物料流轮廓上所有相邻点的直线距离的平均值，λ_ak为第k帧物料流轮廓上第a个采集点与第k帧物料流轮廓上第a+1个采集点之间的直线距离，M为第k帧物料流轮廓上采集点的个数， 

步骤6、计算修正后的物料流截面面积S′(k)＝S(k)(1+γ_k)。 

一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，还包括以下步骤： 

步骤7、根据以下公式计算物料瞬时流量修正系数δ_T

${\mathrm{\δ}}_T=\frac{1}{C.V}$

$C.V=\frac{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(S^{\′}\left(k\right)-\stackrel{\‾}{S^{\′}\left(k\right)})}^2}/(N-1)}{\stackrel{\‾}{S^{\′}\left(k\right)}}\×100\%$

其中，S′(k)为修正后的第k帧物料流截面面积，为单位时间T内所有N帧修正后的物料流截面面积的平均值， 

步骤8、通过γ_k和δ_T求得修正后的物料瞬时流量，基于以下公式： 

$P^{\′}\left(T\right)=\mathrm{\ρ}[\underset{i=1}{\overset{\left[2(M-1)(N-1)\right]}{\mathrm{\Σ}}}V\left(i\right)+{\mathrm{\δ}}_T(\frac{1}{f_{\mathrm{speed}}}\·\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S\left(k\right)\·(1+{\mathrm{\γ}}_k)\·v\left(k\right))]$

式中，P′(T)为修正后的单位时间T内物料流瞬时流量；ρ为物料堆积密度；V(i)为物料流三维轮廓单位时间T内第i个小三角柱体积；M为激光扫描仪每帧扫描点数；N为每单位时间T内激光扫描仪扫描帧数；S(k)为第k帧物料流截面轮廓与皮带间围成的面积；v(k)为激光扫描仪扫描完第k帧截面轮廓时的带速值，γ_k为第k帧物料面积分布误差修正系数，δ_T为单位时间T内的物料瞬时流量修正系数。 

如上所述步骤4中计算激光扫描仪在物料传输中每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与物料流截面轮廓围成的面积R的获得基于以下公式： 

$\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ik}}\·l_{(i+1)k}\sin {\mathrm{\Δ\β}}_{\mathrm{ir}}$

其中，l_ik为有物料时激光扫描物料表面轮廓第i个扫描点与扫描中心之间的距离，l_(i+1)k为有物料时激光扫描物料表面轮廓第i+1个扫描点与扫描中心之间的距离，Δβ_ir为物料表面轮廓第i个扫描点与扫描中心确定的直线和物料表面轮廓第i+1个扫描点与扫描中心确定的直线的之间的夹角。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

本发明弥补国内尚无高精度实时在线带式输送机物料流分布误差消除系统的现状。该装置系统结构简单、自动化程度高、实时性强，不受粉层、天气、光线等外界环境对物料分布测定的影响。纵观国内现有的物料状态检测领域的检测系统和设备，本发明所提的设计目标尚无单位实现。 

附图说明

图1是本发明方法所采用系统的结构示意图。其中有带式输送机13(槽式或平直式，含驱动电机、托辊14等基本配置)，激光扫描仪1，直流稳压电源2，串口处理器3，服务器4，测速传感器9，单片机6，GSM模块7、8，监控器10，料位检测开关11和具备物料瞬时流量测量及分布误差消除功能的上位机5。激光扫描仪1固定安装于可调支架上横梁中心位置，摆放于带式输送机水平输送段，使激光扫描仪1垂直向下对准散状物料12，并使物料流通方向垂直通过激光扫描扇面。支架高度和宽度可依据带式输送机系统结构参数调节。激光扫描数据可由串口处理器3发送至以太网实现远程传输。测速传感器9固定在带式输送机上行托辊中心轴上，与托辊同轴旋转，可选距物料流截面轮廓模块就近位置处上行托辊安装。带速数据由单片机6采集并经由GSM/GPRS模块传输至远程上位机。散状物料为粒度较小的细颗粒物料，反射率强的物料适用效果更好。物料料位检测模块在物料前行至激光扫描扇面前某一位置安装，与物料流轮廓截面检测模块相隔一段距离。上位机5根据检测系统测量数据，实时计算物料瞬时流量并消除物料分布误差后，实现在线物料瞬时流量精准检测。 

图中：1-激光扫描仪；2-直流稳压电源；3-串口处理器；4-服务器；5-上位机；6-单片机；7-第一GSM模块；8-第二GSM模块；9-测速传感器；10-监控器；11-料位检测开关；12-散装物料；13-带式输送机；14-托辊。 

图2是本发明方法所采用的系统中的激光扫描式散状物料流状态检测部分的结构图。其中包含带速检测模块(测速传感器、测速控制器、GSM/GPRS模块)、物料流截面轮廓检测模块(激光扫描仪、串口处理器、激光数据采集控制器)和物料料位检测模块(料位检测开关、料位检测控制器)。测速传感器与上行托辊固定连接，测速控制器(单片机或FPGA)用于采集测速传感器数据并控制GSM/GPRS模块远程传输。激光扫描仪为二维激光测距仪，由采集软件控制器控制激光扫描仪开始/停止采集，实现激光数据采集。物料检测开关信号与激光数据采集控制器相连，用于触发物料流轮廓截面激光点云数据采集。 

图3是本发明方法的流程示意图。 

图4(a)是本发明中修正前激光扫描式散状物料瞬时流量测量原理示意图。 

图4(b)是三角法测量的原理示意图，其中H_(a-1)k(x_k,y_k(a-1),z_k(a-1)),H_ak(x_k,y_ka,z_ka)代表第k帧相邻两点，H_(a-1)(k+1)(x_(k+1),y_(k+1)(a-1),z_(k+1)(a-1)),H_(a)(k+1)(x_(k+1),y_(k+1)a,z_(k+1)a)代表第k+1帧相邻两点。根据三角网Delaunay算法四个点可围成两个三角形。 

图5是本发明方法中物料流截面面积计算原理示意图。H_ak、H_ik、H_lk、H_nk代表激光扫描仪1扫描物料流第k帧截面轮廓中的四个点(简称为轨迹点)。l_ak、l_ik、l_lk、l_nk代表激光扫描仪所测扫描中心点与这四个点间的距离。O′为激光扫描仪激光发射点。β_ak,β_ik,β_lk,β_nk为这四个点与水平线的夹角。输送带在运行过程中，激光扫描仪每扫描一帧，即可得到扫描角度范围内输送带上截面轮廓激光点云数据。由于每两个扫描点间夹角很小，可近似认为轮廓上两采集点间连线为线性，因此可通过累积每相邻两个扫描点与激光扫描仪中心围成的三角形面积得到激光扫描扇面面积。计算空载输送带扫描截面扇面面积后，与物料流扫描截面扇面面积做差值，即可得到每帧物料流截面面积。 

图6是本发明方法中物料分布状态在线实时测定原理简图。激光扫描仪1扫描频率设置好后，恒速测量输送带或物料轮廓采集点与扫描中心间距离。激光扫描仪每扫描一帧，计算出扫描中心与被测轮廓间扇面面积一次，此时通过控制器可算出当前帧物料流截面的面积。由于A位置固定，且A扫描频率均匀，因此面积输出频率一定。采用基于几何代数的方法，计算出每帧物料流截面分布均匀度，并用α来表征面积修正系数。提取单位时间T内计算出的物料流截面面积，设帧数为N。T时间内，随着输送带不断移动，物料流截面面积S及α均在不断变化，采用变异系数和相关性分析，通过β来表征单位时间内均匀度变化修正系数。 

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。 

一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除系统，该系统包括上位机，上位机包括物料流截面 轮廓检测模块、物料料位检测模块、带速检测模块以及具备物料分布状态测算模块。 

物料流截面轮廓检测模块由物料料位检测模块提供采集启动信号，通过二维激光扫描仪实时检测输送带前行过程中物料流通过激光扫描扇面的截面轮廓，实现带式输送机物料流轮廓三维激光点云数据实时采集。 

物料料位检测模块距离物料轮廓检测模块一定位置安装，用于实时检测物料流沿输送带运行方向起始端或结束端到达时刻，以便及时触发物料轮廓检测模块开始或停止采集，实现物料轮廓检测模块低功耗、高效在线实时采集。 

带速检测模块用于实时检测带式输送机输送带运行速度，并实时传输至上位机。 

上位机首先根据物料料位检测信号实时控制物料轮廓检测模块开始或停止采集，然后根据物料轮廓检测模块采集的三维激光点云数据以及带速检测数据，通过物料分布状态测算方法实现带式输送机物料分布状态在线实时测定。 

物料流截面轮廓检测模块包括激光扫描仪、直流稳压电源、串口服务器、可调节支架。以空载输送带作为测量基准，根据物料流截面轮廓激光测量数据(激光扫描仪激光发射中心与物料轮廓上的点之间距离、激光扫描仪激光发射中心与物料轮廓上的点间连线和水平线间的夹角)实时转换成物料流截面轮廓激光点移动轨迹，并分析物料流瞬时分布情况，以便进行带式输送机物料分布状态在线实时测定及物料瞬时流量误差修正。本发明结构简单、安装方便、检测精度高、实时性强，可弥补国内尚无高精度实时在线带式输送机物料流分布误差消除系统的现状。 

一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除系统能够根据料位状态控制激光扫描仪工作，并实时融合物料流截面轮廓数据及带速数据计算物料流瞬时流量，依据物料分布状态测定方法准确修正物料分布误差。激光扫描仪实时检测物料流在水平输送过程中表面轮廓激光点云数据，通过以太网方式远程传输至上位机。激光扫描仪可采用精度较高的二维激光测距仪。为减少输送带空载时激光检测的数据量，在输送带前行反方向靠物料流截面轮廓检测模块一定距离处设置物料料位检测模块，用于触发激光扫描仪启动或停止扫描。测速传感器与输送带上行托辊中心轴固定连接，同轴旋转。系统运行过程中，托辊靠与输送带间摩擦力跟随托辊同步旋转，并不断检测带式输送机带速，从而得到输送带单位时间内前行距离。带速检测模块将数据实时通过GSM/GPRS模块发送至远程上位机。上位机融合物料流截面轮廓激光点云数据和带速数据计算物料流瞬时流量，同时得到物料流表面轮廓三维分布坐标。测定单位长度内物料流分布状态，得到物料流分布误差修正参数，从而消除带式输送机物料瞬时流量中物料分布误差，保证激光扫描式散状物料流量检测的精度和准确度。上位机采用工控机作为本体，与物料流截面轮廓检测模块、物料料位检测模块、带速检测模块网络连接，实时计算物料瞬时流量并消除物料分布误差实现在线带式输送机物料瞬时流量精准检测。 

以单托辊式或槽式带式输送机为例，如图1所示。其中有带式输送机(槽式或平直式，含驱动电机、 托辊等基本配置)，激光扫描仪1，直流稳压电源2，串口处理器3，服务器4，测速传感器9，测速控制器(单片机或FPGA)6，GSM模块7、8，监控器10，料位检测开关11，上位机5(含物料流截面轮廓激光检测、带速检测、料位检测及分布误差修正等功能于一体的物料瞬时流量测量及分布误差消除软件)。激光扫描仪1固定安装于可调支架上横梁中心位置，摆放于带式输送机水平输送段，使激光扫描仪1垂直向下对准散状物料，并使物料流通方向垂直通过激光扫描扇面。支架高度和宽度可依据带式输送机系统结构参数调节。可调支架底轮可通过嵌入距输送带纵向方向两边一定距离的平行导轨来保持激光扫描扇面与输送带正交，并采用水准仪、平面仪来保证激光扫描物料轮廓精度。激光扫描数据可由串口处理器3发送至以太网实现远程传输。测速传感器9固定在带式输送机上行托辊中心轴上，与托辊同轴旋转，可选距物料流截面轮廓模块就近位置处上行托辊安装。带速数据由测速控制器(单片机或FPGA)6采集并经由GSM/GPRS模块传输至远程上位机。散状物料为粒度较小的细颗粒物料，反射率强的物料适用效果更好。物料料位检测模块在物料前行至激光扫描扇面前某一位置安装，与物料流轮廓截面检测模块相隔一段距离。上位机5根据检测系统测量数据，经物料瞬时流量测量及分布误差消除软件实现实时在线物料瞬时流量精准检测。 

如图2所示，包含带速检测模块(测速传感器、测速控制器、GSM/GPRS模块)、物料流截面轮廓检测模块(激光扫描仪、串口处理器、激光数据采集控制器)和物料料位检测模块(料位检测开关、料位检测控制器)。测速传感器与上行托辊固定连接，测速控制器(单片机或FPGA)用于采集测速传感器数据并控制GSM/GPRS模块远程传输。激光扫描仪为二维激光测距仪，由采集软件控制器控制激光扫描仪开始/停止采集，实现激光数据采集。物料检测开关信号与激光数据采集控制器相连，用于触发物料流轮廓截面激光点云数据采集。 

一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，包括以下步骤 

步骤1：初始化。令激光扫描仪1采集当前帧变量k＝1，i＝1,2,…,N，N为激光扫描仪1在单位时间T内采集截面轮廓数量，由单位时间T和激光扫描仪频率f_speed确定其大小(N＝T·f_speed)；从带速检测模块和料位检测模块获取带速和物料流到达或离开时刻； 

步骤2：启动激光扫描仪1工作后，上位机接收并记录单位时间T内的带速数据和物料流截面轮廓信息数据； 

步骤3：将带速数据和物料流截面信息数据融合，得到物料流轮廓三维激光点云数据； 

步骤4：将物料流轮廓三维激光点云数据进行三维直角坐标转换，得到物料流轮廓的三维坐标数据； 

步骤5：根据三角网三维建模方法计算修正前单位时间T内带式输送机物料流过的瞬时流量； 

修正前激光扫描式散状物料瞬时流量测量原理简图如图4(a)、(b)所示。激光扫描仪1扫描频率设置好后，恒速测量输送带或物料轮廓采集点与扫描中心间距离。在图4(a)中，设单位时间T内激光扫描仪1扫描了N帧物料流轮廓截面(N＝T·f_speed)，输送带水平行进过程中，通过激光扫描扇面第k帧物料轮廓截 面距起始帧物料轮廓截面间距离为x_k，即对于第k帧物料轮廓第i个点坐标可定义为H_ik(x_k,y_ki,z_ki)，可根据检测精度需要采用样条插值方法建立辅助点。在图4(b)中，设H_(a-1)k(x_k,y_k(a-1),z_k(a-1)),H_ak(x_k,y_ka,z_ka)为第k帧物料流轮廓截面上相邻两点，H_(a-1)(k+1)(x_(k+1),y_(k+1)(a-1),z_(k+1)(a-1)),H_(a)(k+1)(x_(k+1),y_(k+1)a,z_(k+1)a)为第k+1帧物料流轮廓截面上相邻两点，四个点可围成两个三角形(要求各点作为三角形顶点不超过两次)。 

以此类推，根据三角网Delaunay算法将单位时间T内激光扫描仪扫描的N帧物料流轮廓截面三维散点数据，剖分成不均匀的三角形网格即可生成单位时间T内物料流三维轮廓图。用三角网格算法计算物料流瞬时体积流量，再乘以物料比重即可得到物料瞬时流量。具体为：以H_(a-1)k,H_ak,H_(a-1)(k+1),H_(a)(k+1)四个点为例，可向Z轴垂直延伸为三角柱。可计算各小三角柱的体积。因此根据物料流三维轮廓，累计单位时间T内物料流轮廓各小三角柱的体积之和，即可得到物料流瞬时体积流量。采集点数越多，计算精度越高。假设V(i)为物料流三维轮廓单位时间T内第i个小三角柱体积，P(T)为物料流单位时间T内的瞬时流量，则根据点的坐标，可得物料瞬时流量计算公式为： 

$P\left(T\right)=\mathrm{\ρ}\left[\underset{i=1}{\overset{\left[2(M-1)(N-1)\right]}{\mathrm{\Σ}}}V\left(i\right)\right]---\left(1\right)$

式中，ρ为物料堆积密度；M为激光扫描仪每帧扫描点数；N为每单位时间T内激光扫描仪扫描帧数(N＝T·f_speed,f_speed为激光扫描仪采集频率)。采用上述方法，采用激光扫描仪1与测速传感器9配合，实时检测物料流三维轮廓信息，通过上位机转换成三维坐标后可以实时计算得到修正前的带式输送机散状物料瞬时流量。 

步骤6：输送带在行进过程中，激光扫描仪每扫描一帧，即可得到扫描角度范围内输送带上截面轮廓激光点云数据。计算每帧中激光扫描仪激光发射点与物料流截面轮廓各个采集点围成的的激光扫描扇面面积，以及预先采集的激光扫描仪激光发射点与空载皮带截面轮廓所围成的激光扫描扇面面积。将激光发射点与空载皮带截面轮廓围成的激光扇面面积减去激光发射点与物料流截面轮廓各个采集点围成的激光扇面面积，得到当前帧物料流截面面积，统计单位时间T内N帧的物料流截面面积，即可得到激光扫描仪在单位时间T内扫描的N帧物料流截面面积。 

为分析方便起见，画出物料流截面面积计算原理图如5所示。O′为激光扫描仪激光发射点。H_ak(l_ak,β_ak),H_ik(l_ik,β_ik),H_lk(l_lk,β_lk),H_nk(l_nk,β_nk)分别表示激光扫描仪1扫描第k帧物料流轮廓截面上的第a,i,l及第n个扫描点(简称为轨迹点)。l_ak,l_ik,l_lk,l_nk分别表示激光扫描仪激光发射点O′与这四个点间的距离。β_ak,β_ik,β_lk,β_nk分别为点H_ak、H_ik、H_lk、H_nk与O′间连线与水平线间的夹角。由于激光扫描角分辨率很小Δβ_ir<1°，可近似认为轮廓上两扫描点间连线为线性，因此可通过累积每相邻两个扫描点与激光扫描仪中心围成的三角形面积得到激光扫描扇面面积。计算空载输送带扫描截面扇面面积后，与物料流扫描截面扇面面积做差值，即可得到每帧物料流截面面积。假设物料流轮廓起始点为H_ak(y_ak,z_ak)，终止点为H_nk(y_nk,z_nk)，根据该两点对 应角度θ_ak＝θ+aΔβ_ir和θ_nk＝θ+nΔβ_ir(θ为扫描起始点与扫描中心确定的直线与水平面之间的角度)提取空载时该角度范围内皮带轮廓激光点云数据后，得物料流截面积计算公式： 

$\begin{array}{c}S\left(k\right)=S\left(\mathrm{kk}\right)-S\left(\mathrm{ky}\right)\\ =1/2(\underset{i=a}{\overset{i=(n-1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{\mathrm{ik}}^{\&prime;}\&CenterDot;l_{(i+1)k}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_{\mathrm{ir}}-\underset{i=a}{\overset{i=(n-1)}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{\mathrm{ik}}\&CenterDot;l_{(i+1)k}\sin {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_{\mathrm{ir}})\end{array}---\left(2\right)$

式中，l′_ik为空载时激光扫描皮带轮廓角度为θ_ik的点与扫描中心距离值；l_ik为有物料时激光扫描物料表面轮廓角度为θ_ik的点与扫描中心距离值；S(k)为第k帧物料流轮廓与皮带围成截面积；S(kk)为第k帧提取出角度范围内(θ_ak,θ_nk)空载时皮带轮廓与扫描中心围成的面积；S(ky)为第k帧物料流轮廓与扫描中心围成的面积。 

步骤7：根据每帧物料流轮廓截面上M个激光扫描点的三维坐标，测定各相邻扫描点间的间距，确定M个扫描点间间距标准偏差，计算出每帧物料流截面面积分布误差修正系数γ。假设H_ak(x_k,y_ka,z_ka)、H_(a+1)k(x_k,y_k(a+1),z_k(a+1))为第k帧物料流激光扫描轮廓上的第a和第a+1个点，则这相邻两扫描点间扫描间距λ_ak(a＝1,…,(M-1))可由计算得到。因此，由λ_ak得出M个截距的标准偏差为σ_λk： 

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&lambda;k}}=\sqrt{\frac{1}{(M-1)}\mathrm{\&Sigma;}{({\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ak}}-\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_k})}^2},a=1,...,(M-1)---\left(3\right)$

式中为各截距平均值，进一步物料轮廓截面面积均匀度可表示为 

$\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&lambda;k}}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_k}}=\sqrt{\frac{1}{(M-1)}\mathrm{\&Sigma;}{(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ak}}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_k}}-1)}^2}---\left(4\right)$

第k帧物料流截面面积分布误差修正系数γ_k为 

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_k}}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&lambda;k}}}=1/\sqrt{\frac{1}{M-1}\mathrm{\&Sigma;}{(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ak}}}{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_k}}-1)}^2}---\left(5\right)$

步骤8：激光扫描仪每扫描一帧，计算出扫描中心与被测轮廓间扇面面积一次，此时通过控制器可算出当前帧物料流截面的面积。由于A位置固定，且A扫描频率均匀，因此面积输出频率一定。然后根据当前帧(如第k帧)面积修正系数γ_k修正当前帧(如第k帧)物料流截面面积S(k)，得到修正后的物料流截面面积S′(k)。 

S′(k)＝S(k)(1+γ_k)    (6) 

步骤9：提取激光扫描单位时间T内的N帧物料流截面面积修正数据，采用面积直方图方法统计单位时间T内的N帧物料流截面面积S，采用变异系数分析单位时间内均匀度变异程度，得出物料瞬时流量修 正系数δ_T。如图6物料分布状态在线实时测定原理简图所示，当激光扫描仪扫描频率恒定时，在每个扫描周期T内能获得N帧截面面积数据。采用面积直方图方法统计单位时间T内每相同面积大小的频数，即用横坐标表示单位时间T内N帧物料流截面面积大小，纵坐标表示相同物料流截面面积大小时的频数。则可计算得单位时间T内N帧物料流截面面积变异系数C.V，即 

$C.V=\frac{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(S^{\&prime;}\left(k\right)-\stackrel{\&OverBar;}{S^{\&prime;}\left(k\right)})}^2}/(N-1)}{\stackrel{\&OverBar;}{S^{\&prime;}\left(k\right)}}\&times;100\%---\left(7\right)$

式中，S′(k)为修正后的第k帧物料流截面面积，为N帧修正后的物料流截面面积的平均值 则物料瞬时流量修正系数δ_T为 

${\mathrm{\&delta;}}_T=\frac{1}{C.V}---\left(8\right)$

步骤10：提取步骤5计算的物料瞬时流量值并结合步骤9计算出的系数δ_T对物料瞬时流量值进行修正。为分析方便，根据图6的物料分布状态在线实时测定原理简图，提取单位时间T内计算出的物料流截面面积，设帧数为N。T时间内，随着输送带不断移动，物料流截面面积S及单帧物料面积分布误差修正系数γ均在不断变化。通过将γ和δ带入物料瞬时流量修正公式，可以得到消除物料分布误差的带式输送机物料瞬时流量值(以标准容积升作为基准)。假设f_speed为每单位时间T内激光扫描仪采集频率，γ_k为第k帧物料面积分布误差修正系数，δ_T为单位时间T内的物料瞬时流量修正系数，则经γ_k和δ_T修正后的单位时间T内带式输送机物料瞬时流量计算公式为： 

$P^{\&prime;}\left(T\right)=\mathrm{\&rho;}[\underset{i=1}{\overset{\left[2(M-1)(N-1)\right]}{\mathrm{\&Sigma;}}}V\left(i\right)+{\mathrm{\&delta;}}_T(\frac{1}{f_{\mathrm{speed}}}\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(S\left(k\right)\&CenterDot;(1+{\mathrm{\&gamma;}}_k)\&CenterDot;v\left(k\right))]---\left(9\right)$

式中，P′(T)为修正后的单位时间T内物料流瞬时流量；ρ为物料堆积密度；V(i)为物料流三维轮廓单位时间T内第i个小三角柱体积；M为激光扫描仪每帧扫描点数；N为每单位时间T内激光扫描仪扫描帧数(N＝T·f_speed,f_speed为激光扫描仪采集频率)；S(k)为第k帧物料流截面轮廓与皮带间围成的面积；v(k)为激光扫描仪扫描完第k帧截面轮廓时的带速值，γ_k为第k帧物料面积分布误差修正系数，δ_T为单位时间T内的物料瞬时流量修正系数。 

步骤11：输出当前单位时间T内消除物料分布误差的物料瞬时流量值。同时在上位机物料瞬时流量测量及分布误差消除软件上添加三维可视化模块，可以实时直观显示物料流三维轮廓及瞬时流量值，此时可以通过对特殊流量(物料堆积堵塞、输送带低载等)设定阈值，自动提示操作人员注意并及早做出应急决策(紧急制动、调速节能等)。 

本发明的激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除系统，在用于监测物料堆积状态时，A采集频率可以设置高一些。因为物料在落料点处的局部聚集现象极易造成输送带破坏，有时可造成磨损或张裂，给企业带来较大损失。设置较高的采集频率可以提高散状物料流量检测精度，及早做出预警。在用于输送平稳状态下物料流量审计或带式输送机调速节能控制时，A采集频率可相应设置低些，以降低上位机数据处理量，提高系统实时在线能力。 

Claims (3)

1.一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，其特征在于，包括以下步骤

步骤1、通过激光扫描仪获得每帧物料流截面轮廓采集点数据和带速数据；

步骤2、根据每帧物料流截面轮廓采集点数据和带速数据建立每帧物料流截面轮廓采集点数的三维坐标；

步骤3、相邻帧之间通过三角网构建方法获得的相邻帧之间的物料流量，计算单位时间T内所有相邻帧之间的物料流量，得到单位时间T的瞬时流量P(T)；

步骤4、计算激光扫描仪在物料空载时每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与空载皮带所围成的面积W，计算激光扫描仪在物料传输中每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与物料流截面轮廓围成的面积R，得到每帧物料流截面积为S(k)＝W-R，其中k为第k帧；

步骤5、根据如下公式获得第k帧物料流截面面积分布误差修正系数γ_k：

${\mathrm{\&gamma;}}_k=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&lambda;}}_k}}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&lambda;k}}}$

其中： 为第k帧物料流轮廓上所有相邻点的直线距离的平均值，λ_ak为第k帧物料流轮廓上第a个采集点与第k帧物料流轮廓上第a+1个采集点之间的直线距离，M为第k帧物料流轮廓上采集点的个数，

步骤6、计算修正后的物料流截面面积S′(k)＝S(k)(1+γ_k)。

2.根据权利要求1所述的一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤7、根据以下公式计算物料瞬时流量修正系数δ_T

${\mathrm{\&delta;}}_T=\frac{1}{C.V}$

$C.V=\frac{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(S^{\&prime;}\left(k\right)-\stackrel{\&OverBar;}{S^{\&prime;}\left(k\right)})}^2}/(N-1)}{\stackrel{\&OverBar;}{S^{\&prime;}\left(k\right)}}\&times;100\%$

其中，S′(k)为修正后的第k帧物料流截面面积，为单位时间T内所有N帧修正后的物料流截面面积的平均值，

步骤8、通过γ_k和δ_T求得修正后的物料瞬时流量，基于以下公式：

$P^{\&prime;}\left(T\right)=\mathrm{\&rho;}[\underset{i=1}{\overset{\left[2(M-1)(N-1)\right]}{\mathrm{\&Sigma;}}}V\left(i\right)+{\mathrm{\&delta;}}_T(\frac{1}{f_{\mathrm{speed}}}\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(S\left(k\right)\&CenterDot;(1+{\mathrm{\&gamma;}}_k)\&CenterDot;v\left(k\right))]$

式中，P′(T)为修正后的单位时间T内物料流瞬时流量；ρ为物料堆积密度；V(i)为物料流三维轮廓单位时间T内第i个小三角柱体积；M为激光扫描仪每帧扫描点数；N为每单位时间T内激光扫描仪扫描帧数；S(k)为第k帧物料流截面轮廓与皮带间围成的面积；v(k)为激光扫描仪扫描完第k帧截面轮廓时的带速值，γ_k为第k帧物料面积分布误差修正系数，δ_T为单位时间T内的物料瞬时流量修正系数。

3.根据权利要求1或2所述的任意一种激光扫描式散状物料流量检测及分布误差消除方法，其特征在于，步骤4中计算激光扫描仪在物料传输中每帧扫描的起始角度所在直线和终止角度所在直线与物料流截面轮廓围成的面积R的获得基于以下公式：

$\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{\mathrm{ik}}\&CenterDot;l_{(i+1)k}\sin {\mathrm{\&Delta;\&beta;}}_{\mathrm{ir}}$

其中，l_ik为有物料时激光扫描物料表面轮廓第i个扫描点与扫描中心之间的距离，l_(i+1)k为有物料时激光扫描物料表面轮廓第i+1个扫描点与扫描中心之间的距离，Δβ_ir为物料表面轮廓第i个扫描点与扫描中心确定的直线和物料表面轮廓第i+1个扫描点与扫描中心确定的直线的之间的夹角。