CN104279955A - 一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测绘方法，包括如下步骤：⑴通过在煤堆正上方采用激光测距，测得煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离为h，采集点与煤堆所在地面水平面直线距离为H，由此得到煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离z＝H-h，同时通过GPS定位模块得到采集点水平坐标x和y；⑵重复步骤⑴得到多个煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离以及水平坐标，通过对多个煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离得到多个煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离，由此描绘煤堆俯视图轮廓；⑶通过对多个煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离与多个采集点水平坐计算煤堆的近似体积。本发明能适合多种环境下的测量，可实现大面积区域的测量。

Description

一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法

技术领域

本发明属于无人机测绘领域，涉及火电厂盘煤测算，尤其是一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法。

背景技术

随着火电厂机组的扩大和煤价的提高，盘煤越来越成为发电企业不可缺少的一个环节，而目前火电厂的盘煤技术主要依赖于进电厂时过磅称重的方式和人工采用激光扫描仪对煤堆形体轮廓的扫描的方式。然而前者存在原理性误差，通过计量流入电厂的煤炭和消耗的煤炭的差值来计算存煤量，但在长时间囤煤过程中因各种原因损失的煤量就不得而知。后者需要操作人员匀速挪动激光扫描仪，对操作人员的技术熟练性和操作稳定性有较高的要求,无法克服局部深凹区域对煤堆体积计算误差的影响,受气候的影响较大，费时费力，自动化程度较低，与现代火电厂生产管理水平极不相称。

经检索，发现一篇与盘煤测算技术相关的专利文献，公开为CN1687700A的中国专利提供了一种立体视觉盘煤方法，采用双目摄像头对煤堆进行三维扫描，方法虽然新颖，但是火电厂煤堆巨大，双目摄像头价格昂贵，而且需要安装精度很高。电厂户外环境复杂，维护困难，这与本专利提供的盘煤测绘装置有较大区别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种测算精度较高基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，包括如下步骤：

⑴通过在煤堆正上方采用激光测距，测得煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离为h，采集点与煤堆所在地面水平面直线距离为H，由此得到煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离z＝H-h，同时通过GPS定位模块得到采集点水平坐标x和y；

⑵重复步骤⑴得到多个煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离以及水平坐标，通过对多个煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离得到多个煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离，由此描绘煤堆俯视图轮廓；

⑶通过对多个煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离与多个采集点水平坐计算煤堆的近似体积。

而且，步骤⑵所述的多个煤堆正上方采集点的激光测距以及GPS定位通过四轴飞行器实施，四轴飞行器飞行轨迹为遍历煤堆表面轮廓。

而且，所述四轴飞行器包括四轴飞行器和四轴飞控板，在四轴飞行器上安装有四轴飞控板，所述四轴飞控板上安装有主控芯片、GPS定位模块、陀螺仪惯性导航模块、激光测距模块、显示模块以及SD卡模块，GPS定位模块用于采集四轴飞行器的经纬度值，陀螺仪惯性导航模块用于采集四周飞行器进行辅助水平定位，GPS定位模块以及激光测距模块的输出端分别与主控芯片输入端连接，主控芯片输入端连接有陀螺仪惯性导航模块，用于对四周飞行器进行辅助水平定位，主控芯片输出端分别连接显示模块以及SD卡模块，显示模块用于显示主控芯片采集数据后进行测算的结果，SD卡模块作为存储介质，存储主控芯片采集的辅助水平定位后的经纬度值各个点的三维坐标值数据信息。

而且，所述主控芯片采用DSP28335芯片。

而且，所述该四轴飞控板与航模遥控器远程遥感连接，四轴飞控板通过电调连接无刷电机调节转速。

而且，在所述四轴飞控板上安装有气压高度计。

而且，所述GPS定位模块采用差分式GPS定位方案，定位精度为0.5m。

而且，在四轴飞行器遍历煤堆上空之前，工作人员手持四轴飞行器沿着煤堆与地面交界线移动一周，此过程中，四轴飞行器通过GPS定位模块实时采集煤堆与地面交界线有限个点(E1…En)的经纬度值，此时，相对于煤堆附近某基点O(X0,Y0，Z0)建立X-O-Y水平二维坐标系，在X-O-Y水平二维坐标系将有限个点(E1…En)相互连接，从而描绘出煤堆俯视图轮廓。

而且，所述煤堆的近似体积计算方法步骤为：

⑴将所述X-O-Y水平二维坐标系区域均匀分成多个边长为0.5米的正方形，网格将煤堆俯视图轮廓分割为多个微元区域，主控芯片计算出每个微元区域的面积；

⑵四轴飞行器以恒定的海拔高度H遍历飞行煤堆上空，通过激光测距模块和GPS定位模块得到煤堆表面轮廓上有限个点的三维坐标，有限个点的竖直投影点落在煤堆俯视图轮廓中的多个微元区域上；

⑶求得每个微元区域的重心，同时求得煤堆俯视图轮的重心，得到每个微元区域对应的煤堆表面梯度的近似方向，通过计算得到每个微元区域的等效高度，从而得到每个微元区域对应的煤堆体积；

⑷计算每个微元区域对应的煤堆体积,将其相加得到煤堆的近似体积。

而且，所述煤堆的近似体积并通过显示模块显示出来。

而且，所述煤堆表面轮廓上有限个点的三维坐标均存储于SD卡模块中，以备matlab分析。

本发明优点和积极效果为：

1、本发明提供的盘煤测算方法与传统盘煤方法相比，摒弃了传统的过磅盘煤技术，弥补囤煤管理漏洞。摒弃了传统的人工操作激光扫描仪控制方法，降低成本并提高精度。人工控制有大的控制误差，即便是采用机器控制角度，也会因为激光扫描仪俯仰角度和激光点位位移非线性而导致控制复杂而成本高。同时四轴飞行器作为新兴的执行器，技术日渐成熟，采用四轴飞行器勘测煤堆体积，能够根据精度需要控制飞行器测点的数量。

2、本发明采用使测量不受煤堆高度、形状的影响、可以快速测量整个煤场、盘煤效率大大提高的四轴飞行器作为载体，具有抗强风结构设计，保证装置平稳运行，能适合多种环境下的测量，可实现大面积区域的测量。

3、本发明采用高性能激光测距模块实现煤堆表面到四轴飞行器的距离的测量，由于激光具有精度高、不受时间、温度、湿度、气候影响等优点，很适合于在煤场上方进行测距。激光测距模块和GPS定位模块是本装置的核心测量部件，采用非接触性测量方式，具有测量速度快、精度高、测量系统稳定、受影响因素少的特点，可实现全天候、全环境测量，有效解决了常规方案中的人工测量到达不了的死角问题，实现煤场全范围自动测量；从而可实现快速简易盘煤。

附图说明：

图1是本发明中四轴飞行器数据采集原理图；

图2是四轴飞行器的连接结构示意图；

图3是四轴飞控板中的电路连接框图；

图4是本发明中测量描绘出来的煤堆俯视图轮廓图；

图5是基于图4分割出的煤堆微元区域。

图6是本发明中计算煤堆微元区域的等效高度的计算算法图。

图7是本发明中计算煤堆微元区域的的面积的计算算法图。

具体实施方式：

下面通过附图结合具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，该方法通过一四轴飞行器1多个煤堆正上方采集点的激光测距以及GPS定位进行数据信息的采集和存储，四轴飞行器飞行轨迹为遍历煤堆表面轮廓。

该四轴飞行器包括四轴飞行器、四轴飞控板、电调、无刷电机以及航模遥控器，在四轴飞行器上安装有四轴飞控板，该四轴飞控板与航模遥控器远程遥感连接，四轴飞控板通过电调连接无刷电机调节转速。

其操作及测算方法如下：

取相对于煤堆附近某点O(X0,Y0)作为基点，工作人员手持四轴飞行器采集得到基点O(X0,Y0)的经纬度值。

O(X0,Y0)点位于煤堆所处地面上。也就是说O点的高度认为为0。

首先需要工作人员手持四轴飞行器沿着煤堆与地面交界线移动一周，此过程中四轴飞行器通过GPS定位模块实时采集煤堆与地面交界线有限个点(E1…En)的经纬度值。

在测量过程中GPS定位模块测量得到的基点O的经纬度值和煤堆与地面交界线有限个点(E1…En)的经纬度值实时传输到主控芯片。四轴飞行器飞行的覆盖范围越大，测点越多，从而描述煤堆表面的数据越多，测量越准确。

如图4，主控芯片以基点O作为相对坐标原点建立X-O-Y水平二维坐标系，从而将点O的经纬度值转化为坐标O(0,0)。主控芯片(8)根据基点O的经纬度值和坐标值将煤堆与地面交界线有限个点(E1…En)的经纬度值转化为X-O-Y水平二维坐标系中相应的坐标值，并在X-O-Y水平二维坐标系将有限个点(E1…En)相互连接，从而描绘出煤堆俯视图轮廓13。

主控芯片将X-O-Y水平二维坐标系区域均匀分成多个边长为0.5米的正方形网格，网格将煤堆俯视图轮廓分割为多个微元区域(Q1…Qn)，由于是线性连接，主控芯片可以通过线性运算得到每个微元区域(Q1…Qn)的面积(S1…Sn)。

四轴飞控板接收气压高度计反馈的大气压强调整四轴飞行器的飞行高度，实现四轴飞行器在恒定海拔高度H(恒定海拔高度H高于煤堆的最高点)实现定高飞行遍历煤堆上空。

GPS定位模块采用差分式GPS定位方案，陀螺仪惯性导航模块与GPS定位模块实现四轴飞行器精确的二维定位。激光测距模块测量煤堆表面到四轴飞行器的垂直距离h。

GPS定位模块得到煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)的二维坐标并实时传输到主控芯片。激光测距模块测得煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)到四轴飞行器的距离h并实时传输到主控芯片。

主控芯片根据煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)到四轴飞行器的距离H和四轴飞行器的飞行高度h算的P点高度z＝H-h，结合GPS定位模块得到的煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)的二维坐标，可得煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)的三维坐标。

煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)的竖直投影点(B1…Bn)落在煤堆俯视图轮廓中的多个微元区域(Q1...Qn)上。

求得微元区域Qi的重心M，同时求得煤堆俯视图轮的重心E：

微元区域Qi和煤堆俯视图轮廓都可以看做是以Ai(Xi,Yi)(i＝1,2,.,n)为顶点的任意N边形A1，A2...An(本发明所用到的是三角形，四边形，五边形...n边形均适用),将它划分成N-2个三角形(如图7)。每个三角形的重心为Gi(.Xi,.Yi)。那么多边形的重心坐标G(.X',.Y')为:

$X^{\′}=\frac{\underset{i=2}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(X1+\mathrm{Xi}+\mathrm{Xi}+1)*\left|\begin{array}{ccc}X1& Y1& 1\\ \mathrm{Xi}& \mathrm{Yi}& 1\\ \mathrm{Xi}+1& \mathrm{Yi}+1& 1\end{array}\right|}{3*\underset{i=2}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\begin{array}{ccc}X1& Y1& 1\\ \mathrm{Xi}& \mathrm{Yi}& 1\\ \mathrm{Xi}+1& \mathrm{Yi}+1& 1\end{array}\right|}$

$Y^{\′}=\frac{\underset{i=2}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(Y1+\mathrm{Yi}+\mathrm{Yi}+1)*\left|\begin{array}{ccc}X1& Y1& 1\\ \mathrm{Xi}& \mathrm{Yi}& 1\\ \mathrm{Xi}+1& \mathrm{Yi}+1& 1\end{array}\right|}{3*\underset{i=2}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\begin{array}{ccc}X1& Y1& 1\\ \mathrm{Xi}& \mathrm{Yi}& 1\\ \mathrm{Xi}+1& \mathrm{Yi}+1& 1\end{array}\right|}$

得到微元区域Qi的重心M(Xm,Ym)

得到煤堆俯视图轮的重心E(X1,Y1)

如图5，该图为微元区域Qi对应的煤堆体积图。在每个微元区域Qi中，煤堆表面可以近似看做是有一定坡度的斜面。

如图6，直线ME就是微元区域Qi对应的煤堆表面梯度的近似方向。从GPS定位模块和激光测距模块得到的落在该小区域的煤堆表面轮廓点中任意选取两个点P1和P2，取P1，P2两点的竖直投影点B1，B2，过B1，B2，M分别作直线ME垂线b1,b2,m，求得直线b1和直线m的距离L1和直线b2和直线m的距离L2。

M点：

$z_m=z_{p2}-\frac{L_1}{L_1+L_2}(z_{p2}-z_{p1})$

M点的高度z_m作为微元区域Qi的等效高度Zi。

对于没有测量点或只有一个测量点坐标的微元区域Qi，取该微元区域Qi左右微元区域的等效高度的平均值作为该微元区域Qi的等效高度Zi。

微元区域Qi的体积Vi＝Si*Zi,其中Si为微元区域Qi的体积。

煤堆体积V＝V1+V2+V3+...+Vn

主控芯片将煤堆体积V传输到显示模块并通过显示模块显示出来。

上述煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)的三维坐标均通过主控芯片存储于SD卡模块中，以备Matlab分析。

四轴飞行器降落后将SD卡模块中的煤堆表面轮廓上有限个点(P1..Pn)的三维坐标将导入Matlab，通过Matlab数学工具处理数据拟合出煤堆体积轮廓并计算出煤堆体积。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：包括如下步骤：

⑴通过在煤堆正上方采用激光测距，测得煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离为h，采集点与煤堆所在地面水平面直线距离为H，由此得到煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离z＝H-h，同时通过GPS定位模块得到采集点水平坐标x和y；

⑵重复步骤⑴得到多个煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离以及水平坐标，通过对多个煤堆正上方采集点与煤堆表面点直线距离得到多个煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离，由此描绘煤堆俯视图轮廓；

⑶通过对多个煤堆表面点与煤堆所在地面水平面直线距离与多个采集点水平坐计算煤堆的近似体积。

2.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：步骤⑵所述的多个煤堆正上方采集点的激光测距以及GPS定位通过四轴飞行器实施，四轴飞行器飞行轨迹为遍历煤堆表面轮廓。

3.根据权利要求2所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：所述四轴飞行器包括四轴飞行器和四轴飞控板，在四轴飞行器上安装有四轴飞控板，所述四轴飞控板上安装有主控芯片、GPS定位模块、陀螺仪惯性导航模块、激光测距模块、显示模块以及SD卡模块，GPS定位模块用于采集四轴飞行器的经纬度值，陀螺仪惯性导航模块用于采集四周飞行器进行辅助水平定位，GPS定位模块以及激光测距模块的输出端分别与主控芯片输入端连接，主控芯片输入端连接有陀螺仪惯性导航模块，用于对四周飞行器进行辅助水平定位，主控芯片输出端分别连接显示模块以及SD卡模块，显示模块用于显示主控芯片采集数据后进行测算的结果，SD卡模块作为存储介质，存储主控芯片采集的辅助水平定位后的经纬度值各个点的三维坐标值数据信息。

4.根据权利要求3所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：所述主控芯片采用DSP28335芯片。

5.根据权利要求3所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：所述该四轴飞控板与航模遥控器远程遥感连接，四轴飞控板通过电调连接无刷电机调节转速。

6.根据权利要求3所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：在所述四轴飞控板上安装有气压高度计。

7.根据权利要求3所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：所述GPS定位模块采用差分式GPS定位方案，定位精度为0.5m。

8.根据权利要求1所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：在步骤⑵所述的四轴飞行器遍历煤堆上空之前，工作人员手持四轴飞行器沿着煤堆与地面交界线移动一周，此过程中，四轴飞行器通过GPS定位模块实时采集煤堆与地面交界线有限个点的经纬度值，此时，相对于煤堆附近某基建立X-O-Y水平二维坐标系，在水平二维坐标系将有限个点相互连接，从而描绘出煤堆俯视图轮廓。

9.根据权利要求8所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：所述煤堆的近似体积计算方法步骤为：

⑴将所述X-O-Y水平二维坐标系区域均匀分成多个边长为0.5米的正方形，网格将煤堆俯视图轮廓分割为多个微元区域，主控芯片计算出每个微元区域的面积；

⑵四轴飞行器以恒定的海拔高度H遍历飞行煤堆上空，通过激光测距模块和GPS定位模块得到煤堆表面轮廓上有限个点的三维坐标，有限个点的竖直投影点落在煤堆俯视图轮廓中的多个微元区域上；

⑶求得每个微元区域的重心，同时求得煤堆俯视图轮的重心，得到每个微元区域对应的煤堆表面梯度的近似方向，通过计算得到每个微元区域的等效高度，从而得到每个微元区域对应的煤堆体积；

⑷计算每个微元区域对应的煤堆体积,将其相加得到煤堆的近似体积。

10.根据权利要求9所述的基于四轴飞行器的火电厂盘煤测算方法，其特征在于：所述煤堆的近似体积并通过显示模块显示出来，所述煤堆表面轮廓上有限个点的三维坐标均存储于SD卡模块中，以备matlab分析。