CN104713521B - 一种干滩长度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种干滩长度测量方法，测量装置设有一控制单元和一机头，机头内置有激光发送装置和激光接收装置，还包括底座、调节支架、第一电机和第二电机，调节支架的两端均通过滑块配合固定在底座两侧设置的滑轨内，第一电机的电机座铰接在调节支架上，第二电机通过螺旋传动机构实现第一电机的电机座的俯仰运动，机头与第一电机的驱动轴连接，且第一电机的驱动轴通过万向联轴器与旋转编码器连接。本发明根据测量装置与起始原点之间的距离、测量装置与干滩面和水面交界点的距离、机头对应旋转至该交界点时的旋转角度，计算出干滩长度，避免因干滩沉陷造成测量结果产生误差和设备被埋没的缺陷，能够实现对干滩面的远程测量，测量精度高。

Description

一种干滩长度测量方法

技术领域

本发明涉及干滩长度测量领域，具体的说是一种干滩长度测量方法。

背景技术

在尾矿库安全技术领域中，尾矿库主要是通过尾矿坝拦截尾矿矿浆中的固体尾矿和水，随着矿浆中水的汇聚，固体尾矿由于受到水的冲击而在尾矿坝的拦截面上形成沉积体，沉积体的表层露出水面部分通常被称为干滩；干滩的最高点位于干滩与尾矿坝外坡的交汇处，此处通常被称为滩顶；干滩的滩顶至尾矿库内水边边面之间的水平距离通常被称为干滩长度。干滩长度是衡量尾矿库是否安全运行的重要指标，如果超标可能引发库内水位漫顶、尾矿库溃坝等安全事故，因此，必须对尾矿库的干滩长度进行测量。

目前，对尾矿库的干滩长度进行测量的方法主要是光学图像识别法和坡度推算法。其中，光学图像识别法受气候条件和光线条件的影响十分严重，在大风扬沙、大雾、大雨或者夜晚等能见度较低的情况下，摄像头无法获取到尾矿库的清晰图像，因此这种方法此时的测量精度极低，甚至无法完成测量；如申请号为201010162210.2的发明专利，公开一种测量干滩坡度和长度的装置和方法，是根据干滩顶部的高程和水位面高程以及干滩的坡度，求出干滩的长度。而由于干滩滩面沉积过程不规则，实际的干滩面并不是一个平坦斜面，该方法仅根据两个测量点就确定干滩长度的方法，是基于干滩面为平坦斜面的前提的，在干滩长度的非线性频繁变化时，测量基准会发生较大变化，造成现有的测量精度低，且操作不便，而且无法实现测量结果的实时自动化采集；由于尾矿所形成的干滩为松软状态，固定在干滩顶部边两头的两根直杆会由于自身重量以及其上设置的激光器、光电器件的重量而产生沉陷或倾斜，造成测量结果产生误差；同时，由于干滩上尾矿的增加，直杆会被逐渐埋没而无法回收，需要阶段性的重新埋设直杆，造成设备资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中，利用现有的测量装置测量干滩长度时，易受气候和能见度的影响，测量装置易受干滩滩面状态影响，进而造成测量误差大和设备资源浪费的缺陷，提供一种干滩长度测量方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种干滩长度测量方法，包括以下步骤：步骤一、将干滩长度测量装置固定在干滩外部山体上，干滩长度测量装置设有一个由单片机作为主控元件的控制单元和一个机头，机头内置有用于测量干滩长度的激光发送装置和与其配套的激光接收装置，该测量装置还包括底座、调节支架、第一电机和第二电机，调节支架的两端均通过滑块配合固定在底座两侧设置的滑轨内，第一电机的电机座铰接在调节支架上，第二电机通过螺旋传动机构实现第一电机的电机座的俯仰运动，所述的机头与第一电机的驱动轴连接，且第一电机的驱动轴通过万向联轴器与用于测量机头旋转位置信息的旋转编码器连接；在干滩滩顶上标定起始原点，通过调节支架、第一电机和第二电机调节机头的位置和角度，使其内置的激光发送装置的发送路径正对起始原点，并测量该测量装置与起始原点之间的直线距离，记录为D₁，单位为m；

步骤二、利用控制单元控制第一电机带动机头旋转，使机头中激光发送装置发射的激光从起始原点开始，对干滩滩顶到水面之间的区域进行一次完整的扫描，扫描的同时记录激光经过干滩面或水面时，返回至激光接收装置中的漫反射光信号；

步骤三、控制单元的单片机根据激光接收装置收集的漫反射光信号的强弱和有无进行分析得出干滩面与水面的交界点，并根据旋转编码器的测量结果得到机头对应旋转至交界点时的旋转角度，然后根据公式计算出交界点与测量装置之间的距离D₂，单位为m；其中，c表示激光在空气中的传播速度，单位为m/s；t表示激光从激光发送装置发出，到返回激光接收装置所需的时间，单位为s；

步骤四、根据公式为计算交界点到起始原点之间的直线距离D，即为干滩长度，单位为m。

为保证设备的使用寿命，在机头上铰接有对应于激光发送和接收路径的开合门，机头内设有由控制单元控制的舵机，舵机通过舵机连杆与开合门连接。

该测量装置通过人工对调节支架位置的调整，实现第一电机的电机座的左右倾斜位置调整。该测量装置在测量过程的运动包括：（1）机头通过硬连接器与第一电机的驱动轴形成硬链接，第一电机的驱动轴转动，机头就同步转动；（2）旋转编码器通过软连接器也与第一电机的驱动轴连接，第一电机的驱动轴转动，旋转编码器就同步转动；（3）第二电机通过螺旋传动机构为机头的俯仰摆动提供动力，螺旋传动机构由螺杆以及与螺杆螺纹连接的螺母组成，螺母铰接在调节支架上，所述的第二电机的驱动轴通过万向联轴器与螺杆的一端连接，第二电机固定在第一电机的电机座上；（4）控制单元控制舵机，通过舵机拉杆实现开合门的开闭运动，是由单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

本发明在扫描干滩滩顶到水面之间的区域的过程中，将记录的漫反射光信号和旋转编码器测量结果与基于扫描时间的时间戳信息相关联，根据时间戳信息在记录中找到机头旋转至交界点时的旋转角度。

本发明的测量方法是根据测量装置与起始原点之间的直线距离、测量装置与干滩面和水面交界点的直线距离、机头对应旋转至该交界点时的旋转角度，计算出干滩长度，能够克服传统光学图像识别法所存在的测量精度低的缺陷。而且，该测量装置不直接安装在干滩面上，而是安装在干滩外部山体上，即使干滩出现沉陷或倾斜，亦不会对测量装置造成影响，测量精度高，避免因干滩上尾矿增加或干滩沉陷，造成设备被埋没无法回收的缺陷。

有益效果：（1）、该测量装置能够安装在干滩外部山体上具有一定高度的合适位置，并且通过调整安装在底座上的调节支架，使得机头内激光发送装置的扫描路径包含待测量的干滩范围；而且使用本发明的测量装置，可以通过控制单元远程控制，完成对干滩长度的高精度自动化实时测量，且不易受到干滩垒坝，日夜更替以及光照的影响；

（2）、该测量装置通过控制单元实时控制两个电机的工作，实现机头的位置调整，机头内部设置的激光发送装置和激光接收装置对干滩面的扫描、测量，能够实现对干滩面的远程测量，避免因设备直接安装固定在干滩区域，因干滩沉陷造成测量结果产生误差和设备被埋没的缺陷；

（3）、该测量装置在扫描开始时，设备会自动从原点开始扫描，并按照时间记录扫描过程中激光测距得到的距离信息和旋转编码器的角度信息，单片机中的控制模块接收到完整的扫描信息后，从激光发送装置的测距结果判断设备的扫描过程中在何时经过了水滩交界点，并按照这个时间查询到设备扫描该点时的旋转编码器值，同时求得水滩交界点与原点的夹角，这些信息通过单片机中的控制模块传送回远程监测中心的计算机上，便可通过三角函数求出水滩交界点到原点的距离，也就是干滩长度；

（4）、本发明提供了一种基于激光的水吸收特性、漫反射特性以及三角形法测量原理的高精度、可实时测量干滩长度的装置和方法，克服了现有技术在在干滩长度非线性频繁变化时，存在测量精度不高且操作不方便的缺陷，提高测量设备在使用中的可靠性、安全性和精确性。

附图说明

图1为本发明中测量装置的结构示意图；

图2为图1中标示A的放大图；

图3为本发明的测量装置使用过程图。

附图标记：1、机头，2、底座，3、调节支架，4、滑块，5、滑轨，6、第一电机，60、电机座，7、第二电机，8、螺杆，9、螺母，10、激光发送装置，11、激光接收装置，12、螺旋编码器，120、安装座，13、开合门，14、舵机，15、舵机拉杆。

具体实施方式

如图1所示的一种干滩长度测量装置，该测量装置设有一个由单片机作为主控元件的控制单元，该测量装置包括机头1、底座2、调节支架3、第一电机6和第二电机7，控制单元控制第一电机6和第二电机7的实时运转。第一电机6的电机座60铰接在调节支架3上，调节支架3的两端均通过滑块4配合固定在底座两侧设置的滑轨5内，人工调整滑块在滑轨中的位置，能够实现调节支架3在图1所示方向的左右倾斜位置调整，即实现第一电机6的电机座60连同机头1的左右倾斜位置的调整。

如图2所示，机头1与第一电机6的驱动轴连接，且第一电机6的驱动轴通过万向联轴器与用于测量机头1旋转位置信息的旋转编码器12连接，旋转编码器12的安装座120固定在第一电机6的电机座60上。如图1所示，机头1内置有用于测量干滩长度的激光发送装置10以及与其配套的激光接收装置11；且机头1上铰接有对应于激光发送和接收路径的开合门13，机头1内设有由控制单元控制的舵机14，舵机14通过舵机连杆15与开合门13连接，在设备闲置时关闭开合门13，用于设备的防尘。

进一步的，第二电机7通过螺旋传动机构实现第一电机6的电机座60的俯仰运动，该螺旋传动机构由螺杆8以及与螺杆8螺纹连接的螺母9组成，螺母9铰接在调节支架3上，所述的第二电机7的驱动轴通过万向联轴器与螺杆8的一端连接，第二电机7安装在第一电机6的电机座60的延长板上。

本发明为了解决现有干滩长度的测量方法所存在的测量精度低和测量不便的问题，提高测量设备在使用中的可靠性和安全性，提供了一种基于激光的水吸收特性、漫反射特性以及三角法测量原理的高精度、可实时测量干滩长度的方法。该测量装置在测量开始时，调整机头1的角度和位置，使其能够按照客户标定的起始范围，从干滩面到水面进行一次完整的扫描，而扫描过程中，设备会记录激光经过相应表面时，返回至激光接收装置处的漫反射光信号。由于激光本身具有主要由砂石构成的干滩面与水面之间的漫反射会存在明显差异的特性，通过控制单元的单片机对收集到的漫反射光的强弱和有无进行分析，便能准确发现干滩面与水面的交界点，以及通过激光漫反射光得出的该交界点的距离数据。

如图3所示，设备标定时，以干滩滩顶做为原点，记录设备到原点的距离值，以及滩面上扫描范围内任意一点的距离和与原点之间的夹角角度值。并且保证扫描的范围从原点到水面，其中肯定会经过水滩的交界点。扫描开始时，设备会自动从原点开始扫描，并且按照时间记录扫描过程中激光测距得到的距离信息和旋转编码器的角度信息。并且将这些信息通过设备上的单片机控制模块传送回远程监测中心的计算机上。计算机上的设备驱动程序接收到完整的扫描信息之后，从激光器的测距结果判断设备的扫描过程中在何时经过了水滩交界点，并按照这个时间查询到设备扫描该点时的旋转编码器值，同时求得水滩交界点与原点的夹角。根据原点与设备的距离，原点与水滩交界点的距离，水滩交界点与原点的夹角，便可通过三角函数求出水滩交界点到原点的距离，也就是干滩长度。

具体的说，利用上述干滩长度测量装置实现的干滩长度的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、如图3所示，将该干滩长度测量装置固定在干滩外部山体上具有一定高度的合适位置。如图1所述，通过调整该测量装置中调节支架3、第一电机6和第二电机7，调节机头1的位置和角度，使机头1中的激光发送装置10的扫描范围能够包含待测的干滩面范围，即使得机头1旋转时，激光发送路径肯定会经过水面和干滩的交界点。在干滩滩顶上标定起始原点，使机头中激光发送装置对准标定的起始原点，并测量该测量装置与起始原点之间的直线距离，记录为D₁，单位为m；

步骤二、利用控制单元控制第一电机6带动机头1旋转，使机头1中的激光发送装置10发射的激光从起始原点开始，对干滩滩顶到水面之间的区域进行一次完整的扫描，扫描的同时记录激光经过干滩面或水面时，返回至激光接收装置11中的漫反射光信号；

步骤三、机头内的激光接收装置收集步骤二中的漫反射光信号，控制单元的单片机根据激光接收装置11收集到的漫反射光信号的强弱和有无进行分析得出干滩面与水面的交界点，并根据旋转编码器的测量结果得到机头旋转至交界点时的旋转角度，然后根据公式计算出交界点与测量装置之间的距离D₂，其中，c表示激光在空气中的传播速度，单位为m/s；t表示激光从激光发送装置（10）发出，到返回激光接收装置所需的时间，单位为s；

步骤四、根据公式计算交界点到起始原点之间的直线距离D，即为干滩长度。

本发明在扫描干滩滩顶到水面之间的区域的过程中，将记录的漫反射光信号和旋转编码器测量结果与基于扫描时间的时间戳信息相关联，根据时间戳信息在记录中找到机头旋转至交界点时的旋转角度。

Claims (4)

1.一种干滩长度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将干滩长度测量装置固定在干滩外部山体上，干滩长度测量装置设有一个由单片机作为主控元件的控制单元和一个内置有用于测量干滩长度的激光发送装置（10）以及激光接收装置（11）的机头（1），其特征在于：该测量装置还包括底座（2）、调节支架（3）、第一电机（6）和第二电机（7），调节支架（3）的两端均通过滑块配合固定在底座两侧设置的滑轨内，第一电机（6）的电机座（60）铰接在调节支架（3）上，第二电机（7）通过螺旋传动机构实现第一电机（6）的电机座（60）的俯仰运动，所述的机头（1）与第一电机（6）的驱动轴连接，且第一电机（6）的驱动轴通过万向联轴器与用于测量机头（1）旋转角度信息的旋转编码器（12）连接；

在干滩滩顶上标定起始原点，通过调节支架（3）、第一电机（6）和第二电机（7）调节机头（1）的位置和角度，使其激光发送装置（10）对准起始原点，并测量该测量装置与起始原点之间的直线距离，记录为D₁，单位为m；

步骤二、利用控制单元控制第一电机（6）带动机头（1）旋转，使机头（1）中激光发送装置（10）发射的激光从起始原点开始，对干滩滩顶到水面之间的区域进行一次完整的扫描，扫描的同时记录激光经过干滩面或水面时，返回至激光接收装置（11）中的漫反射光信号；

步骤三、控制单元的单片机根据激光接收装置（11）收集到的漫反射光信号的强弱和有无进行分析得出干滩面与水面的交界点，并根据旋转编码器的测量结果得到机头旋转至交界点时的旋转角度，然后根据公式计算出交界点与测量装置之间的距离D₂，其中，c表示激光在空气中的传播速度，单位为m/s；t表示激光从激光发送装置（10）发出，到返回激光接收装置所需的时间，单位为s；

步骤四、根据公式计算交界点到起始原点之间的直线距离D，即为干滩长度。

2.根据权利要求1所述的一种干滩长度测量方法，其特征在于：所述的机头（1）上铰接有对应于激光发送和接收路径的开合门（13），机头（1）内设有由控制单元控制的舵机（14），舵机（14）通过舵机连杆（15）与开合门（13）连接。

3.根据权利要求1所述的一种干滩长度测量方法，其特征在于：所述的螺旋传动机构由螺杆（8）以及与螺杆（8）螺纹连接的螺母（9）组成，螺母（9）铰接在调节支架（3）上，所述的第二电机（7）的驱动轴通过万向联轴器与螺杆（8）的一端连接，第二电机（7）固定在第一电机（6）的电机座（60）上。

4.根据权利要求1所述的一种干滩长度测量方法，其特征在于：在扫描干滩滩顶到水面之间的区域的过程中，将记录的漫反射光信号和旋转编码器测量结果与基于扫描时间的时间戳信息相关联，根据时间戳信息在记录中找到机头旋转至交界点时的旋转角度。