专利名称：一种粉体物料堆的体积密度测量方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图形图像技术领域，尤其涉及一种粉体物料堆的体积密度测量方法及其系统。
背景技术：
为了保证粉体物料(如煤炭)运输工作的安全有序运行，防止粉体物料在运输途中发生截留、更换、以次充好等作弊现象，煤炭运输监控成为煤炭运输中一个重要的环节。对煤炭运输过程进行监控的核心是测量煤炭运输车中煤炭的体积、质量、密度等信息，然后根据这些信息判断煤炭在出发地和目的地之间是否按照正规标准进行运输。在矿山、电厂、港口及车站等有许多粉体物料堆或粉料车(如煤等)的体积和质量需要准确而快速地测量，即盘煤，多年来这一直成为技术难题。对煤炭运输过程进行监控的核心是测量煤炭运输车中煤炭的体积、质量、密度等信息。对于运输途中发生的截留问题，可以通过在出发地和目 的地的地设置地磅进行很方便的质量测量，但对于更换、以次充好等作弊现象，则需要对粉体物料堆的体积和密度进行测量。传统的盘煤方法有如下两种一、人工盘煤。用推土机对煤堆整形成标准几何体后，人工用皮尺或手持激光测距仪进行丈量和估算，计算出煤堆的体积。但是该方法需要耗费大量的人力，测量精度低，而且只能对场地中的煤炭进行测量，无法对煤炭运输车中的煤炭进行测量。二、激光盘煤。目前大多数激光测距设备，其功能只局限于距离测量，基本不带或者只带简易的测量仪器设定程序，无法进行二次开发来满足用户需求，而根据物体进行全面的长度、分散点密度等测量的仪器，大多也不能进行计算统计，而如果进行全面的数据分析，则需要大量的人力物力与综合实施手段才能达到满意效果，且仪器相对非常庞大，无法满足煤炭行业现场需求。在其他大型项目中，会带有测量数据分析项目模块，且其项目庞大，模块众多，其使用的算法或是三重积分，或是三维重构，没有将两者相结合进行计算。
发明内容
为了准确真实地获取煤炭、粉料等粉体物料堆的现场体积密度数据，本发明提出一种粉体物料堆的体积密度测量方法及其系统。本发明提出了一种粉体物料堆的体积测量方法，包括SI、搭建激光测量装置，将N个激光测量头并排固定于粉料车通过处的上方架子上，测量之前确保各所述激光测量头发射的激光束垂直于水平面，将两个最远的激光测量头之间的距离调整到等于粉料车的宽度，N为大于等于2的正整数；S2、当粉料车的车箱驶入所述架子正下方时，控制各所述激光测量头对所述粉体物料堆表面同时按照预设的相同频率进行扫描，获得各扫描点的高度数据，当所述粉料车的车箱驶出所述架子正下方时结束扫描；S3、利用计算机程序以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴构建三维迪卡尔坐标系，计算各扫描点在所述三维迪卡尔坐标系下的三维坐标；S4、利用计算机程序分别对每行和每列的扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对所述光滑曲线组成的曲面进行二重积分获取所述粉料车中粉体物料堆的体积。进一步地，步骤S3中所述计算各扫描点在所述三维迪卡尔坐标系下的三维坐标具体包括通过激光测量头在第一次扫描和对某扫描点扫描期间所述粉料车行驶的距离确定该扫描点的X坐标；通过各激光测量头所在的位置的Y坐标确定各激光测量头扫描到的所有扫描点Y坐标；通过各扫描点的高度数据确定各扫描点的Z坐标。进一步地，步骤S4中所述样条插值方法为二次样条插值。进一步地，步骤SI中所述激光测量头个数为12。本发明还提出了一种粉体物料堆的密度测量方法，包括，通过地磅测量出的所述粉体物料堆的质量数据，通过如上所述的粉体物料堆的体积测量方法测量所述粉体物料堆 的体积数据，通过所述质量数据除以所述体积数据获取所述粉体物料堆的密度数据。基于同一发明构思，本发明还提出了一种粉体物料堆的体积测量系统，，包括激光测量装置，所述装置包括N个激光测量头，所述激光测量头并排固定于粉料车通过处的上方架子上，测量之前确保各所述激光测量头发射的激光束垂直于水平面，确保两个最远的激光测量头之间的距离调整到等于粉料车的宽度，其中所述N为大于等于2的正整数；激光控制装置，用于当所述粉料车的车箱驶入所述架子正下方时，控制所述激光测量装置中各所述激光测量头对所述粉体物料堆表面同时按照预设的相同频率进行扫描，用于获得各扫描点的高度数据，当所述粉料车的车箱驶出所述架子正下方时控制所述激光测量装置结束扫描，将所述各扫描点的高度数据发送给坐标记算软件模块；坐标记算软件模块，用于接收所述激光控制装置发送的各扫描点的高度数据，利用计算机程序分别计算各扫描点在以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴的三维迪卡尔坐标系下的三维坐标，将所有扫描点的三维坐标发送给体积计算软件模块；体积计算软件模块，用于接收所述坐标记算软件模块发送的所有扫描点的三维坐标，利用计算机程序分别对每行和每列的扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对所述光滑曲线组成的曲面进行二重积分获取所述粉料车中粉体物料堆的体积。进一步地，所述坐标记算软件模块中所述利用计算机程序分别计算各扫描点在以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴的三维迪卡尔坐标系下的三维坐标具体包括通过激光测量头在第一次扫描和对某扫描点扫描期间所述粉料车行驶的距离确定该扫描点的X坐标；通过各激光测量头所在的位置的Y坐标确定各激光测量头扫描到的所有扫描点Y坐标；通过各扫描点的高度数据确定各扫描点的Z坐标。进一步地，体积计算软件模块中所述样条插值方法为二次样条插值。进一步地，所述激光测量装置中所述激光测量头个数为12。基于同一构思，本发明还提出了一种粉体物料堆的密度测量系统，包括质量测定模块，用于通过地磅测量出的所述粉体物料堆的质量数据；体积测定模块，用于通过如权利要求6-9之一所述的粉体物料堆的体积测量系统测量所述粉体物料堆的体积数据；密度计算模块，用于通过所述质量数据除以所述体积数据获取所述粉体物料堆的密度数据。使用本发明所述的粉体物料堆的体积密度测量方法及其系统，能方便快捷地计算出粉体物料堆的体积和密度，特别是通过在物料运输的出发地和目的地快速测量粉体物料运输车所运输的料体物料的体积和密度，防止粉体物料在运输途中发生截留、更换、以次充好等作弊现象，保证粉体物料运输工作的安全有序运行。
图I是本发明具体实施例一所述的粉体物料堆的体积测量方法流程图；图2是本发明三维曲面生成示意图；
图3是本发明具体实施例二所述的粉体物料堆的体积测量系统框图；图4到图9是本发明不同积分方式介绍的示例图。
具体实施例方式下面结合附图并通过具体实施方式
来进一步说明本发明的技术方案。实施例一图I是本实施例所述的粉体物料堆的体积测量方法流程图，如图I所示，本实施例所述的粉体物料堆的体积测量方法包括S101、搭建激光测量装置；将N个激光测量头并排固定于粉料车通过处的上方架子上，测量之前确保各所述激光测量头发射的激光束垂直于水平面，将两个最远的激光测量头之间的距离调整到等于粉料车的宽度。其中，所述激光头的数目N为大于等于2的正整数，激光头的数量可根据煤炭运输车宽度、测量环境和不同用户测量精度的不同而进行相应的调整。以粉体物料为煤炭为例，本实施例通过将12个激光测量头设置于粉料车上方的架子上，该架子与水平面平行，各激光测量头在架子上竖直安装，确保发射的激光束垂直于水平面，图2是本发明三维曲面生成示意图，如图2所示，架子上第I个激光点与第12个激光点之间的距离与车箱宽度相等，支架与车箱宽边平行，每个激光点投射的光线与车箱底
面垂直。S102、当粉料车的车箱驶入架子正下方时，控制各激光测量头对粉体物料堆表面同时按照预设的相同频率进行扫描，获得各扫描点的高度数据，车箱驶出架子正下方时结束扫描；例如，当有待检测的煤炭运输车进入该煤炭运输监控系统的工作区域时，12个激光头同时对煤堆自上而下进行照射扫描，并将激光在煤堆表面扫描点反馈的光信号通过模数转换器将光信号转换为数字信号，对所述数字信号进行编码和处理以获得粉体物料堆表面各扫描点的高度数据。当煤炭运输车的车尾经过激光头时，结束扫描。S103、构建三维迪卡尔坐标系，计算各扫描点在的三维迪卡尔坐标；利用计算机程序以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴构建三维迪卡尔坐标系，计算各扫描点在所述三维迪卡尔坐标系下的三维坐标；通过激光测量头在第一次扫描和对某扫描点扫描期间所述粉料车行驶的距离确定该扫描点的X坐标；通过各激光测量头所在的位置的Y坐标确定各激光测量头扫描到的所有扫描点Y坐标；通过各扫描点的高度数据确定各扫描点的Z坐标。例如，如图2所示，各激光测量头第I次扫描的扫描点的X坐标均为O ;各激光测量头第2次扫描的扫描点的X坐标均为第2次扫描距第I次扫描时车箱移动的距离；各激光测量头第3次扫描的扫描点的X坐标均为第3次扫描距第I次扫描时车箱移动的距离；依次类推，各激光测量头第最后一次扫描的扫描点的X坐标均为该次扫描距第I次扫描时车箱移动的距离，也为车箱的长度值。第I个激光测量头所测得的所有扫描点的Y坐标均为0，第2个激光测量头所测得的所有扫描点的Y坐标均为第2个激光测量头到第I个激光测量头的距离；第3个激光测量头所测得的所有扫描点的Y坐标均为第3个激光测量头到第I个激光测量头的距离；依 次类推，第12个激光测量头所测得的所有扫描点的Y坐标均第12个激光测量头到第I个激光测量头的距离，也为车箱的宽度值。各扫描点的Z值均由步骤S102所获得各扫描点的高度数据确定，需要说明的是，测量所得的直接高度数据是指激光测量头照射到的点到该激光测量头之间的高度，该扫描点在上述三维迪卡尔坐标系下的Z坐标需要将激光测量头到车箱底部的距离减去上述直接高度数据获得。S104、分别对对各行和各列扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对光滑曲线组成的曲面进行二重积分。利用计算机程序分别对每个激光测量头扫描到的所有扫描点进行样条插值形成光滑曲线，分别对每个扫描时刻所有激光测量头扫描到的扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对所述光滑曲线组成的曲面进行二重积分获取所述粉料车中粉体物料堆的体积。其中，样条插值是使用一种名为样条的特殊分段多项式进行插值的形式。由于样条插值可以使用低阶多项式样条实现较小的插值误差，这样就避免了使用高阶多项式所出现的龙格现象，样条插值具体方法有很多，例如，包括线性样条插值、二次样条插值、三次样条插值。本实施例以二次样条插值为例，使用Matlab函数库来实现，主要用到的Matlab中的griddata函数、mesh函数、Iinspace函数。例如,对10个扫描点以二次样条插值为例，所述10个扫描点坐标是A=xI, yl, zl; x2, y2, z2;........; xlO, ylO, zlO];x=A(:, I);y=A(:, 2);z=A(:，3);N=IOO ；//插值点数，实际使用时需确定，暂写100x0=l inspace (min (x), max (x), N);y0=l inspace (min (y), max (y), N);[X，Y, Z]=griddata(x, y, z, x0，，yO, ’ v4’) ;// 插值拟合曲面。
figure;mesh (X，Y，Z) ; //体积的近似值用下代码L=sum (sum (abs (Z)));S=abs ((yO (2)-yO (I)) * (x0 (2)-χ0 (I)));V=L*S;所述V的值就是体积值。依据该算法计算出粉料车内粉体物料堆的体积，进一步地，通过地磅测量出的所述粉体物料堆的质量数据，使用密度计算公式密度=质量/体积，可求出密度。 其中，多重积分是定积分的一类，它将定积分扩展到多元函数(多变量的函数)，例如求f (X, y)或者f (X, y, z)类型的多元函数的积分。下面对各种不同的多重积分进行介绍和分析譬如，边长为4X6X5的长方体的体积可以通过两种方法得到通过函数f (X，y) =5在xy平面中的区域D，也就是长方体的底上的双重积分/ / D5dx dy或者是常函数I在长方体上的三重积分iff Idx dy dz令η为大于I的自然数。考虑所谓的半开η维矩形(下面简称矩形)。对于平面，η=2,而多重积分就是双重积分。
T = [tti, fei) X [a-2, i>2) X …X K, hn) C S"。将每个区间[ai，bi)分成有限个不重叠的子区间，每个都是左闭右开。将子区间记为Ii。则，所有所有如下形式的子矩形的族C= I1X I2 X · · · X In是T的一个划分，也即，子矩形C是互不重叠的，而且它们并集为T。C中的子矩形的直径按照定义是C中最大的边长，而T的划分的直径就是划分中的子矩形的最大直径。令f:T —R为定义在T上的函数。考虑如上定义的T的划分T = C1 U C2 U · · · U Cni其中m是正整数。如下形式的和称为黎曼和
観Y^f(Pk) Hi(Cfc)其中，对于每个k，点Pk在Ck中，而m(Ck)是笛卡尔积为Ck的区间的边长之积。函数f称为黎曼可积，如果如下极限存在
m S = IimJ]/(ft)m(C&)其中极限取遍所有直径最大为δ的T的划分。若f黎曼可积，S称为f在T上的黎曼积分。记为/ Tf (X) dx定义在任意有界η维集合上的函数的黎曼和可以通过将函数延拓到一个半开半闭矩形上来求出，其取值在原来的定义域之外为O。然后，原来的函数的积分就定义为延展的函数在矩形区域中的积分(如果存在的话)。下文中η维黎曼积分简称多重积分。多重积分具有很多与单变量函数的积分一祥的性质(线性，可加性，单调性，等等)。而且，和单变量情况ー样，可以用多重积分找出函数在给定集合上的积分。具体来讲，给定集合D c Rn和D上的可积函数f，f在定义域上的平均值为
权利要求
1.一种粉体物料堆的体积测量方法，其特征在于，包括 51、搭建激光测量装置，将N个激光测量头并排固定于粉料车通过处的上方架子上，测量之前确保各所述激光测量头发射的激光束垂直于水平面，将两个最远的激光测量头之间的距离调整到等于粉料车的宽度，N为大于等于2的正整数； 52、当粉料车的车箱驶入所述架子正下方时，控制各所述激光测量头对所述粉体物料堆表面同时按照预设的相同频率进行扫描，获得各扫描点的高度数据，当所述粉料车的车箱驶出所述架子正下方时结束扫描； 53、利用计算机程序以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴构建三维迪卡尔坐标系，计算各扫描点在所述三维迪卡尔坐标系下的三维坐标； 54、利用计算机程序分别对每行和每列的扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对所述光滑曲线组成的曲面进行二重积分获取所述粉料车中粉体物料堆的体积。
2.如权利要求I所述的粉体物料堆的体积测量方法，其特征在于，步骤S3中所述计算各扫描点在所述三维迪卡尔坐标系下的三维坐标具体包括通过激光测量头在第一次扫描和对某扫描点扫描期间所述粉料车行驶的距离确定该扫描点的X坐标；通过各激光测量头所在的位置的Y坐标确定各激光测量头扫描到的所有扫描点Y坐标；通过各扫描点的高度数据确定各扫描点的Z坐标。
3.如权利要求I或2所述的粉体物料堆的体积测量方法，其特征在于，步骤S4中所述样条插值方法为二次样条插值。
4.如权利要求3所述的粉体物料堆的体积测量方法，其特征在于，步骤SI中所述激光测量头个数为12。
5.一种粉体物料堆的密度测量方法，其特征在于，包括，通过地磅测量出的所述粉体物料堆的质量数据，通过如权利要求1-4之一所述的粉体物料堆的体积测量方法测量所述粉体物料堆的体积数据，通过所述质量数据除以所述体积数据获取所述粉体物料堆的密度数据。
6.一种粉体物料堆的体积测量系统，其特征在于，包括 激光测量装置，所述装置包括N个激光测量头，所述激光测量头并排固定于粉料车通过处的上方架子上，测量之前确保各所述激光测量头发射的激光束垂直于水平面，确保两个最远的激光测量头之间的距离调整到等于粉料车的宽度，其中所述N为大于等于2的正整数； 激光控制装置，用于当所述粉料车的车箱驶入所述架子正下方时，控制所述激光测量装置中各所述激光测量头对所述粉体物料堆表面同时按照预设的相同频率进行扫描，用于获得各扫描点的高度数据，当所述粉料车的车箱驶出所述架子正下方时控制所述激光测量装置结束扫描，将所述各扫描点的高度数据发送给坐标记算软件模块； 坐标记算软件模块，用于接收所述激光控制装置发送的各扫描点的高度数据，利用计算机程序分别计算各扫描点在以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴的三维迪卡尔坐标系下的三维坐标，将所有扫描点的三维坐标发送给体积计算软件模块； 体积计算软件模块，用于接收所述坐标记算软件模块发送的所有扫描点的三维坐标，利用计算机程序分别对每行和每列的扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对所述光滑曲线组成的曲面进行二重积分获取所述粉料车中粉体物料堆的体积。
7.如权利要求6所述的粉体物料堆的体积测量系统，其特征在于，所述坐标记算软件模块中所述利用计算机程序分别计算各扫描点在以平行于粉料车行驶方向的方向为X轴，以垂直于粉料车行驶方向的方向为Y轴，以垂直于水平面的方向为Z轴的三维迪卡尔坐标系下的三维坐标具体包括通过激光测量头在第一次扫描和对某扫描点扫描期间所述粉料车行驶的距离确定该扫描点的X坐标；通过各激光测量头所在的位置的Y坐标确定各激光测量头扫描到的所有扫描点Y坐标；通过各扫描点的高度数据确定各扫描点的Z坐标。
8.如权利要求6或7所述的粉体物料堆的体积测量系统，其特征在于，体积计算软件模块中所述样条插值方法为二次样条插值。
9.如权利要求8所述的粉体物料堆的体积测量系统，其特征在于，所述激光测量装置中所述激光测量头个数为12。
10.一种粉体物料堆的密度测量系统，其特征在于，包括 质量测定模块，用于通过地磅测量出的所述粉体物料堆的质量数据； 体积测定模块，用于通过如权利要求6-9之一所述的粉体物料堆的体积测量系统测量所述粉体物料堆的体积数据； 密度计算模块，用于通过所述质量数据除以所述体积数据获取所述粉体物料堆的密度数据。
全文摘要
本发明公开了一种粉体物料堆的体积密度测量方法及其系统，体积测量方法包括将N个激光测量头并排固定于粉料车上方的架子上，当粉料车驶入架子正下方时，控制各激光测量头对粉体物料堆表面同时按照预设的相同频率进行扫描，获得各扫描点的高度数据，当粉料车的车箱驶出架子正下方时结束扫描；构建三维迪卡尔坐标系，计算各扫描点的三维坐标；利用计算机程序对扫描点进行样条插值形成光滑曲线，对所述光滑曲线组成的曲面进行二重积分，得到粉料车中粉体物料堆的体积。本发明能准确真实地获取煤炭、粉料等粉体物料堆的现场体积数据，进而获取密度数据，能客观地监督运输方使用合法、安全、正规的手段进行煤炭、粉料等粉体物料的运输操作。
文档编号G01B11/00GK102967260SQ20121043096
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者林建就, 牛相涛, 管军, 曹啸 申请人:北京华夏力鸿商品检验有限公司