基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统的制作方法
本发明涉及一种基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统。
背景技术：
输送带是输送系统的关键设备，它的安全稳定运行直接影响到生产作业。然而带式输送机在运行过程中，经常会发生输送带跑偏现象，不仅引起物料倾洒或带边磨损，严重时还会造成输送带断裂、烧损甚至引发火灾。这将直接影响输送带使用寿命，增加生产成本，甚至导致煤炭运输线停运，影响安全生产，造成重大经济损失。因此及时、准确地检测输送带跑偏具有非常重要的意义。然而目前现有的输送带跑偏检测系统多为接触式检测原理设备，当这些设备应用于矿井等比较恶劣的生产环境时，极易被烟尘，油污，泥污等影响，导致跑偏检测开关的故障率较高，容易发生误检、漏检等故障。因此需要专业人员对设备进行定期维护，自动化程度较低，人力成本较高。近年来，基于光学测量技术的输送带跑偏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。也有采用机器视觉的方法监控输送带跑偏的装置，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输送带的运作情况，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输送带边缘激光点云数据测算输送带的跑偏量，同时根据点云数据拟合结果判断输送带的跑偏类型。
因此，目前亟需一种采用非接触式检测原理、运行可靠，便于实施、对使用环境要求低、维护成本低不占用人力的新检测方案解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种自动化程度高、实时性强，不受外界环境对输送带跑偏测定影响的基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统。
本发明的技术解决方案是：
一种基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统，其特征是：激光扫描仪a固定安装于可调节支架上，支架安装在输送带对称轴的正下方，激光扫描仪a垂直向上扫描输送带，支架位置和高度可以根据不同种类的输送带调节；激光扫描数据经串口处理器送至以太网实现远程数据传输；测速传感器安装在输送机上行托辊中轴上，与托辊同轴共转；带速数据由测速传感器采集后由gsm/gprs模块传输至上位机；由上位机整合所有检测结果数据并输出最后的跑偏量测值及跑偏类型的判定结果，最后结果将决定报警模块p、q工作；
工作流程包含以下步骤：
步骤1：初始化:令激光扫描仪a扫描次数i＝0，其中i＝0,1,2,…,n，n为a在采集时间t内采集输送带边缘坐标数据总次数，由采集时间t和激光扫描仪频率fspeed确定其大小n＝t·fspeed；
步骤2：激光扫描仪启动后，以激光发射点为原点，以过发射点且垂直输送带正常工作时的传输方向的直线为x轴，以过发射点竖直向上的直线为y轴建系；通信模块接收并记录单位时间t内输送带边缘轮廓所有点的扫描数据，扫描数据包括被扫描点与激光发射点的连线的长度s以及连线与x轴的夹角θ；扫描仪在工作时得到的数据s会发生两次突变，其中一次为扫描仪扫过左边缘点，此时采集得的角度为α＝θmax；一次为扫描仪扫过右边缘点，此时采集得到的角度为β＝θmin；其中左边缘点与激光发射点的距离满足(sp+1-sp)-(sp-sp-1)≥ζ，右边缘点与激光发射点的距离满足(sq+1-sq)-(sq-sq-1)≥δ，sp指的是扫描仪的激光发射点发出的第p条激光束与输送带交点的距离，sq指的是扫描仪的激光发射点发出的第q条激光束与输送带交点的距离，ζ、δ为常数，其值为扫描仪在扫描输送带左、右两侧时获取相邻两点的数据s时的差值阈值，超过该阈值即表示扫描仪扫描出了输送带范围；sp与sq并无严格的前后关系，这两个值是由采集时对应的角度θ定义的，即采集时角度为α＝θmax时对应的为sp，采集时角度为β＝θmin对应的的为sq；
步骤3：通信模块将步骤2得数据传输进数据处理模块中，再由数据处理模块去除误差不满足精度要求的点，此处规定满足
步骤4：将s和θ的数据转换为输送带左右边缘点的坐标数据，其中：左边缘点的坐标数据为xeli(spicosαi,yeli)，右边缘点的坐标数据为xeri(sqicosβi,yeli).其中α＝θmax，β＝θmin；spi为第i个输送带左边缘点与激光发射点之间的距离，αi为第i个左边缘点与激光发射点连线与x轴正半轴的夹角；sqi为第i个输送带右边缘点与激光发射点之间的距离，βi为第i个右边缘点与激光发射点连线与x轴正半轴的夹角；取二者的横坐标值xeli＝spicosαi、xeri＝sqicosβi用于后续计算；
步骤5：经数据处理模块计算后，在t时间内输送带左右边缘点的横坐标值可表示为:
其中n为t时间内扫描的总点数，spj、αj、sqj、βj为第j个因为不满足精度要求而被去除的输送带边缘点数据组中左右边缘点的扫描数据，所有因不满足精度要求被去除的输送带边缘点的总数为m；
步骤6：以扫描仪扫描过的输送带长度d为x轴，其中d＝viti；以输送带边缘横坐标数据xe为y轴建系；结合带速数据v(t)和输送带边缘坐标数据xe，将扫描的点坐标数据拟合为一条直线xe＝kvti+b；用该直线表示输送带的运动轨迹，k为该直线的斜率，v为输送带的带速，b为函数辅助量，无计算意义；
其中
其中vi为激光扫描仪第i次扫描时的带速，ti指从第一次扫描仪获取数据到第i次获取数据的时长，xei为输送带边缘点的坐标数据；n为激光扫描仪获取数据的总次数，t为扫描的总时间；由此得出输送带边缘在空间中的相对位置，根据拟合结果的直线的斜率判断输送带的跑偏类型，当ηmin≤k≤ηmax时，输送带为横向跑偏，如不满足则为斜向跑偏；其中ηmin、ηmax分别为输送带横向跑偏时，在步骤6中获得的直线的斜率k的极值，二者均为常数；
步骤7：若输送带为横向跑偏，则经t时间后输出的跑偏量测量值l可表示为l＝|xel|-|xer|；l数值的正负号代表跑偏方向，l>0表示左偏，l<0表示右偏；当跑偏量满足|l|≥μ时，μ为带式输送机所允许的输送带横向跑偏量的极限值，若跑偏量超过该极限值，报警系统p立刻发出警报；
若输送带为存在中心线歪斜的特殊跑偏类型，则跑偏量由直线xe＝kvt+b确定；由于该类跑偏对输送带的损伤非常严重，会造成输送带产生严重形变，一经发现报警器q立刻发出警报；
步骤8：跑偏量及跑偏类型最终都经通信模块传送回人机交互模块作为最终输出检测结果显示在交互界面上。
激光扫描仪采集所得的数据通过以太网传输给服务器。本发明弥补本领域尚无高精度实时在线带式输送机跑偏状况监测(跑偏类型，跑偏量)系统现状。该装置系统结构简单、自动化程度高、实时性强，不受粉层我、天气、光线等外界环境对输送带跑偏测定的影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1位本发明的基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统的系统结构示意图。
图2为本发明的基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统中，激光扫描式输送带边缘坐标数据采集系统结构图。
图3为本发明的基于激光扫描的输送带跑偏量测算及跑偏类型判断系统的方法流程图。
图4为本发明的基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统中，输送带边缘坐标数据测量原理简图。
图5为本发明的基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统中，跑偏类型判断的原理简图。
具体实施方式
基于激光扫描的输送带跑偏类型判断及跑偏量测算系统，以最常见的输送带运输机为例，如图1所示，其中有带式输送机(平直式，含驱动电机、托辊等基本配置)，激光扫描仪a，测速传感器b，串口处理器c，服务器d，直流稳压电源e，检测开关f，上位机g(能够执行输送带边缘检测、带速测量、误差处理、跑偏类型判断等功能。),gsm模块h、i。报警模块p、q.激光扫描仪a固定安装于可调节支架上，支架安装在输送带对称轴的正下方，a垂直向上扫描输送带，支架位置和高度可以根据不同种类的输送带调节。激光扫描数据经串口处理器c发送至以太网实现远程数据传输。测速传感器b安装在输送机上行托辊中轴上，与托辊同轴共转。带速数据由测速传感器采集x采集后由gsm/gprs模块传输至上位机。最后由上位机整合所有检测结果数据并输出最后的跑偏量测值及跑偏类型的判定结果。最后结果将决定报警模块p、q工作。
上述系统的工作流程包含以下步骤：
步骤1：初始化:令激光扫描仪a扫描次数i＝0，其中i＝0,1,2,…,n，n为a在采集时间t内采集输送带边缘坐标数据总次数，由采集时间t和激光扫描仪频率fspeed确定其大小n＝t·fspeed；
步骤2：激光扫描仪启动后，以激光发射点为原点，以过发射点且垂直输送带正常工作时的传输方向的直线为x轴，以过发射点竖直向上的直线为y轴建系；通信模块接收并记录单位时间t内输送带边缘轮廓所有点的扫描数据，扫描数据包括被扫描点与激光发射点的连线的长度s以及连线与x轴的夹角θ；扫描仪在工作时得到的数据s会发生两次突变，其中一次为扫描仪扫过左边缘点，此时采集得的角度为α＝θmax；一次为扫描仪扫过右边缘点，此时采集得到的角度为β＝θmin；其中左边缘点与激光发射点的距离满足(sp+1-sp)-(sp-sp-1)≥ζ，右边缘点与激光发射点的距离满足(sq+1-sq)-(sq-sq-1)≥δ，sp指的是扫描仪的激光发射点发出的第p条激光束与输送带交点的距离，sq指的是扫描仪的激光发射点发出的第q条激光束与输送带交点的距离，ζ、δ为常数，其值为扫描仪在扫描输送带左、右两侧时获取相邻两点的数据s时的差值阈值，超过该阈值即表示扫描仪扫描出了输送带范围；sp与sq并无严格的前后关系，这两个值是由采集时对应的角度θ定义的，即采集时角度为α＝θmax时对应的为sp，采集时角度为β＝θmin对应的的为sq；
步骤3：通信模块将步骤2得数据传输进数据处理模块中，再由数据处理模块去除误差不满足精度要求的点，此处规定满足
总数,其中γ指误差允许的极限值；
步骤4：将s和θ的数据转换为输送带左右边缘点的坐标数据，其中：左边缘点的坐标数据为xeli(spicosαi,yeli)，右边缘点的坐标数据为xeri(sqicosβi,yeli).其中α＝θmax，β＝θmin；spi为第i个输送带左边缘点与激光发射点之间的距离，αi为第i个左边缘点与激光发射点连线与x轴正半轴的夹角；sqi为第i个输送带右边缘点与激光发射点之间的距离，βi为第i个右边缘点与激光发射点连线与x轴正半轴的夹角；取二者的横坐标值xeli＝spicosαi、xeri＝sqicosβi用于后续计算；
步骤5：经数据处理模块计算后，在t时间内输送带左右边缘点的横坐标值可表示为:
其中n为t时间内扫描的总点数，spj、αj、sqj、βj为第j个因为不满足精度要求而被去除的输送带边缘点数据组中左右边缘点的扫描数据，所有因不满足精度要求被去除的输送带边缘点的总数为m；
步骤6：以扫描仪扫描过的输送带长度d为x轴，其中d＝viti；以输送带边缘横坐标数据xe为y轴建系；结合带速数据v(t)和输送带边缘坐标数据xe，将扫描的点坐标数据拟合为一条直线xe＝kvti+b；用该直线表示输送带的运动轨迹，k为该直线的斜率，v为输送带的带速，b为函数辅助量，无计算意义；
其中
其中vi为激光扫描仪第i次扫描时的带速，ti指从第一次扫描仪获取数据到第i次获取数据的时长，xei为输送带边缘点的坐标数据；n为激光扫描仪获取数据的总次数，t为扫描的总时间；由此得出输送带边缘在空间中的相对位置，根据拟合结果的直线的斜率判断输送带的跑偏类型，当ηmin≤k≤ηmax时，输送带为横向跑偏，如不满足则为斜向跑偏；其中ηmin、ηmax分别为输送带横向跑偏时，在步骤6中获得的直线的斜率k的极值，二者均为常数；
步骤7：若输送带为横向跑偏，则经t时间后输出的跑偏量测量值l可表示为l＝|xel|-|xer|；l数值的正负号代表跑偏方向，l>0表示左偏，l<0表示右偏；当跑偏量满足|l|≥μ时，μ为带式输送机所允许的输送带横向跑偏量的极限值，若跑偏量超过该极限值，报警系统p立刻发出警报；
若输送带为存在中心线歪斜的特殊跑偏类型，则跑偏量由直线xe＝kvt+b确定；由于该类跑偏对输送带的损伤非常严重，会造成输送带产生严重形变，一经发现报警器q立刻发出警报；
步骤8：跑偏量及跑偏类型最终都经通信模块传送回人机交互模块作为最终输出检测结果显示在交互界面上。
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