帶式輸送機物料瞬時流量激光測量方法

曾 飛，吳 青，初秀民，代超磊，樂章絲

(1. 武漢理工大學 港口裝卸技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063；2. 南通大學 交通學院，江蘇 南通 226019；3.武漢理工大學 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，湖北 武漢 430063)

帶式輸送機物料瞬時流量激光測量方法

曾 飛1,2?，吳 青1?，初秀民3，代超磊1，樂章絲1

(1. 武漢理工大學 港口裝卸技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063；2. 南通大學 交通學院，江蘇 南通 226019；3.武漢理工大學 水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，湖北 武漢 430063)

針對高帶速、大運量帶式輸送機物料瞬時流量難以實時精準測量問題，提出一種基于激光掃描的帶式輸送機物料瞬時流量高精度實時測量方法.利用二維激光測距儀和測速傳感器獲取帶式輸送機高速運行下物料流三維激光點云數據，經濾波、異常值剔除、數據平滑等預處理后，通過分析掃描線上激光點云空間形態特征提出一種物料流輪廓自動提取方法，并建立基于面元積分的帶式輸送機物料瞬時流量計算數學模型.開發的帶式輸送機物料瞬時流量測量系統用于測量帶寬為200mm槽型帶式輸送機在帶速0.5～1.5m/s下物料流瞬時流量時，數據重復性和相關性都達到98%以上.實驗結果表明，該方法采樣間距小、測量精度高、實時性強，具有較強適用性和可靠性，有助于為港口帶式輸送機自適應節能控制技術提供實時、精確的數據來源.

測量；物料瞬時流量；激光掃描；帶式輸送機；節能

2011年，我國港口擁有生產用碼頭泊位超3.1萬，完成貨物吞吐量突破100億t(連續9年位居世界第一)，其中干散貨吞吐量占總吞吐量比率高達58.3%[1].隨著干散貨運輸以年超10%比率迅猛增長，港口散貨碼頭原粗放型長距離帶式輸送設備高耗能、低效率問題日益嚴重.特別當輸送帶上物料較少或斷續情況時帶式輸送機仍以高速恒定狀態運行從而能耗浪費嚴重.因此，交通部特別在《“十二五”水運節能減排總體推進實施方案》([2011]474號文件)中將帶式輸送機節能運行控制技術列為重要研發任務之一.

近年來，因變頻技術調速平穩、瞬態穩定性高、節能等比較優勢，國內外研究學者紛紛提出了基于輸送帶實時負荷的帶式輸送機變頻調速控制方法[2-4].為使其運行在最佳負荷狀態，物料瞬時流量成為調節帶式輸送機運行速度的重要指標.目前散貨碼頭物料瞬時流量檢測大多采用電子皮帶秤、核子秤等接觸式方式測量，其測量方式通常假定單位計量段內物料流分布均勻，因此計量精度易受真實物料分布不均、斷續等因素影響.同時，帶式輸送機系統結構復雜，帶速調節不當會直接影響系統各機械部件使用壽命和運行安全[5].隨著帶式輸送機向高帶速、大運量方向發展，實時、準確的物料流瞬時流量檢測方法對于保障帶式輸送機系統生產安全同時切實提高系統生產效率具有重要意義.

光學測量技術以其柔性大、結構簡單、低成本和高精度等優點，逐漸被用于輸煤量或煤堆體積等非接觸式測量，包括視覺檢測和激光測量兩種.文獻[6]采用小波、神經網絡算法實現了帶式輸送機煤流視頻圖像邊界快速識別和輸煤量有效估計.文獻[7]設計了雙目視覺系統對大型散料(靜態)物料體積和重量進行測量.針對堆場形貌復雜、紋理特征貧乏等特性，文獻[8]提出了激光投射儀掃描輔助下的雙目攝影測量方法對堆場進行掃描與局部三維形貌重建.為實現散狀物料流量遠程在線檢測功能，文獻[9]設計了基于FPGA(Field Programmable Gate Array)和3G(Third Generation Mobile System)的帶式輸送機物料流視覺檢測系統.上述基于視覺檢測方法雖具有可行性，但處理速度因受紋理特征提取、攝像機標定等復雜算法限制而無法滿足帶式輸送機物料流量實時采集要求.

激光三維測量技術是一種高效率、高精度、實時測得堆體體積有效監測方法[10-11].考慮到激光測量受散料紋理特征因素影響較小優勢，根據帶式輸送機物料流瞬時流量測量實時、連續、精準需求，本文利用二維激光測距儀和測速傳感器獲取帶式輸送機高速運行下高密度物料流三維激光點云數據，提出一種基于掃描線激光點云空間形態特征的物料流輪廓自動提取方法，設計了兩種物料流截面積計算方法，并建立了一種基于面元積分的物料瞬時流量實時測量數學模型.最后通過設計、開發的帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統對本文測量方法進行實驗測試.

1 物料瞬時流量激光測量原理

1.1 激光測量原理

設計的物料瞬時流量激光測量系統原理圖如圖1所示.系統采用1臺二維激光測距儀采集帶式輸送機水平高速運行下物料流表面三維激光點云數據，融合速度傳感器轉換的位移信息后經物料瞬時流量計算算法實現物料瞬時流量精準、高效計量.為方便獲取被測物料流表面散亂激光點云，激光測距儀選擇在帶式輸送機水平段高h處安裝，并使其垂直向下對準物料，讓物料流通過方向與激光掃描截面保持垂直.因二維激光測距儀是基于飛行時間差原理，將測量的內部旋轉鏡入射光束角度變化范圍內發射與反射光間飛行時間差Δtik，精確轉換為激光扇面與被測目標輪廓間二維距離值(lik=c·Δtik/2,c為光速).因此，通過激光測距儀獲取的物料流截面每幀掃描數據包括2個參數：輪廓上任意點Mik相對于掃描中心水平線偏角θik；Mik與掃描中心間直線距離lik.為方便后續物料流瞬時流量計算，需要對激光每幀掃描散料截面輪廓各特征點數據進行二維坐標轉換，坐標計算示意圖如圖2所示.

圖1 物料截面輪廓激光測量原理圖

圖2 物料流掃描截面各特征點坐標計算示意圖

圖2中，θ為掃描起始點與水平線間夾角，由激光掃描角度范圍(180°-2θ)確定；Δβir為激光掃描儀角分辨率；每幀掃描特征點數m由(180°-2θ)/Δβir確定；k為當前掃描獲取物料流截面幀數.由于輸送帶速度瞬時值v(tk)瞬時內不會發生突變(輸送帶粘彈特性和阻力作用)，因此假設帶式輸送機在激光掃描物料截面每2幀間(Δt=1/(fspeed-1))時間內為勻速運行，其輸送帶行進距離Δx等于帶速值v(t)與激光測距儀測量頻率fspeed-1后倒數的乘積.因此，由圖2可推出物料流截面特征點的三維坐標計算公式為：

i=1,2,…,m;k=1,2,…,∞

(1)

式中m為每幀掃描特征點數；tk為第k幀時刻；yik為第k幀掃描截面在YOZ平面中y軸方向上第i個特征點的y坐標值；zik為第k幀掃描截面在YOZ平面中z軸方向上第i個特征點的z坐標值；ZO為掃描中心離y軸垂直距離；θik為第k幀掃描截面在yoz平面中掃描激光線與水平線夾角.

再通過空間幾何轉換被測目標點三維空間幾何坐標值{{(x1,y10,z10), (x1,y11,z11),…, (x1,y1m,z1m)}, {(x2,y20,z20), (x2,y21,z21,…, (x2,y2m,z2m)},…, {(xk,yk0,zk0), (xk,yk1,zk1),…, (xk,ykm,zkm) }.

1.2 基于面元積分的物料瞬時流量計算數學模型

散貨碼頭帶式輸送機輸送量通常由物料瞬時流量和累計流量表征.其中物料流瞬時流量通常定義為物料瞬時載荷與輸送帶瞬時速度的乘積[12]，而物料瞬時載荷實質是單位時間T內通過某流通截面的質量，即物料密度乘以單位時間內物料流通截面的體積.因此，為準確計算物料瞬時流量，建立精確的單位時間內物料流通截面體積計算模型是關鍵.目前，針對不規則料場或煤堆體積測量通常采用TIN (triangulated irregular network)三角網建模思想，將激光離散點數據三角化后形成互不相交、互相鄰近若干三棱柱，通過累加直三棱柱體積值后得出料場堆料的體積.因該方法計算步驟繁瑣、計算工作量巨大，再加上近年來研制的激光測距儀掃描精度和頻率飛躍提升，本文采用圖3所示基于面元積分的數學模型計算物料瞬時流量.

圖3 物料流瞬時流量數學模型

圖3中，黑色標注為激光測距儀掃描物料流每幀截面位置.假設帶式輸送機輸送帶以帶速v(t)水平向右運輸散料，則S(1),…,S(l),…,S(m),…,S(k),…,S(n)分別為第1,…,l,…,m,…,k,…,n幀激光掃描物料流截面面積.考慮物料流不均勻性和輸送帶速度瞬時性因素，設t時刻，輸送帶上單位時間載荷值為q(t)，物料堆積密度為ρ，物料流瞬時截面積為S(t)，則瞬時流量P(t)為：

(2)

式中ρ為物料堆積密度；v(t) 為輸送帶速度，由測速傳感器測出.推導得，

P(t)=ρv(t1)S(1)1/(fspeed-1)+

ρv(t2)S(2)1/(fspeed-1)+…+

ρv(tk)S(k)1/(fspeed-1)=

(3)

式中k為單位時間內物料流截面面積個數，由k=T×fspeed計算得出.

2 物料瞬時流量測量算法

2.1 物料流輪廓邊界自動提取

受散料揚塵、輸送帶垂直波動、尖角礦石鏡面反射、遮擋等因素影響，物料流激光測量數據存在一定的系統誤差和隨機誤差.因此，為精確提取物料流輪廓和后續瞬時流量快速、精確計算，需要對物料流點云進行預處理.物料流激光掃描輪廓截面數據分布特征：①物料流輪廓激光點云位于掃描線中間區域，對稱分散于帶寬中點左右，且中間區域物料掃描點Z坐標值較大，并依次向Y軸左右兩邊呈緩慢減小趨勢(相鄰兩掃描點Z坐標間差值較小)；②當物料輪廓與輸送帶輪廓相交的邊界處存在局部階躍；③輸送帶輪廓掃描點Z坐標變化相對平緩，但同物料相比變化趨勢相反；④采集支架、輸送機旁邊支撐裝置等物在局部范圍內Z坐標變化很大.因此，首先根據拉依達準則，以2倍標準差剔除濾波后數據可能存在的異常值(如物料反光引起的異常值).再采用移動窗口法對每幀掃描曲線從中間往兩端逐點分析連續相鄰窗口Z坐標差值，找到物料兩邊與輸送帶邊界區域進行非物料點剔除.濾波算子由3個窗口組成，窗口1用來快速確定左右兩邊物料與輸送帶邊界區域，而窗口2和3用來進一步約束窗口1所確定的物料輪廓范圍.通過設置Z坐標差值閾值Δzborder，Δzmaterial，Δzbelt和窗口大小l將窗口從中間往兩邊移動，自動提取物料流輪廓邊界.假設每個窗口包含l個激光點：Mik～M(i+l)k，即坐標范圍為(xk,yik,zik),…,(xk,y(i+l)k,z(i+l)k).每個窗口Z坐標差值為Δz=max(zik,z(i+1)k,…,z(i+l)k)-min(zik,z(i+1)k, …,z(i+l)k).Δz1，Δz2，Δz3分別為窗口1，2，3內Z坐標差值，則有

Δz1≤Δzborder

(4)

Δz2≤Δzmaterial

(5)

Δz3≤Δzbelt

(6)

式中Δzborder，Δzmaterial，Δzbelt取值與所輸送物料性質有關，窗口大小l具體取值與激光掃描點密度相關.算法如圖4所示.

圖4 基于移動窗口的物料流輪廓搜索方法

2.2 物料流截面積計算

提取物料流輪廓后，可根據掃描點坐標近似計算物料流截面積.

1)三角面積累積方法

三角面積累積方法如圖5所示.

圖5 三角面積累積方法

提取物料流輪廓邊界后，因激光掃描角分辨率為Δβir<1.，可將每相鄰兩點間連線近似看作線性變化，因此相鄰兩點與激光掃描中心可圍成三角形.假設物料流輪廓起始點為Mak(yak,zak)，終止點為Mnk(ynk,znk)，根據該兩點對應角度θak=θ+aΔβir和θnk=θ+nΔβir提取空載時該角度范圍內輸送帶輪廓激光點云數據后，得物料流截面積計算公式

S(k)=S(kk)-S(ky)=

(7)

2)梯形面積累積方法

梯形面積累積方法如圖6所示.

圖6 梯形面積累積方法

S(k)=S(Ik) +S(IIk) +S(IIIk)

(8)

(9)

(10)

(11)

3 實驗結果與分析

3.1 帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統

系統由1臺激光測距儀、MOXA Nport 6250模塊、24V直流穩壓電源、物料流激光數據采集與處理系統等組成.其中，激光測距儀選用德國SICK公司生產的LMS291-S05激光測距儀，激光波長λ= 905 nm，采集頻率75幀/s.速度傳感器選用德國SEW光電編碼器ES1T(OG72DN1024TTL)，供電電壓5 V，信號5 V TTL/RS-422.根據物料瞬時流量采集需要，采用激光測距儀配套設置軟件LMSIBS Configuration Software設置激光測距儀角度分辨率為0.25.(53.33樣ms)、角度范圍100.、mm級測量模式、測量分辨率10 mm、測量精度±35mm、最大測量距離為18m.通過臺灣摩莎MOXANport6250模塊以Ethernet通訊方式將測距儀每幀掃描的404組(l,θ)數據上傳至上位機，由自行開發的基于VC++ 6.0的物料流激光數據采集與處理軟件實現實測數據預處理、物料流輪廓提取和瞬時流量計算.因激光測距儀和目標對象間測量距離越小時獲取每幀測量點數越多(激光點云獲取精度越高)，設計了測量距離和掃描截面方向左右位置二維可調的機械支架用于調節激光測距儀安裝高度并確保被測物料寬度不超出掃描范圍，系統硬件平臺如圖7所示.

圖7 帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統

3.2 實驗結果與分析

為檢驗本文測量方法精確性和有效性，將開發的帶式輸送機物料瞬時流量激光測量系統架設于港口裝卸技術交通行業重點實驗室散貨碼頭物流裝備與物流自動化實驗平臺1#堆場帶式輸送機水平段(帶寬b=200 mm，運量Q=1.5 t/h，安川A1000變頻器驅動，帶速范圍0.2～4 m/s)，調節激光采集支架高度h=583 mm (激光掃描儀上平面離地面間距離)、水平寬度l=820 mm后，通過物料流激光數據采集與處理軟件實測帶式輸送機通過物料的瞬時流量值.實驗被測物料為細干河沙，為排除物料密度對測量精度的影響，通過標準容器升測量方式檢驗激光掃描測量物料瞬時體積流量精度.分別采集帶速在0.5 m/s，1 m/s，1.5 m/s下裝滿1 L，2 L，3 L，5 L，7 L 5種不同規格標準容積升時物料體積流量激光測量值.表1為重復測量同標準物料體積10次后去除最大、最小值測量結果.

由表1計算出的測量數據重復性結果如表2所示.從表2可以看出，測試結果重復性和相關性在98%以上，測量數據速度變異系數都在98%以上(測量結果與帶速無關).圖8是根據表1激光測量數據與標準容積測量值間誤差分析圖，其中“△”代表三角面積累積方法測量結果，“□”代表梯形面積累積方法測量結果.

表1 基于激光掃描帶式輸送機物料瞬時體積流量實測值

表2 實測值重復性

圖8中看出，激光測量值與人工測量值平均誤差保持在3%以內，且三角面積累積方法更接近真值.系統測量誤差主要來源于：1)帶速測量誤差：由于帶式輸送機水平運輸過程中輸送帶垂直、水平振動較大，同時可能出現輸送帶與傳動滾筒間打滑，使得部分輸送帶部分行走距離未被速度傳感器檢測，使得測量長度偏短、測量結果偏低.2)模型誤差：由于物料流表面形狀是不規則的，采用面元積分的物料流瞬時流量計算模型假設2幀時間內物料流面積與前幀面積相同，因此引入誤差.3)實驗測量誤差：測量方法不完善、測量者對儀器使用不當、環境條件的變化等引入誤差.因此，今后將研究更為合理的物料瞬時流量計算模型，通過設計合理實驗驗證方式，切實、有效提高帶式輸送機物料瞬時流量激光掃描測量精度、降低誤差.

Count time

Count time

Count time

4 結 論

1)提出了一種基于激光掃描的帶式輸送機物料瞬時流量測量方法.采用單臺激光測距儀設計了一種可三維激光點數據采集的光學系統，實現了高帶速帶式輸送機物料瞬時流量測量.

2)設計了一種面元積分的物料瞬時流量計算模型.結合設計的光學系統采集帶式輸送機物料流三維激光點云，采用該算法對單位時間內物料瞬時流量進行計算，獲取物料流瞬時流量大小.

3)實驗結果表明，設計的基于激光掃描的帶式輸送機物料瞬時流量測量系統在測量帶寬為200 mm槽型帶式輸送機在帶速0.5～1.5 m/s下物料流瞬時流量時，數據重復性和相關性都達到98%以上.該方法采樣間距小、測量精度高、實時性強，具有較強適用性和可靠性，有助于為港口高帶速帶式輸送機自適應節能控制技術提供實時、精確的數據來源.

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Measurement of Material Instantaneous Flow on Belt Conveyors Based on Laser Scanning

ZENG Fei1，2?, WU Qing1, CHU Xiu-ming3, DAI Chao-lei1, YUE Zhang-si1

(1. Key Laboratory for Port Cargo Handling Technology Ministry of Communications, Wuhan Univ of Technology, Wuhan，Hubei 430063，China; 2. School of Transportation, Nantong Univ, Nantong,Jiangsu 226019,China; 3. Engineering Research Center of Transportation Safety (Ministry of Education), Wuhan Univ of Technology ,Wuhan,Hubei 430063,China)

As the instantaneous flow of bulk materials is hard to be accurately measured at a high speed on a large capacity belt conveyor in real-time, a more positive and accurate method to measure the material instantaneous flow on belt conveyor based on laser scanning technology was proposed. When the 3D laser point cloud data of bulk materials' surface profile are acquired at high speed by using 2D laser rangefinder and conveyor speed sensor, preprocessing steps of filtering, outliers excluding and data smoothing are applied. Then an automatic contour extraction method was proposed by analyzing the space morphological characteristics of material flow outline's laser point. By integrating the element area of material cross section, a mathematical model to calculate the instantaneous flow of bulk materials on belt conveyors was established. When measuring a trough belt conveyor whose belt speed is at 0.5 m/s to 2 m/s and bandwidth is 200 mm by using our laser scanning measurement system, the data repeatability and correlation can reach above 98%. Experiment results show that this method has strong applicability and reliability due to its small sample spacing, high measuring accuracy and real-time performance. The acquirement of real-time and accurate data can offer convenience for the further research of energy-saving control technology of belt conveyor in bulk terminal.

measurement; material flow; laser scanning; belt conveyor; energy saving

1674-2974(2015)02-0040-08

2014-07-11

2013年度交通運輸部應用基礎(重點平臺)資助項目(2013329811340)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(14KJB580008)；南通市科技計劃應用項目(BK2014017)

曾 飛(1982-)，女，湖北武漢人，南通大學講師，武漢理工大學博士研究生?通訊聯系人，E-mail:zengfei2008@ntu.edu.cn

TP23；TP249；TH715

A