專利名稱：一種在小顆粒物質(zhì)堆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字化信息場(chǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種能在小顆粒物質(zhì)的堆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)存量盤點(diǎn)以及堆場(chǎng)模型虛擬重建的 方法，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景一個(gè)中型的堆場(chǎng)，往往堆有幾萬(wàn)噸 幾十萬(wàn)噸的小顆粒物質(zhì)，如火力發(fā)電廠的煤場(chǎng)。為了 保證發(fā)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)等特殊的氣候環(huán)境下，仍有燃料供應(yīng)發(fā)電，在煤場(chǎng)貯備著幾十萬(wàn)噸的煤; 煤場(chǎng)每天都有煤被輸送到鍋爐燃燒，又陸續(xù)地有煤送進(jìn)煤場(chǎng)，因此煤場(chǎng)存有多少噸煤往往是 個(gè)未知數(shù)，無(wú)人知道一個(gè)比較準(zhǔn)確的數(shù)字。應(yīng)運(yùn)而生的是各種盤煤裝置，有用激光的，也有 用超聲波的，它們基本上都是應(yīng)用測(cè)距的原理，采用不同的方法，建立一個(gè)煤堆的三維模型， 然后推算出煤堆的體積，折算成重量。因?yàn)槊簣?chǎng)的煤堆有新堆的，有部分被取過(guò)煤的，形狀 五花八門，應(yīng)用測(cè)距原理要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的建立與現(xiàn)場(chǎng)相似的煤堆模型是很困難的；事實(shí)上要 準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量一個(gè)存放有幾萬(wàn)噸煤的無(wú)規(guī)律煤堆的體積，還沒有一個(gè)好方法。目前這些 盤煤裝置，都是測(cè)量靜態(tài)煤堆的，無(wú)法動(dòng)態(tài)的顯示煤堆的變化，也就是說(shuō)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)存 量的盤點(diǎn)以及堆場(chǎng)模型的虛擬重建。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00510038894.4，
公開日2005.10.26，公開了一種立體視覺盤煤方法， 它首先是在煤堆上方安裝成對(duì)攝像機(jī)，將攝像機(jī)邊移動(dòng)邊對(duì)煤堆進(jìn)行拍攝，得到煤堆圖像， 通過(guò)圖像處理計(jì)算匹配模版與所覆蓋子圖之間的相似程度或相關(guān)系數(shù)，選擇共軛點(diǎn)并和它在 左右攝像圖像上投影點(diǎn)的關(guān)系，獲得其空間位置，擬合出煤堆的空間曲面，計(jì)算出煤堆的體 積和重量。該專利提出了一種對(duì)煤場(chǎng)存煤的盤煤方法，不能實(shí)時(shí)的顯示取煤和堆煤時(shí)煤堆的 變化，本發(fā)明是利用在堆場(chǎng)中機(jī)械母體設(shè)備的小皮帶上實(shí)時(shí)檢測(cè)的取料和堆料瞬時(shí)重量和堆 取料點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)實(shí)時(shí)模擬堆場(chǎng)的三維模型圖，并結(jié)合堆場(chǎng)地理信息資源庫(kù)重建出堆場(chǎng) 的數(shù)字化動(dòng)態(tài)信息場(chǎng)，按照人的視角和操作習(xí)慣模擬人在整個(gè)堆場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)， 操作設(shè)備，檢詢各料堆的大小、形狀以及實(shí)時(shí)盤點(diǎn)料堆的重量。 發(fā)明內(nèi)容小顆粒物質(zhì)通常是采用傳輸皮帶，運(yùn)往堆場(chǎng)的；往往也是采用同一條傳輸皮帶運(yùn)出堆場(chǎng); 如火力發(fā)電廠的煤場(chǎng)，采用斗輪機(jī)堆煤，也是采用斗輪機(jī)取煤，無(wú)論是堆煤還是取煤，煤都 要經(jīng)過(guò)斗輪機(jī)懸臂上的小皮帶。在這種情況下，本發(fā)明所要解決的是提供一種基于實(shí)時(shí)重量 測(cè)量和堆取料口三維坐標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行虛擬重建數(shù)字化信息場(chǎng)的方法。對(duì)于一個(gè)小顆粒物質(zhì)的堆場(chǎng)，場(chǎng)地的幾何形狀是不變的。堆場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行軌跡也 是有規(guī)律的。因此我們可以在堆場(chǎng)的機(jī)械設(shè)備上加裝3 4個(gè)數(shù)字編碼器，并設(shè)定位置基準(zhǔn)點(diǎn)。 其中1 2個(gè)數(shù)字編碼器，記錄機(jī)械母體設(shè)備在堆場(chǎng)的位置，如果機(jī)械母體設(shè)備是沿著軌道行 走的，只要一個(gè)數(shù)字編碼器就可知道它的位置；如無(wú)軌道則需用兩個(gè)數(shù)字編碼器，才能確定 它在堆場(chǎng)的具體位置。第3個(gè)數(shù)字編碼器用于采集機(jī)械母體設(shè)備上小皮帶的俯仰角，根據(jù)小 皮帶的實(shí)際長(zhǎng)度和俯仰角度，就可計(jì)算出堆煤小皮帶出口或取煤點(diǎn)的高度；第4個(gè)數(shù)字編碼 器用于記錄小皮帶相對(duì)機(jī)械母體設(shè)備中心軸基準(zhǔn)線的回轉(zhuǎn)角度，結(jié)合回轉(zhuǎn)與俯仰角度，就可 計(jì)算出堆煤小皮帶出口或取煤點(diǎn)相對(duì)機(jī)械母體設(shè)備的坐標(biāo)。這樣我們就可以根據(jù)數(shù)字編碼器 的數(shù)值和機(jī)械母體設(shè)備的外形尺寸特征，推算出堆煤小皮帶出口或取煤點(diǎn)的在煤場(chǎng)相對(duì)于基 準(zhǔn)點(diǎn)的空間位置。如圖1所示，2為堆取物質(zhì)的機(jī)械母體設(shè)備行走軌道，3是機(jī)械母體設(shè)備，4是位置基準(zhǔn) 點(diǎn)，5是安裝在數(shù)字機(jī)械母體設(shè)備上的數(shù)字編碼器，可記錄機(jī)械母體設(shè)備在堆場(chǎng)沿著軌道在X軸方向的位置，十六位的數(shù)字編碼器精度可達(dá)到+，如果軌道的總長(zhǎng)度為300米，數(shù)字編碼器可精確地反映出機(jī)械母體設(shè)備距離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，x=，x仏iV為編碼器的記錄64x1024值，計(jì)算誤差不超過(guò)±5毫米；如在沒有行走軌道情況下，則需在機(jī)械母體設(shè)備上增裝數(shù)字編 碼器6，以記錄機(jī)械設(shè)備母體在堆場(chǎng)Y軸方向的位置。如圖2所示，l是機(jī)械母體設(shè)備，2是安裝在機(jī)械母體設(shè)備上的小皮帶，小皮帶實(shí)際長(zhǎng)度為丄，它的俯仰角度為a， 3是記錄俯仰角的數(shù)字編碼器，假設(shè)允許小皮帶在0°~+70°范圍 內(nèi)變化，小皮帶俯仰基準(zhǔn)水平線設(shè)為O。，小皮帶最大俯仰角為+ 70°，十六位數(shù)字編碼器可記錄"的精度為7()°，小皮帶距離母體基準(zhǔn)點(diǎn)的高度/z,-i:.sina，當(dāng)丄為30米，年的計(jì) 64x1024算高度誤差是毫米級(jí)的，小皮帶的水平投影長(zhǎng)度/ = ^cos"。當(dāng)機(jī)械母體設(shè)備為有軌道型時(shí)，小皮帶往往是安裝在母體的一個(gè)回轉(zhuǎn)盤上，如圖3所示， l為機(jī)械母體設(shè)備，2為母體行走軌道，3為母體上的回轉(zhuǎn)盤，4為小皮帶，當(dāng)母體上的回轉(zhuǎn)盤左右回轉(zhuǎn)時(shí)，小皮帶也跟著回轉(zhuǎn)，圖中/ 是回轉(zhuǎn)的角度，以軌道中心線5為基準(zhǔn)，"一般 不會(huì)超過(guò)±110°，我們把母體基準(zhǔn)點(diǎn)M設(shè)在回轉(zhuǎn)中心上，6是記錄回轉(zhuǎn)角度的十六位數(shù)字編碼器，可記錄yg的精度為 ，小皮帶的投影在X軸方向與母體基準(zhǔn)點(diǎn)M的長(zhǎng)度64x1024、二/.cos-二i:.cosa.cos/ ，小皮帶的投影在Y軸方向與母體基準(zhǔn)點(diǎn)M的長(zhǎng)度<formula>formula see original document page 5</formula>，當(dāng)丄為30米時(shí)，x,和y,的計(jì)算長(zhǎng)度誤差是毫米級(jí)的。數(shù)字編碼器記錄的數(shù)據(jù)均送入主計(jì)算機(jī)，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的外形尺寸，就可以計(jì)算出機(jī)械 母體設(shè)備上小皮帶出口，距離堆場(chǎng)位置基準(zhǔn)點(diǎn)『的平面距離JT和y，如圖4， Z-x + ;c,,r = ;v機(jī)械設(shè)備上小皮帶出口，距離地面的高度// = /2,+^，其中/ 為機(jī)械設(shè)備母體基準(zhǔn)點(diǎn)距離位置基準(zhǔn)點(diǎn)『的固定高度。當(dāng)機(jī)械設(shè)備為無(wú)軌道型時(shí)，7 = ^ +兀，其中少為機(jī)械設(shè)備母體基準(zhǔn)點(diǎn)M與位置基準(zhǔn)點(diǎn)『在Y方向的距離。因此通過(guò)讀取數(shù)字編碼器的值，可以計(jì)算出 小皮帶出口即堆取料點(diǎn)在堆場(chǎng)中的三維坐標(biāo)。實(shí)時(shí)重量測(cè)量設(shè)備安裝在小皮帶上，考慮到測(cè)量重量獲取的實(shí)時(shí)性，盡量安裝在靠近堆 取料口的地方。在堆料時(shí)假定小皮帶是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，那么取料時(shí)小皮帶一定是逆時(shí)針?lè)?向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)小皮帶旋轉(zhuǎn)的方向的開關(guān)量，主計(jì)算機(jī)就可以知道此時(shí)此刻處在取料還是堆料 狀態(tài)。電氣和軟件框圖如圖5，其中數(shù)字編碼器1記錄機(jī)械母體設(shè)備X軸方向位置；數(shù)字編碼 器2記錄機(jī)械母體設(shè)備Y軸方向位置;數(shù)字編碼器3記錄機(jī)械母體設(shè)備上小皮帶俯仰的角度； 數(shù)字編碼器4記錄機(jī)械母體設(shè)備上回轉(zhuǎn)盤即懸臂回轉(zhuǎn)的角度。主計(jì)算機(jī)內(nèi)的堆取料點(diǎn)三維坐標(biāo)分析軟件，根據(jù)數(shù)字編碼器的輸出量以及機(jī)械設(shè)備的固 有尺寸來(lái)計(jì)算堆取料點(diǎn)的三維空間位置；實(shí)時(shí)重量測(cè)量設(shè)備提供瞬時(shí)物流量，由主計(jì)算機(jī)重 量計(jì)算軟件來(lái)累積計(jì)算小顆粒物質(zhì)進(jìn)堆場(chǎng)或出堆場(chǎng)的重量。信息場(chǎng)庫(kù)是基于堆場(chǎng)的地理信息資源庫(kù)，三維立體堆場(chǎng)仿真軟件利用信息場(chǎng)庫(kù)并結(jié)合機(jī) 械母體設(shè)備三維結(jié)構(gòu)、堆料和取料的固有特征以及堆取料口的三維坐標(biāo)，堆取物質(zhì)的重量和歷史的信息，虛擬重建出整個(gè)堆場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，仿真出堆料和取料的工作過(guò)程，同時(shí)可 實(shí)時(shí)檢詢各料堆的大小、形狀以及實(shí)時(shí)盤點(diǎn)料堆的重量和整個(gè)堆場(chǎng)物質(zhì)的庫(kù)存量。在堆料時(shí)，從堆料口落下的小顆粒狀物質(zhì)，形成自然落體錐形狀，如圖6，如果是在煤場(chǎng)上的Z角度， 一般為43°左右。這樣就可以由計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)重量測(cè)量設(shè)備檢測(cè)到的瞬時(shí)物質(zhì)流量通過(guò)三維立體堆場(chǎng)仿真軟件模擬煤堆不斷擴(kuò)大的形狀，并結(jié)合獲取的堆取料點(diǎn)的三維 坐標(biāo)虛擬重建出堆場(chǎng)不斷變化的三維模型。如果場(chǎng)地上原來(lái)有物質(zhì)，那么主計(jì)算機(jī)一定保留 了原堆場(chǎng)的三維模型，隨著堆料的進(jìn)行，可根據(jù)原堆場(chǎng)的形狀和現(xiàn)堆料的重量和位置等信息， 虛擬重建出出新的堆場(chǎng)模型，并保留在主計(jì)算機(jī)中，以備實(shí)時(shí)檢詢。取料時(shí)，由取料設(shè)備特性決定會(huì)留下的固有物質(zhì)形狀，根據(jù)取料點(diǎn)的位置以及主計(jì)算機(jī) 記錄的堆場(chǎng)三維模型以及由實(shí)時(shí)重量測(cè)量設(shè)備檢測(cè)到的取料重量，利用三維立體堆場(chǎng)仿真軟件實(shí)時(shí)、連續(xù)重建出新的堆場(chǎng)三維模型，如圖7。在檢詢時(shí)，只要點(diǎn)擊相應(yīng)的三維模型圖，就可實(shí)時(shí)顯示出某堆物質(zhì)的庫(kù)存量。應(yīng)用虛擬 現(xiàn)實(shí)手段，可按照人的視角模擬人在整個(gè)堆場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，同時(shí)模擬出堆料和取 料時(shí)的設(shè)備操作過(guò)程，能讓操作人員有身臨其境的感覺。


圖1是數(shù)字編碼器記錄堆場(chǎng)機(jī)械母體設(shè)備位置示意圖；圖2是數(shù)字編碼器記錄堆場(chǎng)機(jī)械母體設(shè)備上小皮帶俯仰角示意圖；圖3是數(shù)字編碼器記錄堆場(chǎng)機(jī)械母體設(shè)備上小皮帶回轉(zhuǎn)角示意圖；圖4是計(jì)算堆取料點(diǎn)在堆場(chǎng)中的三維坐標(biāo)原理示意圖；圖5是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息場(chǎng)的電氣和軟件框圖；圖6是堆料三維模型示意圖；圖7是取料三維模型示意圖。
權(quán)利要求
1.一種在小顆粒物質(zhì)堆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息場(chǎng)的方法，其特性在于(1)在堆場(chǎng)中機(jī)械母體設(shè)備的小皮帶上實(shí)時(shí)檢測(cè)小顆粒物質(zhì)瞬時(shí)重量。(2)根據(jù)小顆粒物質(zhì)堆料時(shí)自由落體特征與堆料重量、取料時(shí)由取料設(shè)備形成的固有特征形態(tài)與取料重量，以及實(shí)時(shí)檢測(cè)到的堆取料點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)模擬出堆場(chǎng)的三維模型圖，同時(shí)可實(shí)時(shí)顯示出整個(gè)堆場(chǎng)物質(zhì)的庫(kù)存量。(3)采用虛擬現(xiàn)實(shí)手段，結(jié)合堆場(chǎng)地理信息資源庫(kù)，根據(jù)歷史的信息與當(dāng)前的數(shù)據(jù)重建出堆場(chǎng)的數(shù)字化動(dòng)態(tài)信息場(chǎng)，可按照人的視角和操作習(xí)慣模擬人在整個(gè)堆場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，操作設(shè)備，檢詢各料堆的大小、形狀以及實(shí)時(shí)盤點(diǎn)料堆的重量等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能在小顆粒物質(zhì)的堆場(chǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)庫(kù)存量盤點(diǎn)以及堆場(chǎng)模型虛擬重建的方法，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)領(lǐng)域。該方法實(shí)時(shí)地檢測(cè)堆場(chǎng)中機(jī)械母體設(shè)備中小皮帶上的小顆粒物質(zhì)瞬時(shí)重量，根據(jù)小顆粒物質(zhì)堆料時(shí)自由落體特征與堆料重量，取料時(shí)由取料設(shè)備形成的固有特征形態(tài)與取料重量，以及實(shí)時(shí)檢測(cè)到的堆取料點(diǎn)相對(duì)堆場(chǎng)位置基準(zhǔn)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)模擬出堆場(chǎng)的三維模型圖，并實(shí)時(shí)顯示整個(gè)堆場(chǎng)物質(zhì)的庫(kù)存量；采用虛擬現(xiàn)實(shí)手段，結(jié)合堆場(chǎng)地理信息資源庫(kù)，根據(jù)歷史的信息與當(dāng)前的數(shù)據(jù)重建出堆場(chǎng)的數(shù)字化動(dòng)態(tài)信息場(chǎng)，可按照人的視角和操作習(xí)慣模擬人在整個(gè)堆場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，操作設(shè)備，檢詢各料堆的大小、形狀以及實(shí)時(shí)盤點(diǎn)料堆的重量等。
文檔編號(hào)G01B21/02GK101290216SQ200710039798
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者沈文忠, 高幼年 申請(qǐng)人:高幼年;沈文忠