激光盤煤裝置原理

1、激光盤煤裝置的介紹及原理班級(jí)：碩自動(dòng)化班級(jí)：碩自動(dòng)化142142班班姓名：蘇磊姓名：蘇磊日期：日期：2014年年12月月4日日導(dǎo)師：蘇杰導(dǎo)師：蘇杰目錄1. 激光盤煤裝置產(chǎn)生的技術(shù)背景2. 激光盤煤裝置的組成及原理 2.1盤煤系統(tǒng)硬件組成及工作原理 2.2建立測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)和空間直角坐標(biāo)系 2.3煤堆數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換 2.4三維重建 2.5體積計(jì)算1. 激光盤煤裝置產(chǎn)生的技術(shù)背景 電廠燃煤的庫(kù)存盤點(diǎn)，作為整個(gè)燃料管理系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，有著舉足輕重的重要性。人們一直在尋求一種方法，可以準(zhǔn)確地獲得發(fā)電廠存煤量。早期人們用推煤機(jī)將不規(guī)則煤堆整形，然后用尺子丈量，計(jì)算出煤堆的體積，再乘以煤的比重，得到存煤量將

2、這樣的過(guò)程稱為盤煤但是，這種方法測(cè)量結(jié)果誤差較大。為了準(zhǔn)確地獲得火電廠存煤量，節(jié)省發(fā)電成本，投運(yùn)激光盤煤測(cè)量裝置是一種很好的方法。該系統(tǒng)大大改善了工人的勞動(dòng)條件,減少了人為因素產(chǎn)生的測(cè)量誤差,實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)的自動(dòng)化盤煤?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐證明了該系統(tǒng)安全、可靠、省時(shí),取得了很好的測(cè)量效果。1. 激光盤煤裝置產(chǎn)生的技術(shù)背景 激光盤煤：以激光測(cè)距配以角度測(cè)量完成煤堆表面有限點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)的測(cè)量，用一定方法建模后，計(jì)算出煤堆的體積。激光盤煤儀由于具體的硬件形態(tài)和原理不同，又細(xì)分出幾大類、十幾個(gè)具體型號(hào)。比如：便攜式，全自動(dòng)，斗輪機(jī)式(固定式)，多功能式等。2. 激光盤煤裝置的組成及原理 基本方法原理：利用激

3、光盤煤儀測(cè)量煤堆表面上的有限特征點(diǎn)的空間位置信息（X，Y，Z坐標(biāo)），利用這些點(diǎn)建立煤堆的立體模型，計(jì)算模型的體積，并認(rèn)可其為煤堆的體積，進(jìn)而求算出煤的重量(質(zhì)量)；從以上描述中我們可以看出，影響最后結(jié)果精度的因素有四個(gè)：測(cè)量點(diǎn)的精度，建立模型的精度，計(jì)算體積的精度，密度測(cè)量的精度。前三點(diǎn)是我們?cè)u(píng)價(jià)一款盤煤儀好壞的主要依據(jù)。當(dāng)然，設(shè)備的可靠穩(wěn)定性，使用的便捷性，工作效率的高低等也必須事先考慮到。2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.1盤煤系統(tǒng)硬件組成及工作原理 盤煤系統(tǒng)工作原理是在煤場(chǎng)建立觀測(cè)網(wǎng)和空間坐標(biāo)系，利用精密測(cè)量?jī)x器在觀測(cè)網(wǎng)上采集煤堆輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)按照一定的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為三維坐

4、標(biāo)，利用VC和OpenGL技術(shù)進(jìn)行煤堆三維圖形復(fù)現(xiàn)，用方格網(wǎng)算法計(jì)算煤堆的體積，最終用體積乘以煤的比重獲得存煤量。2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.1盤煤系統(tǒng)硬件組成及工作原理 硬件系統(tǒng)主要完成采集煤堆輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括2個(gè)設(shè)備，1個(gè)多功能測(cè)量設(shè)備用于采集數(shù)據(jù)，個(gè)手持電腦用于收發(fā)數(shù)據(jù)。如圖 1所示。圖1.盤煤系統(tǒng)硬件組成框圖2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.2建立測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)和空間直角坐標(biāo)系 由于在一個(gè)點(diǎn)根本不能觀測(cè)到整個(gè)煤堆的輪廓外形，因此必須建立測(cè)量觀測(cè)網(wǎng) 測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)可以獲得煤堆輪廓的多個(gè)觀測(cè)點(diǎn) 觀測(cè)點(diǎn)又叫基點(diǎn)，設(shè)置在測(cè)量?jī)x器的地方，用來(lái)采集煤堆輪廓特征點(diǎn)數(shù)據(jù); 把煤堆表面的特征點(diǎn)叫碎部點(diǎn)。

5、有時(shí)煤場(chǎng)太大或形狀復(fù)雜，還需建立輔助點(diǎn)，采集的點(diǎn)越密，繪制的三維越逼真 如圖2所示。2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.2建立測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)和空間直角坐標(biāo)系 圖2 輔助點(diǎn)觀測(cè)網(wǎng)2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.2建立測(cè)量觀測(cè)網(wǎng)和空間直角坐標(biāo)系 在現(xiàn)實(shí)世界中，所有的物體都具有三維特征，將三維物體及二維數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的惟一紐帶就是坐標(biāo) 建立空間直角坐標(biāo)系，煤場(chǎng)采樣點(diǎn)才有意義，采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)在同一坐標(biāo)系下，以便于煤堆三維重建。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.3煤堆數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換 煤堆數(shù)據(jù)是按照一定的順序在觀測(cè)點(diǎn)上用儀器測(cè)量煤堆輪廓的特征點(diǎn)獲取的。 手持激光多功能測(cè)距儀 測(cè)量煤堆將獲得斜距方位垂直角，并不

6、是三維坐標(biāo)，因此需進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能獲得煤堆的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.3煤堆數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換 1) 斜距: 測(cè)量?jī)x器到目標(biāo)點(diǎn)的直線距離 用 表示. 2) 方位角: 測(cè)量?jī)x器平視線與正北方向的夾角，用 表示。 3) 垂直角: 測(cè)量?jī)x器的測(cè)點(diǎn)至觀測(cè)目標(biāo)的方向線與水平面間的夾角，用 表示。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.3煤堆數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)采樣過(guò)程: 如圖3所示，設(shè)基點(diǎn) 坐標(biāo)為( 0，0，0) ，通過(guò)基點(diǎn) 的坐標(biāo)去測(cè)量，經(jīng)過(guò)式(1)轉(zhuǎn)換得到 三維坐標(biāo)，依次類推，得到 ， 坐標(biāo)。得到觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)之后，由每個(gè)基點(diǎn)去測(cè)量碎部點(diǎn)。CX測(cè)距儀獲取的每個(gè)點(diǎn)的斜距方位角垂直角，可通過(guò)式(

7、1) 將其轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.3煤堆數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換 式中: x0，y0 ，z0 為原始坐標(biāo)點(diǎn)，可以取( 0，0，0) 或取(1 000，1 000，1 000) 等。 000cossincoscossindddxxsyyszzs2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.3煤堆數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換 圖3煤場(chǎng)數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.4三維重建 先利用Delaunay算法生成煤堆輪廓圖，然后利用VC和OpenGL等技術(shù)生成三維。 令P= , , 為平面域上N個(gè)散點(diǎn)的集合，三角剖分是將P集合中點(diǎn)按一定方式連接成互不交叉的三角形網(wǎng)圖形，Delaunay三角形具有

8、三角剖分最小內(nèi)角為最大和空?qǐng)A性質(zhì)，能夠使生成的三角網(wǎng)最優(yōu)，是一種最常用的方法。Delaunay三角剖分算法用鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)，鏈表包括點(diǎn)鏈表邊鏈表和三角形鏈表。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.4 三維重建 算法實(shí)現(xiàn): 將散亂的點(diǎn)加入點(diǎn)鏈表，用鏈表的頭節(jié)點(diǎn)做第1點(diǎn)，在點(diǎn)鏈表中搜索與其距離最近的點(diǎn)，由這2點(diǎn)鏈成的線作為第一條邊加入邊鏈表。然后在點(diǎn)鏈表中找到與這條邊2個(gè)端點(diǎn)構(gòu)成的角最大的點(diǎn)作為第1個(gè)三角形的第3點(diǎn)，將第1個(gè)三角形加入三角形鏈表。緊接著用第1個(gè)三角形的3條邊分別向3面擴(kuò)展，調(diào)用邊擴(kuò)展算法.如果所有的邊均剖分結(jié)束，三角剖分完成。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.4三維重建 邊擴(kuò)展算法:

9、判斷這條邊被使用過(guò)的次數(shù)，如果此邊已用了2次或只使用一次但它是邊緣，就不需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展 否則，搜索與待擴(kuò)展三角形的第3點(diǎn)分別位于待擴(kuò)展邊兩側(cè)的點(diǎn)，除去冗余點(diǎn)( 包括封閉點(diǎn)) ，比較各點(diǎn)與待擴(kuò)展邊兩端點(diǎn)構(gòu)成的角，構(gòu)成的角最大的點(diǎn)就是擴(kuò)展出的三角形的第3點(diǎn) 。將擴(kuò)展出的三角形加入三角形鏈表。 生成煤堆輪廓圖之后利用OpenGL光照投影等技術(shù)由 實(shí)現(xiàn)煤堆三維圖形顯示。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.5 體積計(jì)算 用方格網(wǎng)算法計(jì)算煤堆體積，再用煤的比重乘以體積得到存煤量。 方格網(wǎng)算法: 將煤場(chǎng)按縱橫2個(gè)方向分成MN個(gè)網(wǎng)格，這一過(guò)程相當(dāng)于把煤堆切成個(gè)MN底為四邊形的小煤柱。計(jì)算各小煤柱的體積。累計(jì)各小煤柱的體積之和，這樣也就計(jì)算出了整個(gè)煤堆的體積，N取值越大，越精確。 2. 激光盤煤裝置的組成及原理2.5 體積計(jì)算 將方格的4個(gè)角上的高程