给料斗内堆料体积动态测量方法及系统与流程

1.本发明涉及堆料体积测量领域，具体涉及一种给料斗内堆料体积动态测量方法及系统。


背景技术：

2.给料斗中堆料的体积因给料斗下端堆料的消耗以及上端堆料的供给而不停的变化着，同时由于堆料的种类不同，形态不同等，使得给料斗中堆料的体积的难以估算以及监测，而监测给料斗中堆料的体积有助于提高给料的效率，同时提高生产作业的安全性。
3.例如，在焚烧垃圾时，把垃圾装入给料斗然后输送给焚烧炉进行燃烧，由于垃圾种类多样化、体积不均匀，导致给料斗内垃圾体积离散不均匀，影响了给料的效率，进一步影响焚烧炉垃圾燃烧的高效性，而人工现场监测需要经验丰富的工作人员实时高度集中观测，这不仅无法精确估计垃圾需给料情况，而且在恶劣的垃圾给料环境中容易造成安全事故。
4.现有技术中垃圾体积测量的包括直接测量和间接测量，直接测量是把垃圾放入规则容器中，然后压缩成规则形状，直接用体积公式计算，这种方法计算简单，但是前处理需要耗费大量时间和成本，且不适用与给料斗垃圾测量。同时实际中，给料斗垃圾是实时动态的，一方面通过给料铲需要按照给料斗已有垃圾量投入垃圾，另外一方面给料斗下方垃圾输出并供燃烧，给料斗垃圾存在输入、输出动态变化，需要快速的提供给料斗垃圾的实时体积、日投放以及燃烧垃圾体积，方便垃圾量化及发电运维管理。
5.综上所述，目前的技术无法满足给料斗内垃圾体积高效精准测量，因此亟需一种给料斗堆料体积高精度快速测量方法以满足上述需求。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种给料斗内堆料体积动态测量方法及系统。
7.为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种给料斗内堆料体积动态测量方法，包括以步骤：
8.于同一位置a分别同时采用激光传感器和超声传感器按a
i
×
a
j
矩形单元间距无缝扫描给料斗内堆料表面，分别采集激光传感器、超声传感器到每个a
i
×
a
j
矩形单元内的堆料表面的距离；
9.对应于每个a
i
×
a
j
矩形单元，取激光传感器、超声传感器所采集的距离中的最大值作为位置a与对应a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离；
10.根据位置a与每个a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离求得给料斗内的剩余空间，计算给料斗的总容量与给料斗内的剩余空间的差值得到给料斗内堆料体积。
11.令第n个a
i
×
a
j
矩形单元内激光扫描所采集的距离参数为包含其
距离信息的矩阵
12.超声扫描所采集第n个a
i
×
a
j
矩形单元的距离参数为包含其距离信息的矩阵
13.给料斗内堆料体积计算公式为：
[0014]14.指给料斗内堆料的基准体积，指给料斗内的剩余空间，h0表示修正距离参数，n表示a
i
×
a
j
矩形单元的数量。
[0015]
该给料斗内堆料体积动态测量方法实现了给料斗内堆料体积的高效精准快速测量。
[0016]
该给料斗内堆料体积动态测量方法的优选方案：t时长后，于位置a采用超声传感器按a
i1
×
a
j1
矩形单元间距无缝扫描料斗内堆料表面，采集超声传感器到每个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的距离，如超声传感器到某个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的距离较上一次测量时发生变化，则于位置a采用激光传感器、超声传感器对对应a
i1
×
a
j1
矩形单元以a
i
×
a
j
矩形单元间距进行无缝扫描堆料表面，采集激光传感器、超声传感器到对应a
i1
×
a
j1
矩形单元内每个a
i
×
a
j
矩形单元的堆料表面的距离，a
i1
×
a
j1
大于a
i
×
a
j
；
[0017]
取激光传感器、超声传感器当前所采集的距离中的最大值作为位置a与对应a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离，求得当前时刻与上一时刻位置a与对应a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离差，基于该距离差求得对应a
i1
×
a
j1
矩形单元在当前时刻较上一时刻的体积变化量；将所有a
i1
×
a
j1
矩形单元在当前时刻较上一时刻的体积变化量求和，得到当前时刻较上一时刻给料斗内堆料体积的总变化量；
[0018]
将上一时刻的给料斗内堆料体积与所述给料斗内堆料体积的总变化量求和，得到当前料斗内堆料体积。
[0019]
这进一步实现了给料斗内堆料体积的动态高效精准快速测量。
[0020]
该给料斗内堆料体积动态测量方法的优选方案：判断超声传感器到某个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的距离较上一次测量时是否发生变化的方法为：
[0021]
将t时长后超声传感器到每个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的最小距离与上述超声传感器对每个a
i1
×
a
j1
矩形单元各自对应面积范围内的a
i
×
a
j
矩形单元的最小距离进行比较，检查是否有变化。
[0022]
该给料斗内堆料体积动态测量方法的优选方案：控制所述激光传感器和超声传感
器按固定时间扫描间隔δt和起始角度α0对给料斗内堆料体积进行动态测量。
[0023]
本发明还提出了一种给料斗内堆料体积动态测量系统，包括控制单元、工控机和激光超声传感测量装置，所述控制单元与工控机连接，相互通信，向工控机发送初始化参数，所述控制单元与激光超声传感测量装置连接，控制激光超声传感测量装置的超声传感器、激光传感器同时或分时扫描料斗内堆料表面；
[0024]
所述激光超声传感测量装置设置于一转动装置上，所述转动装置与所述工控机连接，所述工控机控制转动装置水平方向转动和/或垂直水平方向转动；
[0025]
所述工控机按上述的给料斗内堆料体积动态测量方法对给料斗内堆料体积进行测量。
[0026]
所述转动装置包括舵机和旋转平台，所述舵机和旋转平台分别与所述工控机连接，所述工控机控制舵机水平转动、控制旋转平台垂直水平方向转动。
[0027]
本发明的有益效果是：本发明能够实时动态测量给料斗内堆料的体积，且精度高、速度快，特别适用于焚烧炉垃圾处理时给料斗内垃圾体积的监测，为焚烧炉垃圾处理高效化提供新的途径，本发明还同样适用于其它堆料体积测量领域，如煤矿、粮仓等，具有广泛应用前景。
[0028]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0029]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0030]
图1是t0时刻给料斗内堆料体积动态测量方法的流程示意图；
[0031]
图2是t1时刻、t
k
时刻给料斗内堆料体积动态测量方法的流程示意图；
[0032]
图3是给料斗内堆料体积动态测量系统的结构示意图。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0035]
本发明提供了一种给料斗内堆料体积动态测量方法，通过在给料斗上布置激光传感器和超声传感器来扫描到堆料表面点的距离信息，基于积分原理和动态插值补偿算法完成堆料表面轮廓测量，分别获取激光小尺度细节信息以及超声大尺度近似信息，结合非接触测量原理计算出料斗内的垃圾体积量。
[0036]
具体地，如图1和图2所示，该给料斗内堆料体积动态测量方法具体为：
[0037]
首先初始化：根据给料斗的尺寸参数，计算给料斗总容量体积v，设置固定时间扫
描间隔δt和起始角度α0以及基准体积更新间隔时间t。
[0038]
开始测量，步骤1：在初始时刻t0时，于同一位置a分别同时采用激光传感器和超声传感器按a
i
×
a
j
矩形单元间距无缝扫描料斗内堆料表面，通过激光传感器、超声传感器的测距原理，分别采集激光传感器、超声传感器到每个a
i
×
a
j
矩形单元内的堆料表面的距离。激光传感器发射激光，在给料斗内堆料表面产生高亮激光点，超声波传感器发射高频超声声波，表现为高指向性声信号，能够测量其正前方波阵面的最大值点。这里的位置a可以是给料斗的正上方，也可以是给料斗侧上方。a
i
为平面空间水平方向间距，可以对应三维空间里的x轴方向间距，a
j
为平面空间垂直方向间距，可以对应三维空间里的y轴方向间距。
[0039]
令第n个a
i
×
a
j
矩形单元内激光传感器所采集的距离参数为k＝1,2,3,4是由于激光传感器在采集距离信息时，会采集其与矩形单元四个顶点所对应的堆料表面之间的距离，因此，激光传感器在每个矩形单元内采集四个距离参数，k＝1,2,3,4，t0时刻激光传感器采集的距离信息的矩阵
[0040]
超声传感器所采集第n个a
i
×
a
j
矩形单元的距离参数为k＝1,2,3,4的原因是由于超声传感器在每个矩形单元内采集四个距离参数，t0时刻超声传感器采集的距离信息的矩阵集的距离信息的矩阵
[0041]
对应于每个a
i
×
a
j
矩形单元，取激光传感器、超声传感器所采集的距离中的最大值作为位置a与对应a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离。
[0042]
根据位置a与每个a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离求得给料斗内的剩余空间，计算给料斗的总容量与给料斗内的剩余空间的差值得到给料斗内堆料体积。
[0043]
因此：给料斗内堆料体积计算公式为：
[0044][0044]
指t0时刻料斗内堆料体积，也称作基准体积，指t0时刻给料斗内的剩余空间，h0表示修正距离参数，n表示a
i
×
a
j
矩形单元的数量。因为在同一矩形单元扫描范围内，如果激光传感器所测得值比超声传感器所测得的值小，则说明激光点位于黑色、透明或者空心化垃圾表面，此时激光传感器所测的当前距离值为无效值，采用差值补充策略，用对内对应矩形单元的距离值进行修正，因此即激光测量准确，则取激光传感器测量距离，不准确则取超声传感
器所测距离。
[0045]
本实施例的优选方案，θ为激光传感器、超声传感器测量时与给料斗料口所在平面的夹角。
[0046]
该实施例的优选方案，如图2所示，还包括步骤2：在t1时长后(基于测量系统设置或者外部总线控制输入信号确认)，于位置a采用超声传感器按a
i1
×
a
j1
矩形单元间距无缝扫描料斗内堆料表面，采集超声传感器到每个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的距离，获得距离信息矩阵距离信息矩阵m为a
i1
×
a
j1
矩形单元的个数。
[0047]
将t1时刻超声传感器到每个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的最小距离与超声传感器在t0时刻对各个a
i1
×
a
j1
矩形单元各自对应的面积范围内所采集的距离值的最小距离进行比较，检查是否有变化。具体为：设t1时刻的步长为t0时刻步长的k倍，a
i1
×
a
j1
矩形单元应该是a
i
×
a
j
矩形单元面积k2倍，将超声传感器在t1时刻在a
i1
×
a
j1
矩形单元内采集的四个距离值的最小值和与该a
i1
×
a
j1
矩形单元对应面积范围内t0时刻所采集的4k2个距离值的最小值进行对比，检查是否有变化。
[0048]
比如k＝2，将超声传感器在t1时刻在a
i1
×
a
j1
矩形单元采集的距离信息矩阵中的最小值与超声传感器在该a
i1
×
a
j1
矩形单元对应面积范围内在t0时刻所采集的距离信息矩阵的最小值进行对比，检查距离最小值是否有变化，即判断是否大于或是否小于
[0049]
如超声传感器在t1时刻到某个a
i1
×
a
j1
矩形单元内的堆料表面的最小距离较其在t0时刻采集的最小距离发生变化，记该变化值为设置一个变化值阈值b，可预先通过人为进行设置，b>0，当时，认为此时堆料表面的最小距离较其在t0时刻采集的最小距离发生变化，则于位置a采用激光传感器、超声传感器对对应a
i1
×
a
j1
矩形单元以a
i
×
a
j
矩形单元间距进行无缝扫描堆料表面，采集激光传感器、超声传感器到对应a
i1
×
a
j1
矩形单元内每个a
i
×
a
j
矩形单元的堆料表面的距离，获得此时激光传感器的距离矩阵信息超声传感器的距离矩阵信息u为对应a
i1
×
a
j1
矩形单元内a
i
×
a
j
矩形单元的数量。
[0050]
然后再取激光传感器所采集的距离距离矩阵、超声传感器所采集的距离矩阵中的最大值作为位置a与对应a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离，求得当前时刻与上一时刻位置a与对应a
i
×
a
j
矩形单元堆料表面的距离差h'，基于该距离差求得当前时刻较上一时刻的对应a
i1
×
a
j1
矩形单元所对应的体积变化量δv1；即
[0051]
整个给料斗的体积变化量即所有a
i1
×
a
j1
矩形单元对应体积变化总和。
[0052]
将上一时刻的给料斗内堆料体积与所述体积变化量求和，得到当前料斗内堆料体积，即
[0053]
该实施例的优选方案，还包括步骤3：在t
k
时刻,若t
k
时长为设置的基准体积测量间隔周期t’的整数倍时，则直接按步骤1测量给料斗内堆料体积：分别同时控制激光传感器、超声传感器的发射和接收，按照a
i
×
a
j
矩形单元步长扫描，获取新的基准体积，并更新基准体积；否则按步骤2测量给料斗内堆料体积：先控制超声传感器完成快速扫描，不断更新检查体积是否变化，如发生变化，则基于超声测量矩阵变化的矩形单元网格位置，通过控制激光传感器完成超声传感器快速扫描时对应的矩形单元网格的扫描，基于步骤2完成对给料斗内垃圾体积进行动态实时更新。
[0054]
本实施例中，扫描夹角是变化的，但扫描步长是恒定的，按现有方法不断的调整检测的夹角，以使在垃圾表面以相同的步长进行检测。
[0055]
如图3所示，本技术还提出了一种给料斗内堆料体积动态测量系统，包括控制单元1、工控机(未图示)和激光超声传感测量装置7，所述控制单元1与工控机连接，相互通信，向工控机发送初始化参数，包括扫描角度、时间间隔、扫描指令等；控制单元1与激光超声传感测量装置7连接，控制激光超声传感测量装置7的超声传感器、激光传感器信号的发射和接收，控制超声传感器、激光传感器同时或分时扫描给料斗6内堆料5表面。
[0056]
激光超声传感测量装置7设置于一转动装置上，该转动装置由一固定装置4固定于给料斗6的上方，所述转动装置与所述工控机连接，所述工控机控制转动装置水平方向转动和/或垂直水平方向转动；
[0057]
工控机按上述的给料斗内堆料体积动态测量方法对给料斗6内堆料体积进行测量。转动装置包括舵机2和旋转平台3，舵机2和旋转平台3分别与工控机连接，工控机控制舵机2水平转动、控制旋转平台3垂直水平方向转动，工控机通过程序控制舵机2和旋转平台3从而实现扫描角度的控制。
[0058]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0059]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。