基于毫米波雷达实现大型仓储3D成像物料计量的装置及方法与流程

基于毫米波雷达实现大型仓储3d成像物料计量的装置及方法
技术领域
1.本发明涉及物料测定技术领域，特别是基于毫米波雷达实现大型仓储3d成像物料计量的装置及方法。


背景技术：

2.目前用于大型仓储物料料位计量的高频雷达只能对物料表面某一点位进行距离测量，不能精确计量物料容量和重量，毫米波雷达工作在毫米波段，通常毫米波是指30～300ghz频段，波长为1～10mm，毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点，同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点，与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，对于大面积曲面料位测量现有的第一种方法是采用分布式安装的多台毫米波雷达同时测量一组料位数据求取平均值，此方法成本较高、安装不便、维护困难，而且测量过程中存在大面积盲区只能采用估计数值，误差很大；第二种方法是采用双舵机驱动雷达天线进行x
‑‑
y坐标扫描，通过测量大量距离数据再求解平均料位，此方法虽然成本不高，但是因为有复杂的运动机械结构不适合用于高粉尘高污染高腐蚀环境，高粉尘高污染高腐蚀环境会影响甚至损坏运动机械结构从而影响雷达天线的运动；第三种方法是某国外品牌把5台雷达固定在一个超大型壳体内部，号称3d雷达扫描仪，实际上仍然是多点“孤岛”测量方法，不仅成本高误差大而且安装困难、维护不便，必须使用超大尺寸非标法兰和大孔径转接钢管支撑设备，具有一定的局限性。


技术实现要素：

3.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了基于毫米波雷达实现大型仓储3d成像物料计量的装置及方法，通过设置伺服驱动模块驱动雷达模块在球形辐射窗内在不同的雷达模块俯仰角下不断进行往复旋转，一系列雷达模块俯仰角度值就对应被测量物料表面上的一系列投影同心圆环，足够密集的同心圆环覆盖物料表面，使得雷达模块对物料表面料位的数据采集充分精确，实现对物料仓内360
°
往复扫描式料位距离测量，相应的上位机程序根据坐标数据自动绘制3d仓储料位数学模型，结合被测物料的比重常数可以精确计算出被测的几何仓体内物料容积和重量，该装置安装与维护均较为方便，而且由于该装置可以对被测物料表面进行全方面的扫描测量所以不存在测量盲区，误差很小具有较高的精确度，通过设置除尘模块使得该装置可以工作在高粉尘高污染高腐蚀环境，除尘模块可以将装置工作过程中粘附的粉尘通过超声波振动去除，防止粉尘堆积在装置上影响雷达的探测效果，而且装置的密封隔离仓管为耐高温不锈钢材质既可以隔离粉尘又耐腐蚀，通过设置温度控制模块可以使雷达主机工作过程中内部产生的热空气通过温度控制模块与外部空气进行热量交换从而使得雷达主机内部温度保持恒温，为电路模块提供安全的工作环境，通过系统配套的上位机程序根据雷达上传数据建立数据库、数据报表和3d仓储容量模型并在集控中心大屏幕上直观显示，系统自动生成过程控制参数报表和定期库存盘点
报表，实现可视化生产线信息管理平台，便于对大型物料仓内的物料进行智能化管理。
4.其解决的技术方案是，基于毫米波雷达实现大型仓储3d成像物料计量的装置，包括雷达主机，其特征在于，所述雷达主机下端面固定连接有法兰盘，法兰盘下端面固定连接有向下伸出的密封隔离仓管，密封隔离仓管最下端固定连接有球形辐射窗，球形辐射窗为透明材质，所述雷达主机内部从上到下依次设置有仪表数据通讯模块、人机接口模块、温度控制模块、除尘模块和直流电源模块，密封隔离仓管下端内部设有伺服驱动模块，雷达主机通过伺服驱动模块驱动连接有位于球形辐射窗内部的雷达模块，雷达模块输出端呈半球形。
5.作为优选，所述伺服驱动模块包括与密封隔离仓管固定连接的固定法兰盘，固定法兰盘上横向转动连接有支撑架，支撑架上竖向转动连接有承物盘，雷达模块与承物盘固定连接，承物盘上固定连接有转轴水平布置的俯仰角调节半齿轮，支撑架下端面固定连接有俯仰角扫描电机，俯仰角扫描电机输出轴与俯仰角调节半齿轮通过齿轮配合连接，固定法兰盘上固定连接有方位角扫描电机，方位角扫描电机的输出轴与支撑架下端面同轴固定连接。
6.作为优选，所述俯仰角扫描电机通过与俯仰角调节半齿轮的齿轮配合驱动承物盘和雷达模块在竖向做俯仰角0
°
到70
°
的摆动，方位角扫描电机驱动支撑架和雷达模块做360
°
往复旋转。
7.作为优选，所述人机接口模块与外部计算机相连接用于实现信息传输，仪表数据通讯模块用于完成数据采集和数据处理，直流电源模块为雷达主机提供电源动力。
8.作为优选，所述温度控制模块包括固定连接在雷达主机壳体上端面的半导体制冷器，半导体制冷器下端面为降温面且降温面与雷达主机壳体内部空间相接触。
9.作为优选，所述除尘模块包括超声波吹灰器，超声波吹灰器内设置有超声波压电晶体驱动器，超声波压电晶体驱动器电性连接有电极、压电晶片和超声波喇叭。
10.作为优选，所述雷达主机上端面竖向转动连接有防尘盖。
11.本发明技术方案还提供一种基于毫米波雷达实现大型仓储3d成像物料计量的方法，包括以下步骤：步骤一：将雷达主机通过法兰盘固定连接在物料仓上端面，并且使密封隔离仓管和球形辐射窗向下伸入物料仓内部，关闭防尘盖，如果物料仓内部为高压工作环境，需要在密封隔离仓管内预充一定压力的空气或惰性气体抵抗外部压力；步骤二：打开直流电源模块开关为雷达主机进行供电，同时雷达主机内部的仪表数据通讯模块、人机接口模块、温度控制模块、除尘模块和伺服驱动模块均进行通电开始工作；步骤三：雷达模块在伺服驱动模块中的俯仰角扫描电机的驱动下调整俯仰角从0
°
到70
°
方向摆动，在雷达模块被调整到设定的俯仰角后，方位角扫描电机带动雷达模块做360
°
往复旋转运动完成设定雷达模块俯仰角下对被测物料堆积曲面的一次测量，然后重复上述操作，不断调整雷达模块的俯仰角并完成360
°
往复旋转测量，雷达模块发出的各个方向的雷达波束透过球形辐射窗对物料仓内部全空间进行扫描，对被测物料堆积曲面坐标进行连续测量，每一个雷达模块俯仰角对应一个波束扫描圆锥角度值，雷达模块方位角360
°
旋转一周对应被测量物料表面上的一个投影圆环，一系列雷达模块俯仰角度值就对应被测
量物料表面上的一系列投影同心圆环，足够密集的同心圆环覆盖物料表面，使得雷达模块对物料表面料位的数据采集充分精确，在测量过程中仪表数据通讯模块将测得的基础料位数值显示在雷达主机的本体操作屏幕上；步骤四：雷达模块将测得的数据通过人机接口模块传输给外部计算机，外部计算机系统配套的上位机程序根据雷达模块测得的坐标数据采用同位点多周期采样平均值和同时刻多位点采样加权计算相结合的方法，绘制极坐标3d物料断层扫描图并最终绘制出3d仓储料位数学模型，并且根据曲面峰谷割补法求得料位平面平均值，结合被测物料的比重常数计算特定几何仓体的物料容积和重量；步骤五：外部计算机系统配套的上位机程序根据雷达模块上传的数据建立数据库、数据报表和3d仓储容量模型并在集控中心大屏幕上直观显示，系统自动生成过程控制参数报表和定期库存盘点报表，实现可视化生产线信息管理平台。
12.本发明有益效果是：1.通过设置伺服驱动模块驱动雷达模块在球形辐射窗内在不同的雷达模块俯仰角下不断进行往复旋转，一系列雷达模块俯仰角度值就对应被测量物料表面上的一系列投影同心圆环，足够密集的同心圆环覆盖物料表面，使得雷达模块对物料表面料位的数据采集充分精确，实现对物料仓内360
°
往复扫描式料位距离测量，相应的上位机程序根据坐标数据自动绘制3d仓储料位数学模型，结合被测物料的比重常数可以精确计算出被测的几何仓体内物料容积和重量；2.该装置安装与维护均较为方便，而且由于该装置可以对被测物料表面进行全方面的扫描测量所以不存在测量盲区，误差很小具有较高的精确度；3.通过设置除尘模块使得该装置可以工作在高粉尘高污染高腐蚀环境，除尘模块可以将装置工作过程中粘附的粉尘通过超声波振动去除，防止粉尘堆积在装置上影响雷达的探测效果，而且装置的密封隔离仓管为耐高温不锈钢材质既可以隔离粉尘又耐腐蚀；4.通过设置温度控制模块可以使雷达主机工作过程中内部产生的热空气通过温度控制模块与外部空气进行热量交换从而使得雷达主机内部温度保持恒温，为电路模块提供安全的工作环境；5.通过系统配套的上位机程序根据雷达上传数据建立数据库、数据报表和3d仓储容量模型并在集控中心大屏幕上直观显示，系统自动生成过程控制参数报表和定期库存盘点报表，实现可视化生产线信息管理平台，便于对大型物料仓内的物料进行智能化管理。
附图说明
13.图1为本发明整体示意图。
14.图2为本发明伺服驱动模块装置示意图。
15.图3为本发明雷达模块运动的空间矢量图。
16.图4为本发明雷达模块运动在水平面上的极坐标示意图。
17.图5为本发明除尘模块装置示意图。
18.图6为本发明半导体制冷器装置示意图。
19.图7为本发明毫米波雷达3d成像物料计量装置的上位机程序界面示意图。
20.附图标记
1.雷达主机，2.法兰盘，3.密封隔离仓管，4.球形辐射窗，5.仪表数据通讯模块，6.人机接口模块，7.温度控制模块，8.除尘模块，9.直流电源模块，10.伺服驱动模块，11.雷达模块，12.固定法兰盘，13.支撑架，14.承物盘，15.俯仰角调节半齿轮，16.俯仰角扫描电机，17.方位角扫描电机，18.半导体制冷器，19.超声波吹灰器，20.超声波压电晶体驱动器，21.电极，22.压电晶片，23.超声波喇叭，24.防尘盖。
具体实施方式
21.以下结合附图1-7对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。
22.本发明在使用时，首先将雷达主机1通过法兰盘2固定连接在物料仓上端面，并且使密封隔离仓管3和球形辐射窗4向下伸入物料仓内部，然后关闭雷达主机1上端面竖向转动连接的防尘盖24，如果物料仓内部为高压工作环境，需要在密封隔离仓管3内预充一定压力的空气或惰性气体以增加密封隔离仓管3内部压力从而抵抗外部压力防止密封隔离仓管3在高压工作环境下发生变形，密封隔离仓管3为耐高温不锈钢材质可以有效防止高温变形和腐蚀的情况发生，然后打开直流电源模块9开关为雷达主机1进行供电，同时雷达主机1内部的仪表数据通讯模块5、人机接口模块6、温度控制模块7、除尘模块8和伺服驱动模块10均进行通电开始工作，雷达主机1通过伺服驱动模块10连接有位于球形辐射窗4内部的雷达模块11，雷达模块11输出端呈半球形，伺服驱动模块10包括与密封隔离仓管3固定连接的固定法兰盘12，固定法兰盘12上横向转动连接有支撑架13，支撑架13上竖向转动连接有承物盘14，雷达模块11与承物盘14固定连接，承物盘14上固定连接有转轴水平布置的俯仰角调节半齿轮15，支撑架13下端面固定连接有俯仰角扫描电机16，俯仰角扫描电机16输出轴与俯仰角调节半齿轮15通过齿轮配合连接，固定法兰盘12上固定连接有方位角扫描电机17，方位角扫描电机17的输出轴与支撑架13下端面同轴固定连接，俯仰角扫描电机16通过与俯仰角调节半齿轮15的齿轮配合驱动俯仰角调节半齿轮15进行一定角度的转动进而驱动承物盘14和雷达模块11在竖向做俯仰角0
°
到70
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的摆动，方位角扫描电机17驱动支撑架13和雷达模块11做360
°
往复旋转，在雷达主机1开始工作后，雷达模块11在伺服驱动模块10中的俯仰角扫描电机16的驱动下调整俯仰角从0
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到70
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方向摆动，在雷达模块11被调整到设定的俯仰角后，方位角扫描电机17带动雷达模块11做360
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往复旋转运动完成设定雷达模块11俯仰角下对被测物料堆积曲面的一次测量，然后重复上述操作，不断调整雷达模块11的俯仰角并完成360
°
往复旋转测量，雷达模块11发出的各个方向的雷达波束透过球形辐射窗4对物料仓内部全空间进行扫描，球形辐射窗4为透明材质，球形辐射窗4作为透镜天线腔体，由石英材质或者pa12材质构成，雷达模块11发出的各个方向的雷达波束对被测物料堆积曲面坐标进行连续测量，每一个雷达模块11俯仰角对应一个波束扫描圆锥角度值，雷达模块11方位角360
°
旋转一周对应被测量物料表面上的一个投影圆环，一系列雷达模块11俯仰角度值就对应被测量物料表面上的一系列投影同心圆环，足够密集的同心圆环覆盖物料表面，使得雷达模块11对物料表面料位的数据采集充分精确，在测量过程中仪表数据通讯模块5将测得的基础料位数值显示在雷达主机1的本体操作屏幕上。
23.在雷达主机1工作过程中，人机接口模块6与外部计算机相连接用于实现信息传输，人机接口模块6将雷达模块11测得的数据通过人机接口模块6传输给外部计算机进行处理，仪表数据通讯模块5用于完成数据采集和数据处理并且将测得的基础料位数值显示在
雷达主机1的本体操作屏幕上。
24.在雷达主机1工作过程中，温度控制模块7也在不断工作防止雷达主机1壳体内部温度过高，温度控制模块7包括固定连接在雷达主机1壳体上端面的半导体制冷器18，半导体制冷器18下端面为降温面且降温面与雷达主机1壳体内部空间相接触，半导体制冷器18工作时半导体制冷器18与雷达主机1壳体内部空间相接触的下端面进行降温同时半导体制冷器18与外部空间接触的上端面进行升温，从而可以使雷达主机1在工作过程中内部产生的热空气通过温度控制模块7与外部空气进行热量交换从而使得雷达主机1内部温度保持恒温，这样就为雷达主机1内部的电路模块提供了安全的工作环境。
25.在雷达主机1的工作环境为高粉尘环境时，由于粉尘的吸附作用需要除尘模块8对粘附在雷达主机1和密封隔离仓管3以及球形辐射窗4表面的粉尘进行及时处理，防止粉尘堆积在装置表面影响雷达模块11的探测效果，除尘模块8包括超声波吹灰器19，超声波吹灰器19内设置有超声波压电晶体驱动器20，超声波压电晶体驱动器20电性连接有电极21、压电晶片22和超声波喇叭23，在除尘模块8工作时超声波吹灰器19内部的超声波压电晶体驱动器20开始通电，超声波压电晶体驱动器20通过电极21连接有压电晶片22和超声波喇叭23，超声波压电晶体驱动器20利用逆压电效应，将电能转变为压电晶片22的机械能或机械运动使得压电晶片22沿着其厚度方向做伸长和压缩的交替变化，即产生了震动，此时压电晶片22震动产生的就是超声波，压电晶片22震动产生的超声波通过超声波喇叭23向外传输作用在雷达主机1和密封隔离仓管3以及球形辐射窗4上从而将粘附在雷达主机1和密封隔离仓管3以及球形辐射窗4表面的粉尘进行震落达到了清灰的目的，有效防止了粉尘堆积在装置表面影响雷达模块11的探测效果的情况。
26.在雷达模块11将测得的数据通过人机接口模块6传输给外部计算机后，外部计算机系统配套的上位机程序根据雷达模块11测得的坐标数据采用同位点多周期采样平均值和同时刻多位点采样加权计算相结合的方法，绘制极坐标3d物料断层扫描图并最终绘制出3d仓储料位数学模型，并且根据曲面峰谷割补法求得料位平面平均值，结合被测物料的比重常数就可以精确计算出被测几何仓体内部的物料容积和重量，该装置安装与维护均较为方便，而且由于该装置可以对被测物料表面进行全方面的扫描测量所以不存在测量盲区，误差很小具有较高的精确度。
27.随后外部计算机系统配套的上位机程序根据雷达模块11上传的数据建立数据库、数据报表和3d仓储容量模型并在集控中心大屏幕上直观显示，系统自动生成过程控制参数报表和定期库存盘点报表，实现可视化生产线信息管理平台，便于对大型物料仓内的物料进行智能化管理。