专利名称：一种在小颗粒物质堆场实现实时数字化信息场的方法
技术领域：
本发明涉及到一种能在小颗粒物质的堆场实现实时库存量盘点以及堆场模型虚拟重建的 方法，属于虚拟现实的技术领域。
技术背景一个中型的堆场，往往堆有几万吨 几十万吨的小颗粒物质，如火力发电厂的煤场。为了 保证发电机组在台风等特殊的气候环境下，仍有燃料供应发电，在煤场贮备着几十万吨的煤; 煤场每天都有煤被输送到锅炉燃烧，又陆续地有煤送进煤场，因此煤场存有多少吨煤往往是 个未知数，无人知道一个比较准确的数字。应运而生的是各种盘煤装置，有用激光的，也有 用超声波的，它们基本上都是应用测距的原理，采用不同的方法，建立一个煤堆的三维模型， 然后推算出煤堆的体积，折算成重量。因为煤场的煤堆有新堆的，有部分被取过煤的，形状 五花八门，应用测距原理要准确、实时的建立与现场相似的煤堆模型是很困难的；事实上要 准确、实时的测量一个存放有几万吨煤的无规律煤堆的体积，还没有一个好方法。目前这些 盘煤装置，都是测量静态煤堆的，无法动态的显示煤堆的变化，也就是说无法实现实时库存 量的盘点以及堆场模型的虚拟重建。中国专利申请号200510038894.4，
公开日2005.10.26，公开了一种立体视觉盘煤方法， 它首先是在煤堆上方安装成对摄像机，将摄像机边移动边对煤堆进行拍摄，得到煤堆图像， 通过图像处理计算匹配模版与所覆盖子图之间的相似程度或相关系数，选择共轭点并和它在 左右摄像图像上投影点的关系，获得其空间位置，拟合出煤堆的空间曲面，计算出煤堆的体 积和重量。该专利提出了一种对煤场存煤的盘煤方法，不能实时的显示取煤和堆煤时煤堆的 变化，本发明是利用在堆场中机械母体设备的小皮带上实时检测的取料和堆料瞬时重量和堆 取料点的三维空间坐标实时模拟堆场的三维模型图，并结合堆场地理信息资源库重建出堆场 的数字化动态信息场，按照人的视角和操作习惯模拟人在整个堆场的三维动态场景中运动， 操作设备，检询各料堆的大小、形状以及实时盘点料堆的重量。 发明内容小颗粒物质通常是采用传输皮带，运往堆场的；往往也是采用同一条传输皮带运出堆场; 如火力发电厂的煤场，采用斗轮机堆煤，也是采用斗轮机取煤，无论是堆煤还是取煤，煤都 要经过斗轮机悬臂上的小皮带。在这种情况下，本发明所要解决的是提供一种基于实时重量 测量和堆取料口三维坐标相结合进行虚拟重建数字化信息场的方法。对于一个小颗粒物质的堆场，场地的几何形状是不变的。堆场的机械设备的运行轨迹也 是有规律的。因此我们可以在堆场的机械设备上加装3 4个数字编码器，并设定位置基准点。 其中1 2个数字编码器，记录机械母体设备在堆场的位置，如果机械母体设备是沿着轨道行 走的，只要一个数字编码器就可知道它的位置；如无轨道则需用两个数字编码器，才能确定 它在堆场的具体位置。第3个数字编码器用于采集机械母体设备上小皮带的俯仰角，根据小 皮带的实际长度和俯仰角度，就可计算出堆煤小皮带出口或取煤点的高度；第4个数字编码 器用于记录小皮带相对机械母体设备中心轴基准线的回转角度，结合回转与俯仰角度，就可 计算出堆煤小皮带出口或取煤点相对机械母体设备的坐标。这样我们就可以根据数字编码器 的数值和机械母体设备的外形尺寸特征，推算出堆煤小皮带出口或取煤点的在煤场相对于基 准点的空间位置。如图1所示，2为堆取物质的机械母体设备行走轨道，3是机械母体设备，4是位置基准 点，5是安装在数字机械母体设备上的数字编码器，可记录机械母体设备在堆场沿着轨道在X轴方向的位置，十六位的数字编码器精度可达到+，如果轨道的总长度为300米，数字编码器可精确地反映出机械母体设备距离基准点的距离，x=，x仏iV为编码器的记录64x1024值，计算误差不超过±5毫米；如在没有行走轨道情况下，则需在机械母体设备上增装数字编 码器6，以记录机械设备母体在堆场Y轴方向的位置。如图2所示，l是机械母体设备，2是安装在机械母体设备上的小皮带，小皮带实际长度为丄，它的俯仰角度为a， 3是记录俯仰角的数字编码器，假设允许小皮带在0°~+70°范围 内变化，小皮带俯仰基准水平线设为O。，小皮带最大俯仰角为+ 70°，十六位数字编码器可记录"的精度为7()°，小皮带距离母体基准点的高度/z,-i:.sina，当丄为30米，年的计 64x1024算高度误差是毫米级的，小皮带的水平投影长度/ = ^cos"。当机械母体设备为有轨道型时，小皮带往往是安装在母体的一个回转盘上，如图3所示， l为机械母体设备，2为母体行走轨道，3为母体上的回转盘，4为小皮带，当母体上的回转盘左右回转时，小皮带也跟着回转，图中/ 是回转的角度，以轨道中心线5为基准，"一般 不会超过±110°，我们把母体基准点M设在回转中心上，6是记录回转角度的十六位数字编码器，可记录yg的精度为 ，小皮带的投影在X轴方向与母体基准点M的长度64x1024、二/.cos-二i:.cosa.cos/ ，小皮带的投影在Y轴方向与母体基准点M的长度<formula>formula see original document page 5</formula>，当丄为30米时，x,和y,的计算长度误差是毫米级的。数字编码器记录的数据均送入主计算机，根据机械设备的外形尺寸，就可以计算出机械 母体设备上小皮带出口，距离堆场位置基准点『的平面距离JT和y，如图4， Z-x + ;c,,r = ;v机械设备上小皮带出口，距离地面的高度// = /2,+^，其中/ 为机械设备母体基准点距离位置基准点『的固定高度。当机械设备为无轨道型时，7 = ^ +兀，其中少为机械设备母体基准点M与位置基准点『在Y方向的距离。因此通过读取数字编码器的值，可以计算出 小皮带出口即堆取料点在堆场中的三维坐标。实时重量测量设备安装在小皮带上，考虑到测量重量获取的实时性，尽量安装在靠近堆 取料口的地方。在堆料时假定小皮带是顺时针方向旋转，那么取料时小皮带一定是逆时针方 向旋转，根据小皮带旋转的方向的开关量，主计算机就可以知道此时此刻处在取料还是堆料 状态。电气和软件框图如图5，其中数字编码器1记录机械母体设备X轴方向位置；数字编码 器2记录机械母体设备Y轴方向位置;数字编码器3记录机械母体设备上小皮带俯仰的角度； 数字编码器4记录机械母体设备上回转盘即悬臂回转的角度。主计算机内的堆取料点三维坐标分析软件，根据数字编码器的输出量以及机械设备的固 有尺寸来计算堆取料点的三维空间位置；实时重量测量设备提供瞬时物流量，由主计算机重 量计算软件来累积计算小颗粒物质进堆场或出堆场的重量。信息场库是基于堆场的地理信息资源库，三维立体堆场仿真软件利用信息场库并结合机 械母体设备三维结构、堆料和取料的固有特征以及堆取料口的三维坐标，堆取物质的重量和历史的信息，虚拟重建出整个堆场的三维动态场景，仿真出堆料和取料的工作过程，同时可 实时检询各料堆的大小、形状以及实时盘点料堆的重量和整个堆场物质的库存量。在堆料时，从堆料口落下的小颗粒状物质，形成自然落体锥形状，如图6，如果是在煤场上的Z角度， 一般为43°左右。这样就可以由计算机根据实时重量测量设备检测到的瞬时物质流量通过三维立体堆场仿真软件模拟煤堆不断扩大的形状，并结合获取的堆取料点的三维 坐标虚拟重建出堆场不断变化的三维模型。如果场地上原来有物质，那么主计算机一定保留 了原堆场的三维模型，随着堆料的进行，可根据原堆场的形状和现堆料的重量和位置等信息， 虚拟重建出出新的堆场模型，并保留在主计算机中，以备实时检询。取料时，由取料设备特性决定会留下的固有物质形状，根据取料点的位置以及主计算机 记录的堆场三维模型以及由实时重量测量设备检测到的取料重量，利用三维立体堆场仿真软件实时、连续重建出新的堆场三维模型，如图7。在检询时，只要点击相应的三维模型图，就可实时显示出某堆物质的库存量。应用虚拟 现实手段，可按照人的视角模拟人在整个堆场的三维动态场景中运动，同时模拟出堆料和取 料时的设备操作过程，能让操作人员有身临其境的感觉。
图1是数字编码器记录堆场机械母体设备位置示意图；图2是数字编码器记录堆场机械母体设备上小皮带俯仰角示意图；图3是数字编码器记录堆场机械母体设备上小皮带回转角示意图；图4是计算堆取料点在堆场中的三维坐标原理示意图；图5是实现数字化信息场的电气和软件框图；图6是堆料三维模型示意图；图7是取料三维模型示意图。
权利要求
1.一种在小颗粒物质堆场实现数字化信息场的方法，其特性在于(1)在堆场中机械母体设备的小皮带上实时检测小颗粒物质瞬时重量。(2)根据小颗粒物质堆料时自由落体特征与堆料重量、取料时由取料设备形成的固有特征形态与取料重量，以及实时检测到的堆取料点的三维空间坐标模拟出堆场的三维模型图，同时可实时显示出整个堆场物质的库存量。(3)采用虚拟现实手段，结合堆场地理信息资源库，根据历史的信息与当前的数据重建出堆场的数字化动态信息场，可按照人的视角和操作习惯模拟人在整个堆场的三维动态场景中运动，操作设备，检询各料堆的大小、形状以及实时盘点料堆的重量等。
全文摘要
本发明涉及一种能在小颗粒物质的堆场实现实时库存量盘点以及堆场模型虚拟重建的方法，属于虚拟现实的技术领域。该方法实时地检测堆场中机械母体设备中小皮带上的小颗粒物质瞬时重量，根据小颗粒物质堆料时自由落体特征与堆料重量，取料时由取料设备形成的固有特征形态与取料重量，以及实时检测到的堆取料点相对堆场位置基准点的三维空间坐标模拟出堆场的三维模型图，并实时显示整个堆场物质的库存量；采用虚拟现实手段，结合堆场地理信息资源库，根据历史的信息与当前的数据重建出堆场的数字化动态信息场，可按照人的视角和操作习惯模拟人在整个堆场的三维动态场景中运动，操作设备，检询各料堆的大小、形状以及实时盘点料堆的重量等。
文档编号G01B21/02GK101290216SQ200710039798
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月20日 优先权日2007年4月20日
发明者沈文忠, 高幼年 申请人:高幼年;沈文忠