基于激光测距的原木材积自动计量系统的设计
基于激光测距的原木材积自动计量系统的设计
作者:舒泽芳;蒋淑霞
原木作为资源性产品,在国民经济建设中发挥着重要的作用,其材积的计量一直是林场的重要工作。随着我国原木需求量的持续增加,传统的人工检验方式由于存在工作量大、劳动强度高、效率低、安全隐患多等弊端,已无法适应大量原木材积的检验工作。而且因人为因素导致的检尺误差大、波动大,即使进行复检和加强管理仍达不到理想的效果。因此,笔者应用激光测距仪技术设计了原木材积自动计量系统,以期实现对原木材积简单、快捷、准确的自动计量,有效减少林场计量人员的劳动量,提高检验的准确性,加快检验速度。
1 系统实现原理及计算分析
原木运输大多通过铁路,原木材积自动计量系统通过安装在车辆两侧支架上的激光测距仪在线扫描获取原木外轮廓包络数据,结合由磁钢车轮传感器检测的车厢速度和长度数据进行坐标变换及累计求和获得原木外包络体积。最后通过构建原木的堆叠模型确定合适的体积材积比进而自动计算原木材积。
原木材积自动计量系统由车厢断面激光在线扫描子系统、车厢长度速度在线测量子系统和原木体积材积计算子系统组成。断面激光在线扫描子系统获得车厢的横断面轮廓数据( 即扫描点的x,y 坐标) ; 车厢长度速度在线测量子系统获得车厢长度和速度数据; 原木体积材积计算子系统根据车厢长度速度数据、横断面轮廓数据计算出原木体积,并通过堆叠模型确定的体积材积比计算出原木材积。
1. 1 断面激光在线扫描子系统
1. 1. 1 激光测距的原理。激光测距是以激光作为光源进行测距,主要利用激光的单色性好、方向性强的特点。激光测距一般采用脉冲法和相位法,基本原理是: 测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收,测距仪同时记录激光往返的时间Δt,光速c 和往返时间的一半的乘积,即S= C × ( Δt /2) ,就是测距仪和被测量物体之间的距离[1]。
1. 1. 2 激光测距的坐标变换。安装在车辆两侧支架上的2台激光测距仪在线扫描车厢及原木外轮廓。激光测距仪采用施克LMS-211[2],其角度分辨率为0. 5°,测量角度范围100°,系统误差小于35 mm,统计误差小于10mm,扫描频率为75 Hz。激光测距仪的输出数据格式采用二进制编码,通过RS422 接口传输至上位机,数据格式以极坐标的形式表示
1. 2 车厢长度速度在线测量子系统
车厢长度速度在线测量子系统由安装在钢轨下的4 个ZR 车轮传感器和安装在室内的SCR-S6 智能磁钢板组成,车轮传感器和智能磁钢板之间直接连接。智能磁钢板对车轮传感器的输出信号进行整形、电平变换,然后输送至上位机处理分析,运行于上位机的采集分析程序将会对这些信号进行处理,计算生成长度和速度数据[3]。
长度速度信号的生成机制: 假定2 个车轮传感器之间的安装距离为D,行驶车辆的首个车轮依次驶过2 个传感器,时间差为Δt1,首个车轮和第2 车轮驶过同1 个传感器的时间差为Δt2,车辆的速度为v,长度为L,常数K 为整体车身长度和2 个车轮间长度的比值。
对于平板式货车,车厢通过扫描子系统时得出的车厢物激光测距仪LMS - 211 技术指标可知,当货车以最大速度35km/h( 9. 7 m/s) 行驶时,测距仪扫描间隔为12. 9 cm/次,由于车厢的高度为1. 2 ~ 1. 4 m,测距仪从扫描地面至车厢底面会有一突变数据,首先根据此特征找出车厢底面,再根据测距仪扫描数据及同一节车厢上其底板厚度一定是相对不变的特征计算出平板车厢的实际高度,再根据上面的公式就可以计算出车厢装载货物的体积。
1. 3. 2 上位机软件开发。上位机软件采用VC. Net 和Access2003开发而成,Access2003 开发后台数据库,利用ADO技术访问数据库。VC. Net 设计前台界面,采用VC. Net 中的MSComm 控件能对多个串口进行有效控制来获取截面和速度长度数据[4]。
2 堆叠模型分析体积材积比
系统计算获取的原木体积是外包络体积,需要分析原木的外包络体积和材积之间的关系,确定体积材积比,即分析确定原木横截面积与外包络面积之比。为了分析原木的横截面面积与外包络面积之比是否保持在较小的范围,图3 列出了最常规的几种原木的堆叠方式。在计算分析外包络面积时,分别按照密闭车厢和非密闭车厢的木材包络面的表示方法来计算。因此对于每个木材堆,分别计算了2 个结果。每个木材堆木材的横截面面积与外包络积的比值见表1。
从总体上分析,根据密闭车厢模型计算的比值波动范围较小,根据非密闭车厢模型计算的比值波动范围较大。由于根据密闭车厢模型计算的比值总体波动范围在6%以内,因此可以使用常数0. 826 来表示原木的横截面面积与外包络面积的比值。对于非密闭的车厢,则采用扫描原木堆的上表面,然后使用密闭车厢模型来计算木材堆的外包络面。
自动材积计量系统通过对比分析自动材积计量结果和人工根据国标的检验结果,样本量为1 500 辆原木货运列车。表2 列出了其中10 列列车原木材积的对比数据。
通过数据分析,并且同人工检验的结果进行对比,自动材积计量系统和人工检验的结果误差控制在4%以内,满足大型林场的实际检验要求。
4 结语
基于激光测距的原木材积自动计量系统的设计可独立运行,也可作为嵌入式子系统融入整个林场的自动化监管平台,将为林场、海关等需要大量计量原木材积的场所提供高效的自动化计量解决方案,极大的提高检验的自动化信息化水平,对数字林场、数字海关的建设有着重要的意义。
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