预均化堆场物料体积自动测量系统的设计与研究

摘要

随着工业4.0时代的到来，智能化、自动化已成为助推工业发展再次腾飞的关键因素，由其是在水泥产业。预均化堆场作为分散及存储水泥的仓库，在水泥的生产过程中起着至关重要的作用，但由于预均化堆场内物料流动性强，变化性大，并且工业环境恶劣，粉尘密布，其体积测量技术很难达到自动测量的程度。因此设计一套适用于预均化堆场内物料体积自动测量系统显得尤为关键，使其准确、快速、高效的完成物料体积测量结果与模拟三维成像图的显示。
　　在预均化堆场物料体积自动测量系统中，将从点云数据采集子系统中采集到的数据，包括激光测距仪采集到的距离信息、水平步进电机的距离信息、垂直步进电机的角度信息及轨道段位信息，通过ESP8266无线模块发射端按照一定的通信规约传输至数据转发及显示子系统，在子系统的ESP8266无线模块接收端接收后，将其按照约定的通信协议由以太网传输到远程服务器，并将其实时存入数据库中，当点云原始数据采集完成后，调用三维空间坐标转换公式对其进行处理，得到三维空间点云坐标集，再经散乱点插值算法拟合出扫描的整个曲面，并得到相应的模拟三维成像图及物料的体积信息，随之将其存入MySQL数据库中，以方便企业员工进行查询。
　　论文主要完成了该系统的整体设计，在硬件方面实现了系统机械结构设计、硬件电路组成模块、芯片选择、电路图及PCB的设计;在软件方面采用C语言编写了点云数据采集子系统、水平电机驱动子系统、数据转发及显示子系统的程序，同时完成了系统通信协议设计、服务器程序设计、数据库设计及客户端软件设计，并采用Linux系统实现了数据转发端的数据库访问及界面显示，采用Matlab完成了点云数据三维坐标的转换及空间散乱点插值算法的仿真与研究。
　　为系统搭建了测试平台，进行功能测试，测试结果显示，本系统实现了对物料堆表面信息的数据采集、传输、处理、存储、查询及系统控制等功能，在实验室环境下该系统的准确性、稳定性均能满足水泥企业的生产需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文的研究目标与内容

1．4 论文章节安排

第2章 系统总体设计

2．1 需求分析

2．2 点云数据采集方案评估

2．2．1 超声波测距扫描测量方案

2．2．2 图像视觉扫描测量方案

2．2．3 激光测距扫描测量方案

2．3 系统总体结构

2．4 不规则物料体积计算方法研究

2．4．1 点云数据采集方案

2．4．2 物料堆体积计算

2．5 本章小结

第3章 系统架构和硬件电路设计

3．1 系统架构

3．2 点云数据采集端硬件电路设计

3．2．1 电源模块

3．2．2 控制模块

3．2．3 无线通信模块

3．2．4 电机驱动模块

3．2．5 霍尔传感器模块

3．2．6 加速度计与陀螺仪集成模块

3．2．7 限位开关控制模块

3．3 数据转发及显示子系统硬件电路设计

3．3．1 电源模块

3．3．2 控制模块

3．3．3 ESP8266无线通信模块

3．3．4 DM9000网卡接口模块

3．3．5 SD卡接口模块

3．3．6 LCD显示模块

3．3．7 USB调试接口模块

3．4 系统机械结构设计

3．5 本章小结

第4章 系统软件设计

4．1 点云数据采集端程序设计

4．2 数据转发及显示端程序设计

4．3 通信协议设计

4．4 上位机程序设计

4．4．1 服务器端应用程序

4．4．2 点云三维坐标计算

4．4．3 客户端应用程序

4．4．4 数据库设计

4．5 本章小结

第5章 系统功能测试

5．1 系统测试环境

5．2 上位机测试

5．2．1 服务器端应用程序测试

5．2．2 客户端应用程序测试

5．3 实际模型测量

5．4 算法误差分析

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录