论文总字数：25983字

摘 要

本文用MATLAB解析激光扫描仪所得的数据文件，得到煤堆外形轮廓的空间坐标，再用MATLAB设计煤堆图形生成算法。

作为火电厂生产管理重要环节的燃煤管理，直接影响火电厂的经济指标。但目前很多火电厂的燃煤管理却效率低下，这主要是存煤量测量不准确造成的。由于条件缺陷，现在许多火电厂都使用人工丈量来计算煤场煤量，但这种方法不仅浪费时间和人力，而且测量结果也往往不准确。因为人工丈量需要首先将煤堆外形整形至可丈量的立方体，耽误大量工作，同时计量精度差不利于管理数据化，不利于提高管理水平，不利于提高经济效益。本文在分析现有盘煤系统优缺点的基础上，提出一种固定式全方向激光盘煤方案：将激光器固定在煤场上方的取料机上，取料机会在煤场长度方向即y轴方向上匀速运行，激光器对煤堆发射激光束，同时收到煤堆反射回来的激光束，记录时间差。在取料机的行程极限处，为了能扫描视野激光器的盲区，需加装一个可转动的云台，这时云台的角度会改变以使激光器能扫描到煤堆的前端和后端，从而实现了煤场的全范围扫描。本文随后利用MATLAB，在得到煤堆表面三维坐标之后，编写出生成三维图像的算法，并编写了键盘控制图像视角的算法，使得三维图像的视角能由键盘控制，可调整至最佳观察角度。

本文利用激光测量系统扫描煤堆表面，获取煤堆表面数据文件，再解析成空间坐标，得到煤堆的三维图像。可以随时随地进行测量和堆场盘存，及时反映煤场现状，提供科学生产、经营、组织决策的依据。

关键词：激光扫描，激光测距，插值算法，图像生成算法，MATLAB编程

A THREE-DIMENSIONAL GRAPHICS GENERATION ALGORITHM OF COAL YARD IN LASER STOCKTAKING OF STORAGE COAL QUANTITY SYSTEM

NO.: 03011114

NAME: Wang WeiBo

Supervisor: Prof. Cheng Li

School of Energy and Environment, Southeast University

ABSTRACT

MATLAB is applied for parsing the data in the laser scanner in this paper, to get the three-dimensional coordinates of the coal pile’s surface. Then graphics generation algorithm is designed under the MATLAB programming circumstance.

Coal management is an important part of Coal-fired power plants’ production management, has direct impact on economic indicators for the power plants. Yet most of power plants measure the storage coal quantity by manual work. Thus wasting resources and making a low measuring accuracy. What’s more, artificial measurement needs bulldozers to shape the coal pile, leading to the delay of heaping coal. Low measurement accuracy is not good for digital management, the improvement of management level and the economic benefit. This paper proposes a stationary omnidirectional laser coal storage plan based on the analysis of the existing coal storage system’s advantages and disadvantages: In the program the laser scanner is installed in the mast of the stacker-reclaimer, with the moving of the stacker-reclaimer on the y axis, the scanning of the coal yards on both sides of it are implemented at the same time. The scanner send out lasers to the surface of the coal pile and receives reflected laser beam at the same time, the scanner then record the difference between those two moments. In the reclaimer travel limit, in order to solve the problem of the stacker-reclaimer’s vision blind area at the both ends of the coal yard, the laser scanner is mounted on a PTZ (pan/tilt/zoom), which make the scanner can achieve overall scanning in a fixed position. This paper, then, after getting the three-dimensional coordinates of the coal pile’s surface, write the algorithm of 3d image. And write the keyboard control algorithm which can change the viewing angle of the coal pile.

This paper obtains the data of coal pile surface by using the laser scanner measuring system. Then parses the data into space coordinates, draws the 3d image of the coal pile. This specific system can scan the coal pile at any time and place, can reflect the current state of the coal yard, providing the basis of scientific production, management and organizational decisions.

Keywords: Laser scanning, Laser ranging, Interpolation algorithm, Image generation algorithm, MATLAB programming

目录

摘要 I

ABSTRACT II

一、绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 2

1.2.1煤场储量自动计量测绘系统 2

1.2.2煤场堆煤体积自动计量测绘系统 2

1.2.3基于雷达扫描的盘煤系统 3

1.3本论文的研究目的和主要工作 3

1.4研究意义 4

二、系统测量方案 5

2.1系统介绍 5

2.2系统设计思想 5

2.3测量流程 6

2.3.1开始 6

2.3.2系统自检和系统初始化 7

2.3.3数据采集 7

2.3.4数据处理 9

2.3.5绘图显示 9

2.4系统特点 10

2.5小结 11

三、数据解析与处理 12

3.1坐标转换 12

3.2数据预处理 14

3.2.1数据云的精简 15

3.2.2提取特征点和边界点 15

3.2.3数据平滑处理 15

3.3插值算法 16

3.3.1内侧插值 17

3.3.2外侧插值 19

3.4 小结 21

四、三维图形生成软件 22

4.1绘图软件的选择 22

4.2GUI程序的编写 23

4.2.1初始化代码 23

4.2.2图像生成算法 25

4.2.3键盘控制算法 26

4.2.4回调函数 28

4.2.5图像查看 31

4.3程序发布 32

4.4小结 32

五、结论 34

致谢 36

参考文献 37

一、绪论

1.1研究背景

电力能源是关系到人民生产生活乃至国家运转的重要能源，是我们生活中不可缺少的部分。而目前我国的电能需求大多数由火力发电厂承担，可达75%以上。而煤炭作为当前火电厂最主要的原料，煤耗量占火电厂生产成本的绝大多数，可达70到80个百分点。因此火电厂的燃煤管理亦是火电厂生产管理的重要的环节，对火电厂的生产效益有着很重要的影响，对于一些煤炭运输成本高的发电厂则更是至关重要。电厂想要提高经济收益，必须提升燃煤管理的水平。而火电厂的燃煤管理不仅包括燃煤用量预算、燃煤成本计算、燃煤质量检查、燃煤储存而且还有燃煤的盘点。

火电厂存煤量的测量与计算是燃煤管理中的一项重要工作。火电厂以发电煤耗率作为经济效益指标，而每月末发电煤耗率以煤场的储煤量为基准进行计算。所以各个电厂每月必须对煤场煤量储量进行一次总体的测量。测量结果是否准确无误，将会对火电厂的发电煤耗率和经济运行指标的计算造成直接影响。同时，电厂会根据当前的负荷大小来大体估算现有存煤数量的可用时间，从而大体制定相应的生产调度、采购和库存决策，这样不但可以有效地优化燃煤库存，避免资金积压，提高资金周转率，还可以从根本上解决亏吨、潜亏等燃料管理缺陷，实现企业的收支平衡。在目前市场环境下，大型燃煤电厂为了降低燃料成本、提高经济效益，普遍采取掺烧经济煤种的方法。因此必须及时精确测量煤场各煤种存煤量，知晓各个煤种的比例，从而准确调配各种煤的使用。这同时也是燃煤电厂科学合理地组织生产、成本分配、经济效益评估的重要依据。因此目前首先需要解决的问题是如何快速、准确地测出煤场的存煤量，以便电厂进行成本核算、经济效益评估和科学管理。

但目前现有的盘存方法存在很多问题：1）工作量大，费时费力。煤场越大，花费时间越长，每次盘存都需要投入多名测量和配合工作人员；2）测量误差大，无法反映煤储量的真实情况，影响资金分配；3）盘存工作受天气、环境影响大，甚至无法实施；4）由于目前很多电厂的管理方法落后，许多电厂仍然使用人工盘煤的方法来测量煤储量，这种计量方法，不仅使人力物力有较大浪费，而且测量结果精度不好。人工丈量需要推土机整形，工作量大，效率低，耗时长，耽误堆煤、取煤，测量结果不准确导致管理不便，不利于智能管理，有碍于提高经济效益。而且不能随时盘存，通常只能一个月盘存一次，无法实现煤种煤量的动态管理，影响生产经营管理的科学决策和配煤掺烧^[1-2]。

1.2研究现状

目前，在我国火力发电仍占电力供应的大多数，为满足各电厂储煤量测量的需要，国内已研制出各种不同的煤堆体积测量系统，也有许多机构从事这方面的研究，如武汉大学、华北电力大学和南京理工大学等。设计这些系统的目的都是为了测量煤场的存煤体积。

1.2.1煤场储量自动计量测绘系统

本系统利用脉冲超声测距传感器实现z轴即煤堆高度方向的定位，而XOY平面即煤堆长度和宽度方向上的定位则是利用门式堆取料机的定时运动来实现的。用专门的微机处理得到的数据，同时计算煤堆体积和绘制煤堆图形。而这种方法也有缺点，实际环境条件的变化会很大地影响该种系统的测量精度，因为空气介质的密度可能随时间的不同有较大差异，超声传感器的测距时间和测距精度都会因此受到影响。而煤场轨道和外界条件，如风的大小和风向变化都会影响到煤场门式堆取料机的运行，因此不能有效保证此平面的定位精度^[3]。

1.2.2煤场堆煤体积自动计量测绘系统

正因为激光束具有亮度高、方向性强、单色性好等特点，使得激光很适合于在煤场环境中进行测距，首先煤堆表面距测量点的距离由激光测距机发射的激光束测出，角度扫描平台会带动激光测距机转动，由此实现垂直煤堆长度和宽度平面内的角度扫描，系统软件会进行分析并转化数据的工作，最后处理数据并根据处理之后的数据绘图和计算体积的工作则由计算机完成。由激光测距机测量出该点在角度扫描平台给出的空间角度下到达煤炭表面的斜距，由斜距和角度数值就可以计算出被测量点相对于测量基点的空间的坐标（二维）。而扫描仪会在煤堆长度方向上匀速运行，根据运行的时间即可得到y方向的坐标，最后得到完整坐标（三维）。体积则由所得的所有三维坐标在空间内积分计算得出^[4]。

1.2.3基于雷达扫描的盘煤系统

顾名思义此系统的煤堆数据由雷达扫描得到，而XOY平面的数据又分为运行速度和回转角度两个部分，因此若需获取完整的二维信息要将上述两部分的数据结合在一起。煤堆高度则通过发射出的电磁波发射接收的时间差来计算，但由于雷达发射的电磁波混合了多种频率的波段，不和激光一样具有单色性，易受环境电磁场干扰，不稳定，不能保障测量准确度^[5]。

综上，国内大型火电厂测量煤场煤量的激光盘煤系统存在一些需要改进的地方，大体上有以下几个方面：

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