第 23 卷第 2 期 2010 年 3 月 机电产品开发与创新 Development & Innovation of Machinery & Electrical Products 文章编号: 1002-6673 (2010) 02-139-03 Vol.23,No.2 ·测Ma试r.,与20控10制· 基于激光断层扫描的加油站埋地油罐容积检测方法的研究 董玉涛, 吴伟才 (武汉理工大学 机电工程学院, 湖北 武汉 430070) 摘 要: 税收部门在加强加油站库存环节征税管理时,需要测量埋地油罐的容积,为此设计了一种基于激光分 层扫描的检测方法。仪器采用激光传感器测距、光电编码器测角,由工控机控制测量过程实现等弦长测 量路径,采用 B 样条曲线插值加密数据点,利用梯形公式计算断层面积,再求体积,自动生成容积表。 该 测量方法自动化程度高,测量周期短,能够减少了对加油站停业的时间,同时减轻测量的工作强度。 关键词: 埋地油罐; 容积; B 样条; 插值; 测量 中图分类号: TM93 文献标识码: A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.02.059 Study on Volume Measurement of under Ground Tank in the Gas Station Based on Scanning Laser Tomography DONG Yu-Tao, WU Wei-Cai (Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China) Abstract: In order to strengthen the management of taxation in gas station inventory links, the tax authorities need to measure the volume of underground oil tank. A fast test equipment based on laser scanning in tomography is designed. It use laser measuring distance, photoelectric encoder measuring the angle, the industrial control computer process to achieve invariable chord length in measurement path, use B-spline curve interpolation encrypted data points, calculate tomography area by trapezoid formula, then calculate volume, automatically generate volume tables. The speed of auto-detect measurement method is faster than traditional methods, thereby reducing the measured intensity of work, reducing the impact of normal business on the station. Key words: underground oil tank; volume; B-spline; interpolation; measurement 0 引言 汽车加油站埋地油罐的容积表对于油品管理和税额确 定具有重要意义。 为了防止汽车加油站偷税漏税, 税务部 门正逐渐由传统的在销售环节采用税控加油机确定税额转 变到在采购、 库存、 销售这 3 个环节同时稽查以确定税 额。 在库存环节, 税收管理员按月测量罐内油品高度、 温 度、 密度, 通过容积表计算库存油品质量。 这个容积表由 技术监督局按照有关的国家法规和标准来测量。 对此, 本文在几何法测量容积的基础上提出了激光 断层扫描的方法, 设计了仪器的电气和机械结构, 推导 了规划测量路径的控制公式, 给出了在后期数据处理中 的面积和体积计算公式。 1 测量方法 1.1 激光断层扫描法 如图 1(a)所示中断层扫描测量时, 将油罐在高度上 收稿日期: 2010-01-11 作者简介: 董 玉 涛 (1981-), 男 , 河 北 博 野 人 , 硕 士 研 究 生。 从事机械设计及理论研究。 自动分为 N 个断层。 如图 1(b)所示当激光测距传感器置 于高为 Zn (n=0,1,2,3,…N) 的层面内靠近 (但非必须 ) 对称中心的一点, 旋转一周的同时扫描其到油罐内壁的 距离 Ri,n(i=0,1,2,3,…), 并同步获取测距传感器对 应的 转 角 θi,n(i=0,1,2,3,… ), 从 而 得 到 第 n 断 层 内 第 i 个测 量 点 (i,n) 的 数 据 (Ri,n,θi,n,Zn)。 由顶到底在不 同的断层上重 复这一测量过 (a) Ri 第 n 扫描层第 i 个测量点 程,就得到油罐 θi 的全部分层测 量数据。 1.2 仪器的结构 (1) 电 气 结 构 。 (b) 图 1 断层扫描原理 考虑到仪器的便携性及系统的稳定性、 扩展性, 采用便 携式工控机控制测量过程。 工控机通过 PCI 总线上的运动控制卡发送位置指令 信号至放大器驱动步进电机。 步进电机 I 调整激光传感 器到不同高度的层面, 由齿轮轴的光电编码器 I 测量丝 139 ·测试与控制· 杠转角 准 以确定传感器所在高度。 此动作完成后, 工控 机发速度信号给步进电机 II 使其以一定得角速度带动激 光传感器旋转,同时发信号给激光传感器开始测量距离。 工控机同步采集来自光电编码器 II 的激光传感器旋转角 度 θ 和来自激光传感器的距离 R。 采用 RS485 串行通信 总线实现工控机与传感器的通信。 这样工控机可以快速 地 得 到在 一 个 高 度 层 上 测 量 点 的原 始 数 据 (Ri,n,θi,n,Hn)。 Hn 为间接测量得到 , Hn= 准n 360 zp, 其中: 准n 为 步 进 电 机 I 的转角; z—齿轮齿数; p—齿条齿距。 (2) 机械结构。 测量装置结构如图 2 所示, 采用分 段式齿条、 伸缩式套筒等结构实现激光传感器的升降, 减小仪器尺寸, 便于技术监督局工作人员携带; 采用软 轴传动实现油罐外的步进电机 II 激光传感器的旋转, 避 免了步进电机安装在油罐内部, 提高防火防爆安全。 机械部分在测量时固定在油罐入孔处, 下端探头部 分伸入油罐内部, 通过入孔将仪器固定。 测量时, 步进 电机 I 通过齿条驱动探头部分的升降。 分段式齿条可根 据探测层面高度的需要逐段安装。 齿条外的套筒起到导向的作用, 工 作时伸出需要的长度。 为了油罐的 防 火 防 爆 安 全 , 步 进 电 机 II 安 装 在 油罐外, 通过软轴驱动油罐内的激 光传感器旋转。 传感器的旋转轴和 步进电机 I 处的齿轮轴都通过光电 编码器测量转角。 1.3 测量路径规划 (1) 建 立 测 量 坐 标 系 。 仪 器 在 设计时有自身的圆柱坐标系, 但不 利于测量数据的后期处理, 所以应 图 2 机械结构 先在油罐中建立测量坐标系, 并确 定探头在 Z 轴的移动范围。 由操作人员估计油罐深度, 初 步 给 出 H1、H2、H3、H4, 要求在这四个高度处仪器不会和油罐的顶部及底部发生 碰撞, 在第一个断层内以随机初始角度等角距扫描 190°, 取 次断 层 内 最 短 向 径 所 在 坐 标 ,记 为 (Rl,1,θl,1,H1), 在第二个断层内 θl,1 附近 (如±5°) 等 间 距 扫 描 , 取 次 断 层内最短向径所在坐标记为 (Rm,2,θm,2,H2)。 在第三 、四 个 断 层 内 重 复 此 过 程 , 所 得 坐 标 记 为 (Rq,3,θq,3,H3)和 (Rv,4, θv,4, H4)。 取平均值 (θl,1+θm,2+θq,3+θv,4) /4 作为 X 轴的正方 向, 回 转 中 心 为 原 点 , 从 上 向下 看 顺 时 针 90°方 向 为 Y 轴。 对上述三点用圆方程 (R-xa)2+(Zn-Za)2=b2 最 小二 乘 拟合, 计算出 za 和 b, 以 za-b 处高度作为 Z 轴的初次原 点, 在上述坐标系中 θ=0 处的纵截面, 采用高度步长控 制 算 法 ,进 行 扫 描 ,测 量 数 据 记 为 (R0,n,0,Zn),再 用 椭 圆 方 程 (R-xa )2 + (Zn-za )2 =1 最 Z a2 b2 小 二 乘 拟 合 重 新 计 算 出 za 和 b,以 za+b 处作为 Z 轴的原点, 转轴向上为 Z 轴的正方向。 (2) 高 度 步 长 控 制 。 为 Y X 图 3 测量坐标系 防 止 碰 撞 , 仪 器 在 Z 上 的 移 动 范 围 不 超 过 Z1=2b -Hb, ZN= Ht, Ht、 Hb 分 别 为 仪 器 探 头 距 离 油 罐 顶 部 和 底 部 的 安全距离。 对于高度步长采用正弦分布控制策略。 国标 中规定油罐的纵界面是圆形, 当仪器在第 n 断层内扫描 ∧ 完毕后,到达下一个规划断层的移动量为 δZ n, 取 αn=ar- ccos Zn-b b , 其中: α1 =arccos b-Ht b , αn =180° -arccos b-Hb 为已知。 b 取 δαn= αN-α0 N-1 , 其中 N 为扫描规划层数 (由于定位 ∧ 误差的 存 在 , 于 实 际 扫 描 层数 会 不 同 ), 则 δZ n=b+bcos ∧ ∧ (αn+δαn) -Zn (n=1,2,...N)。 直 到 Zn+δZ n