CN112945137B - 一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于单线激光雷达与测距仪的仓储矿堆扫描装备,包括一个主体支架、两套传感器固定云台、一台测距仪、两台单线激光雷达、一台控制终端、一块光学反射板、两条平行滑轨。激光雷达沿垂直于滑轨方向的视场范围主动发射电磁波脉冲,同时记录脉冲探测目标后的回传时间和扫描角度,继而依据脉冲的回传时间计算目标与激光雷达的直线距离,并通过三角测量计算扫描视场范围内任意点在垂直滑轨方向的轮廓坐标;测距仪沿滑轨运动方向发射脉冲,通过记录回波信号,获取滑轨的滑动距离;最后对多个传感器获取的数据进行坐标转换、配对和拼接等操作,实现点云数据与距离数据的一一对应,获取仓储矿堆的表面三维点云。该发明无需多站扫描和点云配准,可解决数据遮挡和配准误差等问题,数据采集精度高、时间效率快。
Description
技术领域
本发明涉及空间信息应用技术领域,具体涉及一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法。
背景技术
矿堆仓储量的计算影响着物料出纳统计和矿物生产能力评估,是矿山工程建设中的一项重要内容。受仓储环境、矿车生产等因素限制,以及矿物堆积形态不规则、更新频率大等因素影响,精确测量仓储矿堆的体积难度大。现有仓储矿堆测量装备及其方量测算方法难以满足矿山信息化生产需求,亟需研发智能化矿堆测量装备和方法,快速、准确获取仓储矿堆高精度三维信息,提高仓储盘量信息化水平。
近些年,激光雷达装备被广泛的用于仓储盘量。ZHAO等提出了一种利用激光生成多层堆垛体三维模型的方法,在实验室环境下进行的实验表明效果良好,但体积计算方法相对较慢;朱建军等采用地面激光扫描仪采集多站粮仓扫描数据,通过对这些单站扫描进行配准和融合,得到完整的粮仓点云模型,误差均小于5%;Grazia Tucci对比分析了激光雷达技术与数字摄影测量技术在物料三维信息采集及数字表面建模的差异,并印证了上述两种方法对仓储盘量的计算误差约为1%。上述研究,表明了激光雷达技术对于仓储方量盘点的可行性,但针对复杂密闭空间的仓储盘量,现有激光雷达装备技术仍存在人员不可达或场景遮挡导致数据采集缺失、多站点云配准难度大、数据处理耗时长等问题。此外,传统激光雷达装备成本高,限制了激光雷达技术在仓储盘量应用中的推广性。
本发明针对仓储矿堆盘量工作中的需求及难点,设计了一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法。本发明具有成本低、扫描精度高、速度快的优点,将单线激光雷达和测距仪相结合来获取矿堆三维点云数据,克服了传统单点测量方式的局限,可有效解决室内、外复杂仓储条件下不规则矿堆三维点云高效精准采集,为仓储矿堆方量核算提供完备准确的三维数据,提升仓储盘量的精度和效率。
三、发明内容
(一)解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是:针对仓储矿料进出频率高,矿堆几何形态复杂、空间堆放错综复杂、遮挡严重,导致现有激光雷达盘量装备成本高、数据采集缺失、时间效率低等问题,设计一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法。该发明将单线激光雷达和测距仪固定在滑轨上,在滑动过程中以单线激光雷达扫描获取物体垂直方向的轮廓信息,以测距仪获取任意时刻扫描物体的水平位置信息,通过对垂直轮廓信息与水平位置信息的集成,获取扫描对象的三维信息,用于仓储矿堆三维点云模型的构建和方量估算。该发明无需多站扫描和点云配准,可解决数据遮挡和配准误差等问题,数据采集精度高、时间效率快,可实现自动化,极大的解放劳动力,提高矿山生产效率。
(二)技术方案
传统库存量估算方式受架站点选取及地物遮挡导致关键测量信息缺失,测量耗时过长,影响工作效率和方量核算精度。针对以上不足,本发明提出了一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法,将测距仪所获取的距离信息与单线激光雷达的二维坐标数据相结合,准确构建出目标矿堆的三维空间模型。具体实现步骤如下:
1)传感器集成:该装备包括一个主体支架、两组云台、一台测距仪、两台单线激光雷达、一台控制终端、一块光学反射板、两条平行滑轨。集成方式重点解决单线激光雷达传感器与测距仪传感器的空间集成,主要表现为:测距仪和两台单线激光雷达通过云台安装在主体支架上,沿平行滑轨水平移动;两台单线激光雷达并排安装,确保两台单线激光雷达的扫描截面共面且垂直于滑轨滑动方向;单线激光雷达扫描区域的角平分线铅垂向下;测距仪与一台单线激光雷达固定于同一组云台,脉冲发射方向与滑轨方向平行,照射于前方远端的反光板。控制终端位于行车驾驶室内,通过有线连接对各个传感器进行控制。
2)三维信息采集:单线激光雷达沿垂直于滑轨方向的视场范围主动发射电磁波脉冲,同时记录脉冲探测目标后的回传时间和扫描角度,继而依据脉冲的回传时间计算目标与单线激光雷达的直线距离,并通过三角测量计算扫描视场范围内任意点在垂直滑轨方向的轮廓坐标;测距仪沿滑轨运动方向发射脉冲,通过记录回波信号,获取滑轨的滑动距离;最后对多个传感器获取的数据进行坐标转换、配对和拼接等操作,实现点云数据与距离数据的一一对应,获取仓储矿堆的表面三维点云。
(三)有益效果
1、快速获取仓储复杂场景不规则堆料的精确三维点云数据。
2、成本低,自动化水平高。
3、三维点云采集效率快、精度高、无遮挡。
四、附图说明
图1装备集成示意图。
图2两台单线激光雷达的扫描截面图。
图3三维扫描坐标系正视图。
图4三维扫描坐标系侧视图。
图5多传感器数据融合方式示意图。
五、具体实施方式
1.传感器集成
图1为本发明的装备结构侧视图和俯视图,包括主体支架1,两组云台2、3,一台测距仪4,两台单线激光雷达5、6,一台控制终端7,一块光学反射板8,两条水平平行滑轨9、10。主体支架1架设在滑轨9、10之上,通过两端的滑轮实现左右方向上的水平滑动;测距仪4固定在云台2的上面,单线激光雷达5、6分别固定在云台2、3的下面,配有防护罩,可防止传感器受到矿物粉尘的干扰;测距仪4和单线激光雷达5、6在云台2、3上的相对位置固定,安装在主体支架1上,沿滑轨9、10水平移动;单线激光雷达5、6并排安装,通过调节云台2、3的调平和旋转装置对测距仪4和单线激光雷达5、6进行姿态校正,确保单线激光雷达5、6的扫描截面共面且垂直于滑轨9、10的延伸方向,测距仪4脉冲发射方向与主体支架1的滑动方向平行,并垂直照射于前方远端的光学反光板8;控制终端7可使用多种类型的电脑,放置于行车驾驶室中方便人员操作,通过三条数据传输线与传感器4、5、6进行数据传输。
2.三维信息采集
数据采集过程中,通过云台搭载集成传感器沿滑轨水平滑动实现下方矿堆的整体推描,将扫描获取的二维平面数据与测距仪的距离数据相结合构建出目标物的三维点云模型。具体包括如下步骤:
步骤1:坐标系构建:如图3、图4所示,为单线激光雷达5、6构建局部坐标系,具体地,分别以单线激光雷达5、6的脉冲发射口为原点O’、O”,平行于主体支架1的放置方向为X’、X”轴,平行于滑轨9、10的延伸方向为Y’、Y”轴,垂直于地面向下为Z’、Z”轴,构建右手坐标系O’-X’Y’Z’和O”-X”Y”Z”;为点云三维模型构建左手坐标系O-XYZ,X轴和Y轴的方向与坐标系O’-X’Y’Z’相同,垂直于地面向上为Z轴,坐标原点位于光学反射板所处平面与地面的交线上,取单线激光雷达5脉冲发射口的X轴坐标为0,确定坐标原点。X和Z坐标通过单线激光雷达传感器获得,Y坐标通过测距仪获得。
步骤2:扫描参数预设:将单线激光雷达5、6的架设高度设置为0,扫描范围设置为180°,进行测试扫描。获取到地面点的高度为-h,从而得到单线激光雷达的准确架设高度h,同时可获取两台单线激光雷达间的相对距离以及各自与仓库边缘的距离,以此为依据设置它们实际工作时的扫描角度α1、α2以及分界线x1、x2和x3,其中x1<x2<x3,为垂直X轴的三条直线。
步骤3:坐标计算:对于空间中一点A,按式(1)将单线激光雷达5、6的极坐标系转换到空间直角坐标系O-XYZ,其中,s'和s"分别为单线激光雷达5、6的脉冲发射中心到目标点A的距离,d为测距仪4获取云台在滑轨滑行的水平距离。
步骤4:数据配对:实际测量过程中,单线激光雷达5、6和测距仪4的工作频率保持一致,设置为50hz,由于反射物材质的影响和传感器自身的不稳定性,每秒采集到各种传感器的数据量不固定,在50至55帧之间浮动。对此,本发明采用硬耦合的方法对两种传感器获取的原始数据进行匹配,即每0.5秒对两台单线激光雷达5、6获取的数据帧数f1、f2以及测距仪4获取的数据帧数f3进行统计,以f1、f2中的较小者作为该时间段内的基准频率f,对其他两台传感器采集的数据进行内插调整,使得三台传感器在相同时间段内获取的数据帧数均等于f,按照数据记录顺序对4、5、6采集的信息一一对应。
步骤5:点云拼接:由于两台单线激光雷达5和6的相对位置保持固定,数据融合按图5采用拼接的方式进行,不需要进行点云匹配处理,大幅度提升数据处理效率。具体实施为:根据之前设置好的分界线x1、x2和x3对两台单线激光雷达各自获取的位于O-XZ平面的二维轮廓数据进行裁剪,对单线激光雷达5的数据保留区域为[x1,x2],单线激光雷达6的数据保留区域为[x2,x3];裁剪后,按照数据记录顺序,以测距仪4的一个距离数据搭配单线激光雷达5和6各一条点云数据的格式进行数据融合,构建出矿堆的三维模型。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法,其特征在于,包括主体支架(1),两个传感器固定云台:分别为第一云台(2)、第二云台(3),一台测距仪(4),两台单线激光雷达:分别为第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6),一台控制终端(7),一块光学反射板(8),两条平行滑轨:分别为第一滑轨(9)、第二滑轨(10);
主体支架(1)架设在两条平行滑轨之上,通过两端的滑轮实现左右方向上的水平滑动;测距仪(4)固定在第一云台(2)的上面,第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)分别固定在第一云台(2)和第二云台(3)的下面,配有防护罩,可防止传感器受到矿物粉尘的干扰;测距仪(4)和第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)在第一云台(2)、第二云台(3)上的相对位置固定,安装在主体支架(1)上,沿两条平行滑轨水平移动;第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)并排安装,通过调节第一云台(2)、第二云台(3)的调平和旋转装置对测距仪(4)和第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)进行姿态校正,确保第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)的扫描截面共面且垂直于两条平行滑轨的延伸方向,测距仪(4)脉冲发射方向与主体支架(1)的滑动方向平行,并垂直照射于前方远端的光学反射板(8);控制终端(7)可使用多种类型的电脑,放置于行车驾驶室中方便人员操作,通过三条数据传输线与测距仪(4)、第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)进行数据传输;
仓储矿堆扫描包含以下几个步骤:
1)坐标转换:为第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)构建局部坐标系,具体地,分别以第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)的脉冲发射口为原点O’、O”,平行于主体支架(1)的放置方向为X’、X”轴,平行于第一滑轨(9)、第二滑轨(10)的延伸方向为Y’、Y”轴,垂直于地面向下为Z’、Z”轴,构建右手坐标系O’-X’Y’Z’和O”-X”Y”Z”;为点云三维模型构建左手坐标系O-XYZ,X轴和Y轴的方向与坐标系O’-X’Y’Z’相同,垂直于地面向上为Z轴,坐标原点位于光学反射板所处平面与地面的交线上,取第一单线激光雷达(5)脉冲发射口的X轴坐标为0,确定为坐标原点,X和Z坐标通过第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)获得,Y坐标通过测距仪(4)获得;
2)参数预设:将第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)的架设高度设置为0,扫描范围设置为180°,进行测试扫描,获取到地面点的高度为-h,从而得到两台单线激光雷达的准确架设高度h,同时可获取两台单线激光雷达间的相对距离以及各自与仓库边缘的距离,以此为依据设置它们实际工作时的扫描角度α1、α2以及分界线x1、x2和x3,其中x1<x2<x3,为垂直X轴的三条直线;
3)坐标计算:对于空间中一点A,按式(1)所示将两台单线激光雷达的极坐标系转换到空间直角坐标系O-XYZ,其中,s'和s"分别为第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)的脉冲发射中心到目标点的距离,d为测距仪(4)获取的行车到墙壁的距离;
4)数据配对:实际测量过程中,两台单线激光雷达和测距仪都被设置为50hz的工作频率,由于反射物材质的影响和传感器自身的不稳定性,每秒的原始数据获取数量在50至55帧之间浮动,采用硬耦合的方法对两台单线激光雷达和测距仪获取的原始数据进行匹配,按每0.5秒对两台单线激光雷达获取的数据帧数f1、f2以及测距仪获取的数据帧数f3进行统计,以f1、f2中的较小者作为该0.5秒时间段内的基准频率f,对另一台数据量高于基准频率的单线激光雷达和测距仪的数据进行内插修整,使得测距仪(4)、第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)在相同时间段内获取的数据帧数均等于f,按照数据记录顺序对测距仪(4)、第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)采集的信息一一对应;
5)点云拼接:由于两台单线激光雷达的相对位置保持固定,数据融合采用拼接的方式进行,不需要进行点云匹配处理,大幅度提升数据处理效率,具体的拼接方式为:根据之前设置好的分界线x1、x2和x3对两台单线激光雷达各自获取的位于O-XZ平面的二维轮廓数据进行裁剪,对第一单线激光雷达(5)的数据保留区域为[x1,x2],第二单线激光雷达(6)的数据保留区域为[x2,x3];裁剪后,按照数据记录顺序,以测距仪(4)的一个距离数据搭配第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)各一条点云数据的格式进行数据融合,构建出矿堆的三维模型。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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