一种多线激光雷达与测距仪耦合的仓储矿堆扫描装备

技术领域

本发明涉及空间信息应用技术领域，具体涉及一种多线激光雷达与测距仪耦合的仓储矿堆扫描装备。

背景技术

煤炭作为重要的能源物资，成本高、储量大，因此需要进行快速准确的盘点。目前大多数煤炭是以煤堆的形式进行储存，对于煤堆的体积测量多是采用人工盘点以及料耗等换等方式核验库存，需要较高的人力成本，尤其是对于大型散料堆场，盘点过程耗时费力，增加了企业的运营成本，而且数据准确度有限。最重要的是，这些传统方法需要较长的时间进行盘点，导致库存信息不能及时反映，影响了企业的决策效率。

在矿山工程建设中，准确计算矿堆仓储量对物料出纳统计和矿物生产能力评估至关重要。然而，受到仓储环境、矿车生产等多种因素的限制，以及矿物堆积形态不规则、更新频率较高等挑战，精确测量仓储矿堆的体积变得十分困难。现有的仓储矿堆测量装备及方量测算方法难以满足矿山信息化生产的需求，因此急需开发智能化矿堆测量装备，能够快速、准确地获取仓储矿堆的高精度三维信息，从而提升仓储盘量的信息化水平。

随着激光雷达装备在各领域的应用与发展，国内外学者已经提出了一些新的研究尝试。其中一种方法是利用无人机配合激光雷达对散料堆场进行建模的设计方法，通过无人机搭载激光雷达扫描散料堆场，然后对得到的点云数据进行处理和建模，可以快速完成对散料堆场的盘点，但对于封闭的仓库煤矿堆料，效果有待进一步提高。另一种方法是利用手提式测量仪对大型散料堆场进行盘点，这种方法具有盘点精度高、使用灵活等优点，但仍需要操作人员在料堆现场手动进行盘存操作，自动化程度仍有待进一步提高。同时，还有学者利用计算机视觉测量系统来测量形状不规则的大型物料堆体积，通过4台CCD摄像机、图像采集卡和微机组成的系统，可以对大型物料堆进行图像采集和处理，然后通过计算机视觉技术得到物料堆的体积，但对于复杂的堆体形状，可能存在测量误差和算法处理的挑战。

上述研究表明，激光雷达技术在仓储方量盘点方面具有可行性。然而，针对复杂密闭空间的仓储盘量，现有的激光雷达装备技术仍面临一些挑战，例如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以及数据处理耗时长等问题。此外，传统激光雷达装备成本较高，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，设计了一种多线激光雷达与测距仪耦合的仓储矿堆扫描装备。该发明具有成本低、扫描精度高、速度快的优点，通过将多线激光雷达和测距仪相结合，实现了对矿堆的三维点云数据获取。相较传统的单点测量方式，该装备克服了局限性，能够有效解决复杂仓储条件下不规则矿堆三维点云的高效精准采集。通过提供完备准确的三维数据，该装备能够提升仓储盘量的精度和效率，为工业生产带来极大的便利。

随着盘库频率的提高，企业能够实时掌握原材料消耗情况，有利于生产管理。同时，整个测量过程和结果都以数字化形式存储，使得物料进出库查询更加方便。将自动化测量与企业生产系统结合，提高了企业的精细化管理水平，具备较好的应用和推广价值。这一新的技术成果对于实现更高水平的仓储矿堆方量核算，以及提升企业生产效率和管理水平，具有重要的意义。

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、无法完整扫描、时效性差等问题，设计一种多线激光雷达与测距仪耦合的仓储矿堆扫描装备。该发明将多线激光雷达和测距仪固定在滑轨上，在滑动过程中以多线激光雷达扫描获取矿堆水平和垂直方向的三维轮廓信息，以测距仪获取任意时刻激光雷达的水平位置信息，通过对三维轮廓信息与雷达水平位置信息的集成，获取扫描矿堆的三维信息，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，提高了数据采集的精确性和效率，可实现更智能、高效的生产方式。

(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，本发明提出了一种多线激光雷达与测距仪耦合的仓储矿料扫描装备，将测距仪所获取的距离信息与多线激光雷达的三维坐标数据相结合，准确构建出目标矿料的三维空间模型。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、一组云台、一台测距仪、一台多线激光雷达、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：测距仪和多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；激光雷达可以扫描其水平与垂直范围内的矿堆；测距仪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：多线激光雷达向水平和垂直视场范围内主动发射电磁波脉冲，同时记录回传时间和扫描角度，继而计算目标与雷达之间的直线距离，并通雷达扫描角获得雷达坐标系下的三维坐标；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；最后对多线激光雷达和测距仪的数据耦合，进行坐标转换、配对操作，获取仓储矿堆的表面三维点云并计算方量。

(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、人工成本低，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激光雷达后视扫描示意图。

图3激光雷达侧视扫描示意图

图4三维扫描坐标系侧视图。

图5三维扫描坐标系后视图。

图6切片积分法计算矿堆方量示意图。

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1，一个传感器固定云台2，一台测距仪3，一台多线激光雷达4，一台远程控制终端5，一块光学反光板6，两条平行滑轨7、8。主体支架1架设在滑轨7、8之上，通过两端滑轮实现水平滑动；传感器云台2安装在主体支架1上；测距仪3与多线激光雷达4平行安装在传感器固定云台2的下方；通过调节传感器固定云台2的调平和旋转装置可对测距仪3和多线激光雷达4的姿态进行校正，确保测距仪3脉冲发射方向与滑轨7、8平行，并垂直照射在远端光学反光板6上，多线激光雷达4的中心扫描线平行于主体支架1且垂直于滑轨7、8；远程控制终端5可使用多种类型电脑，放置于行车操控室中，以便工作人员进行操作，测距仪3与多线激光雷达4通过两条数据线将数据输入远程控制终端5中；测距仪3与多线激光雷达4分别配有防尘罩，以避免矿石粉尘对测量产生干扰；

2.三维信息采集与方量计算

数据采集过程中，通过传感器云台搭载多线激光雷达与测距仪，如图2、图3所示，沿滑轨水平滑动实现下方矿堆的整体扫描，将扫描获取的局部三维点云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4、图5所示，为多线激光雷达4构建局部坐标系，具体地，以激光雷达4的发射中心为原点0,垂直于地面方向为X’轴，平行于主体支架1的方向为Y’轴，平行于滑轨7、8的方向为Z’轴，构建左手坐标系0-X’Y’Z’；为点云三维模型构建右手坐标系0-XYZ，坐标原点位于光学反射板所处平面，0-Z’X’平面，地面三面交点处，X和Y坐标通过激光雷达传感器获得，Z坐标通过激光雷达和测距仪数据联合计算后获得；

步骤2：参数预设：将多线激光雷达4的架设高度设置为0，扫描范围设置为180°，进行测试扫描，获取多线激光雷达到地面的距离-H，从而获得仪器架设高度H，同时获取激光雷达与仓库边缘的距离，以此为依据设置多线激光雷达实际工作的扫描角度

步骤3：坐标计算：对于空间中某点，按式(1)计算激光雷达点云数据在局部坐标系0-X’Y’Z’下坐标，其中,r为激光雷达脉冲发射中心到空间点的直线距离，θ为激光雷达脉冲与X’轴夹角，

步骤4：数据配对与坐标转换：实际测量中，因不同的工程需要，测距仪和多线激光雷达的工作频率可能会有所不同，且由于目标材料的反射率和传感器自身系统误差的影响，传感器工作频率会出现波动，故采用时间戳匹配方法对两种传感器数据进行匹配，对多线激光雷达与测距仪进行时间基准校正同步后进行数据采集，测距仪获取的数据格式为(d

步骤5：矿料方量计算：如图6所示，采用切片积分法对矿料点云模型进行体积计算，按式(3)计算每条扫描线的切片面积，然后按式(4)沿Z轴方向积分得到矿料方量，其中，S

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。