CN102425991A - 一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法。本发明主要由多传感器同步控制采集器控制高速激光扫描仪、水平位移传感器、水平旋转传感器、垂直位移传感器、视频传感器实现数据采集。采集后的数据经过控制器初步处理，过滤完全无效的数据且利用GPS模块授时标记后，通过集成的3G无线通讯模块传输到后台服务器，通过上位机软件，借助三维坐标计算算法计算三维坐标，通过三维建模算法进行建模，然后计算出被测物料体积。优点如下：对于各传感器工作时序不一致问题，采用环形缓冲区技术，实现了异步数据采集与存储；解决了3G路由器设备的动态互联问题，为远程无线控制提供了可行方案，节省了实施费用。

Description

一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种激光测量装置及其使用方法，尤其是涉及一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法。

背景技术

大型料场盘存一般有如下几种方法(1)基于距离测量仪的人工测点获取三维坐标法，该方法测量前需要人工整形，周期长、精度低、人为因素大(2)基于匀速运动，根据时间平均计算移动距离，结合扫描仪断面计算三维坐标法，该方法简单假设测量载体匀速运动，在测量过程中测量设备不产生任何角度和速度变化，在实际测量中难以满足要求(3)基于多传感器集成，同步获取测量载体移动距离、旋转角度和二维断面计算三维坐标法，该方法允许测量载体进行非匀速和可变角度方式进行测量，测量数据每个断面都包含距离和角度信息，精度高、速度快，易于操作，是最有推广价值的方法。

在现有盘存测量系统的基础上，大型料场盘存测量需解决如下几个问题：(1)大型料场盘存测量都依靠移动测量载体，为达到远程控制目的，需要建立通讯环境。而现场无法布线架设有线网络，同时由于强电磁干扰以及建筑遮挡，也无法利用远传电台或其他无线方式。利用公用通讯网络是最合理的选择方式，但由于3G路由器设备需要连接固定IP地址，且在多个设备互联时要求设备互相指定被连设备IP地址。通常可以通过申请固定IP或每次使用手动获取待连设备IP地址，然后写入设备在使用，导致使用复杂或成本提高。(2)原有的料场盘存测量系统只考虑扫描仪、水平位移传感器、水平旋转传感器，没有考虑垂直方向位移和视频传输传感器。导致测量误差较大和作业困难。(3)随着自动化料场的普及，传统完全盘存测量方式已经开始落后，局部盘存测量或实时测量将是未来趋势。同时，现代化料场往往需要配比掺烧，而在一个大型料场如何移动到需要取料的位置，是目前料场取料作业的难题。(4)料场局部盘存测量和实时测量的推广，需要研究料场数据处理算法，同时，实时盘存需要更高频率的采集断面数据和更多类型的数据，需要研究数据的同步和高频率采集算法。(5)没有统一的料场坐标系和任意料场三维坐标计算公式。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种首次发明了IP桥接服务器技术，利用软件方案解决了3G路由器设备的动态互联问题，为远程无线控制提供了可行方案，大大节省了实施费用的一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的等的技术问题；提供了一种采用水平位移传感器、水平旋转传感器、垂直位移传感器来准确定位扫描仪的工作姿态，同时采用GPS授时准确保证各传感器数据严格同步，对于各传感器工作时序不一致问题，采用环形缓冲区技术，实现了异步数据采集与存储的一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种建立了统一的料场坐标系和料场空间模型，推导了统一的料场三维坐标计算公式，解决了不同料场、不同情形料场三维坐标结算问题的一种自动化堆场激光测量装置及其使用方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自动化堆场激光测量装置，其特征在于，包括：

同步控制采集器：用于控制所有传感器，从传感器获取采集到的数据，同时实现远程控制和数据传输；

与所述同步控制采集器连接的激光扫描仪：用于扫描堆场断面；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的水平位移传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪的行走距离；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的水平旋转传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪与轨道的夹角；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的垂直位移传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪与垂直面的夹角；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的视频传感器：实时获取被测堆场周围视频信息；

与所述同步控制采集器连接的GPS模块：用于对每次采集的数据进行实时授时标记；

与所述同步控制采集器连接的服务器系统：远程获取采集的数据并对采集数据进行建模，然后计算出被测堆场体积。

在上述的一种自动化堆场激光测量装置，所述的服务器系统包括：

与上述同步控制采集器连接的的客户端3G路由器：用于实现通过公用通讯网络建立与服务器的链接，实现数据远程无线传输；

通过一无线基站与所述客户端3G路由器无线连接的服务器端3G路由器：用于在没有固定IP地址的情况下，实现同步控制采集器与数据服务器端的网络连接，实现数据远程无线传输；

同时与所述客户端3G路由器和服务器端3G路由器连接的IP桥接服务器：用于保存所有3G路由器的IP信息，使服务器端3G路由器在需要的情况下与客户端3G路由器连接；

与所述服务器端3G路由器链接的后台服务器：通过服务器端3G路由器实时获取远程采集的数据并对采集数据进行建模，然后计算出被测堆场体积。

在上述的一种自动化堆场激光测量装置，所述的同步控制采集器包括：

ARM微处理器；

GPS接收驱动电路：接收外部GPS授时信号，传输给ARM微控制器；

与所述ARM微处理器连接的实时时钟电路：根据系统设置的时间间隔，每隔一定的时间，系统根据GPS信号传输的时间对实时时钟进行校时；

与所述ARM微处理器连接的SD卡驱动电路：支持系统使用标准SD卡，系统在采集数据的过程中，既可以实现实时数据传输，又能对采集所得数据进行存档；

与所述ARM微处理器连接的以太网驱动电路：用于同步控制采集器通过以太网连接激光扫描仪和视屏传感器，实现数据的高速采集和传输；

与所述ARM微处理器连接的串口1驱动电路：用于同步控制采集器连接水平位移传感器；

与所述ARM微处理器连接的串口2驱动电路：用于同步控制采集器连接水平旋转传感器；

与所述ARM微处理器连接的串口3驱动电路：用于同步控制采集器连接垂直位移传感器；

与所述ARM微处理器连接的人机界面驱动电路：用于支持显示屏及界面按钮操作；

与所述ARM微处理器连接的电源电路：为同步控制采集器供电。

一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由激光扫描仪、水平位移传感器、水平旋转传感器、垂直位移传感器、视频传感器进行被测堆场的数据采集；并将采集的数据传输给上述同步控制采集器；

步骤2，同步控制采集器将采集的数据经过初步处理，过滤完全无效的数据且利用GPS模块授时标记后，传输到服务器系统的后台服务器；

步骤3，后台服务器借助三维坐标计算算法计算三维坐标，通过三维建模算法进行建模，最后计算出被测堆场体积。

在上述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，所述的步骤2中，同步控制采集器将采集数据传输到服务器系统的具体方法包括以下步骤：

步骤2.1，服务器端3G路由器设备在桥接服务器上注册自身的IP与端口信息，服务器端3G路由器设备连至IP桥接服务器，并向IP桥接服务器发送唯一编码及作为服务器时开放的端口，IP桥接服务器在接收3G路由设备连接时即可获取对方的IP地址，由此，IP桥接服务器可将由唯一编码标识的3G路由器设备的IP信息存储下来，服务器端3G路由器设备完成了自身的IP与端口信息注册后，即等待客户端3G路由器设备的连接；

步骤2.2，客户端3G路由器设备获取服务器端3G路由器设备IP与端口信息并建立连接，客户端3G路由器连接至IP桥接服务器，并向其发送唯一编码，IP桥接服务器通过查询3G路由器设备连接关系表，得到服务器端3G路由器设备的唯一编码，再根据该唯一编码获得其IP地址与端口信息，并将该信息发送给客户端3G路由器设备，此时，客户端3G路由器设备即可连接至服务器端3G路由器设备；

步骤2.3，客户端3G路由器将采集数据实时传输给服务器端3G路由器，再由服务器端3G路由器传输给后台服务器。

在上述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，所述的步骤3中，后台服务器借助三维坐标计算算法计算三维坐标的基于定义：首先建立堆场测量平面坐标系XOY，平面坐标系根据测量现场的堆场包络矩形建立，具体坐标(X，Y)值由距离传感器和角度传感器根据堆取料机大臂参数换算提供；其次建立堆场Z轴，其值由高速激光扫描仪测量值结合俯仰角度传感器角度、堆取料机大臂长度进行换算得到；对于长形堆场，定义原点O为堆场包络矩形的某个角，X为堆取料机行走轨道；对于圆形堆场，定义原点O为圆形堆场的中心点，为固定点，Y为选定的0角度点；然后根据堆场计算模型，距离传感器返回的距离X、激光扫描仪的安装高度H、堆取料机大臂的长度L等参数，计算三维坐标，基于以下公式：

统一堆场三维坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}x=X+L\cos \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos \mathrm{\γ}\\ y=L\sin \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\γ}\\ z=H-D\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.$

其中，(x，y，z)为计算得到的三维坐标，L为扫描仪到旋转中心的距离，D为扫描仪测量的到被测物体的距离，H为扫描仪到水平面的高度，α为扫描仪与水平面的夹角，β为大臂与轨道的夹角(矩形堆场)或与γ相等(圆形堆场)；γ为扫描断面与轨道的夹角(矩形堆场)或扫描断面与X轴正方向的夹角(圆形堆场)，θ：扫描线与扫描仪的夹角。

在上述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，所述步骤3中，后台服务器进行建模的具体方法如下：

对于长形堆场，定义L为大臂长度即激光扫描仪到斗轮机旋转中心的距离，其中垂直传感器角度L＝L’*sin δ；D为激光扫描仪测距值即被测点到激光扫描仪的距离；H为激光扫描仪到地面的高度；α为激光扫描仪与水平面的夹角；β为大臂与轨道的夹角；γ为激光扫描断面与轨道的夹角；θ为扫描断面与激光扫描仪的夹角，此角度与扫描方向有关；

对于圆形堆场，由于堆取料机围绕旋转中心转动，所以没有距离传感器获取距离数据，只需要考虑激光扫描仪与水平面夹角、扫描断面与扫描仪本身夹角，即定义L为大臂长即激光扫描仪到斗轮机旋转中心的距离，其中垂直传感器角度L＝L’*sin δ，D为激光扫描仪测距值即被测点到扫描仪的距离；H为激光扫描仪到地面的高度；α为激光扫描仪与水平面的夹角；γ为扫描断面与x轴方向的夹角；θ为扫描断面与激光扫描仪的夹角，此角度与扫描方向有关。

在上述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，所述的后台服务器包括一个料场盘存测量管理模块，所述料场盘存测量管理模块包括依次相连的：

数据采集单元：将同步控制采集器采集到的数据转换成本软件所支持的格式；

图形显示单元：将扫描到的堆场以三维的形式显示出来；

数据处理单元：数据处理主要包括三部分内容，体积计算、堆体分割、堆体合并；

体积计算单元：主要经过坐标计算，三维建网，最终计算出堆体的体积；

堆体分割单元：在同一个堆场里会堆放不同品质的物料，为了掌握不同物料的体积，提供基于图形的堆体分割功能；

堆体合并单元：针对超宽形堆场一次数据采集不能将其进行完整扫描，必需分开进行扫描，但在数据管理合并中为了与电厂的管理系统保持一致提供此功能来实现两次扫描数据的合并；

查询统计单元：对历史数据的查询与统计分析；

报表输出单元：对堆场的统计数据进行报表输出；

参数设置单元：对盘存装置的初始状态，堆体的属性，报表的输出路径等参数进行设置；

权限管理单元：对软件的功能以及软件的使用权限进行管理。

因此，本发明具有如下优点：1.首次发明了IP桥接服务器技术，利用软件方案解决了3G路由器设备的动态互联问题，为远程无线控制提供了可行方案，大大节省了实施费用；2.采用水平位移传感器、水平旋转传感器、垂直位移传感器来准确定位扫描仪的工作姿态，同时采用GPS授时准确保证各传感器数据严格同步，对于各传感器工作时序不一致问题，采用环形缓冲区技术，实现了异步数据采集与存储；3.建立了统一的料场坐标系和料场空间模型，推导了统一的料场三维坐标计算公式，解决了不同料场、不同情形料场三维坐标结算问题。

附图说明

附图1是本发明的一种结构原理示意图；

附图2是本发明中同步控制采集器的结构原理示意图；

附图3是本发明中3G路由设备的桥接流程示意图；

附图4是本发明中长形堆场坐标系示意图；

附图5是本发明中圆形堆场坐标系示意图；

附图6是本发明中长形堆场模型示意图；

附图7是本发明中圆形堆场模型示意图；

附图8是本发明中料场盘存测量管理模块的结构原理示意图；

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

一种自动化堆场激光测量装置，包括：

同步控制采集器：用于控制所有传感器，从传感器获取采集到的数据，同时实现远程控制和数据传输；

与所述同步控制采集器连接的激光扫描仪：用于扫描堆场断面；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的水平位移传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪的行走距离；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的水平旋转传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪与轨道的夹角；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的垂直位移传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪与垂直面的夹角；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的视频传感器：实时获取被测堆场周围视频信息；

与所述同步控制采集器连接的GPS模块：用于对每次采集的数据进行实时授时标记；

与所述同步控制采集器连接的服务器系统：远程获取采集的数据并对采集数据进行建模，然后计算出被测堆场体积。

服务器系统包括：

与上述同步控制采集器连接的的客户端3G路由器：用于实现通过公用通讯网络建立与服务器的链接，实现数据远程无线传输；

通过一无线基站与所述客户端3G路由器无线连接的服务器端3G路由器：用于在没有固定IP地址的情况下，实现同步控制采集器与数据服务器端的网络连接，实现数据远程无线传输；

同时与所述客户端3G路由器和服务器端3G路由器连接的IP桥接服务器：用于保存所有3G路由器的IP信息，使服务器端3G路由器在需要的情况下与客户端3G路由器连接；

与所述服务器端3G路由器链接的后台服务器：通过服务器端3G路由器实时获取远程采集的数据并对采集数据进行建模，然后计算出被测堆场体积。

同步控制采集器包括：

ARM微处理器；

GPS接收驱动电路：接收外部GPS授时信号，传输给ARM微控制器；

与所述ARM微处理器连接的实时时钟电路：根据系统设置的时间间隔，每隔一定的时间，系统根据GPS信号传输的时间对实时时钟进行校时；

与所述ARM微处理器连接的SD卡驱动电路：支持系统使用标准SD卡，系统在采集数据的过程中，既可以实现实时数据传输，又能对采集所得数据进行存档；

与所述ARM微处理器连接的以太网驱动电路：用于同步控制采集器通过以太网连接激光扫描仪和视屏传感器，实现数据的高速采集和传输；

与所述ARM微处理器连接的串口1驱动电路：用于同步控制采集器连接水平位移传感器；

与所述ARM微处理器连接的串口2驱动电路：用于同步控制采集器连接水平旋转传感器；

与所述ARM微处理器连接的串口3驱动电路：用于同步控制采集器连接垂直位移传感器；

与所述ARM微处理器连接的人机界面驱动电路：用于支持显示屏及界面按钮操作；

与所述ARM微处理器连接的电源电路：为同步控制采集器供电。

一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，由激光扫描仪、水平位移传感器、水平旋转传感器、垂直位移传感器、视频传感器进行被测堆场的数据采集；并将采集的数据传输给上述同步控制采集器；

步骤2，同步控制采集器将采集的数据经过初步处理，过滤完全无效的数据且利用GPS模块授时标记后，传输到服务器系统的后台服务器；其中，同步控制采集器将采集数据传输到服务器系统的具体方法包括以下步骤：

步骤2.1，服务器端3G路由器设备在桥接服务器上注册自身的IP与端口信息，服务器端3G路由器设备连至IP桥接服务器，并向IP桥接服务器发送唯一编码及作为服务器时开放的端口，IP桥接服务器在接收3G路由设备连接时即可获取对方的IP地址，由此，IP桥接服务器可将由唯一编码标识的3G路由器设备的IP信息存储下来，服务器端3G路由器设备完成了自身的IP与端口信息注册后，即等待客户端3G路由器设备的连接；

步骤2.2，客户端3G路由器设备获取服务器端3G路由器设备IP与端口信息并建立连接，客户端3G路由器连接至IP桥接服务器，并向其发送唯一编码，IP桥接服务器通过查询3G路由器设备连接关系表，得到服务器端3G路由器设备的唯一编码，再根据该唯一编码获得其IP地址与端口信息，并将该信息发送给客户端3G路由器设备，此时，客户端3G路由器设备即可连接至服务器端3G路由器设备；

步骤2.3，客户端3G路由器将采集数据实时传输给服务器端3G路由器，再由服务器端3G路由器传输给后台服务器。

步骤3，后台服务器借助三维坐标计算算法计算三维坐标，通过三维建模算法进行建模，最后计算出被测堆场体积，后台服务器借助三维坐标计算算法计算三维坐标的基于定义：首先建立堆场测量平面坐标系XOY，平面坐标系根据测量现场的堆场包络矩形建立，具体坐标(X，Y)值由距离传感器和角度传感器根据堆取料机大臂参数换算提供；其次建立堆场Z轴，其值由高速激光扫描仪测量值结合俯仰角度传感器角度、堆取料机大臂长度进行换算得到；根据堆场计算模型，距离传感器返回的距离X、激光扫描仪的安装高度H、堆取料机大臂的长度L等参数，对于长形堆场三维点坐标(x，y，z)的计算公式(3)可以推导如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=X+L\cos \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos \mathrm{\γ}\\ y=L\sin \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\γ}\\ z=\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\end{array}\right.---\left(1\right)$

对于圆形堆场三维点坐标(x，y，z)的计算公式(4)可以推导如下：

$\left\{\begin{array}{c}x=(L-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\γ})\\ y=(L-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\γ})\\ z=H-D\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

对比式(1)、(2)可知，长形料场坐标计算公式中，只需要令X＝0，β＝γ，即可得圆形料场坐标。由此推导统一料场三维坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}x=X+L\cos \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos \mathrm{\γ}\\ y=L\sin \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\γ}\\ z=H-D\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，(x，y，z)为计算得到的三维坐标，L为扫描仪到旋转中心的距离，D为扫描仪测量的到被测物体的距离，H为扫描仪到水平面的高度，α为扫描仪与水平面的夹角，β为大臂与轨道的夹角(矩形堆场)或与γ相等(圆形堆场)；γ为扫描断面与轨道的夹角(矩形堆场)或扫描断面与X轴正方向的夹角(圆形堆场)，θ：扫描线与扫描仪的夹角。后台服务器进行建模的具体方法如下：

依据测量原理，考虑实际堆场的主要形状：长形和圆形，建立堆场计算用三维坐标系。首先建立堆场测量平面坐标系XOY，平面坐标系根据测量现场的堆场包络矩形建立，具体坐标(X，Y)值由距离传感器和角度传感器根据堆取料机大臂参数换算提供。其次建立堆场Z轴，其值由高速激光扫描仪测量值结合俯仰角度传感器角度、堆取料机大臂长度进行换算得到。激光扫描仪的工作方式为固定由一侧开始(如从左到右)，覆盖某个角度范围(如0～180度)，以某个角度间隔(如0.5度)逐点扫描，每个扫描周期为一个测量断面，测量结果为扫描仪到被测点的实际距离。距离和角度传感器以脉冲的方式返回脉冲值，通过标定换算出实际距离和大臂角度。通过以固定距离间隔连续获取堆场扫描断面，采集整个堆场三维坐标数据，从而为建立堆场三维模型提供支持。长形堆场与圆形堆场坐标系如图4，5所示。图4所示坐标系中，原点O为堆场包络矩形的某个角，X为堆取料机行走轨道；图5所示坐标系中，原点O为圆形堆场的中心点，为固定点，Y为选定的0角度点。两种类型的堆场坐标系建立方式不一样，在后续的算法过程中，需要统一这两种不同的坐标系。

按照各传感器安装的位置和数据的用途，结合堆场坐标系统，长形堆场模型需要考虑的参数有载体大臂与载体行走轨道的夹角、激光扫描仪与地面和大臂的夹角、大臂与水平面夹角以及扫描断面与轨道夹角等，可以得到如图6所示的堆场模型。

图中，L为大臂长度即激光扫描仪到斗轮机旋转中心的距离(考虑了垂直传感器角度L＝L’*sin δ)；D为激光扫描仪测距值即被测点到激光扫描仪的距离；H为激光扫描仪到地面的高度；α为激光扫描仪与水平面的夹角；β为大臂与轨道的夹角；γ为激光扫描断面与轨道的夹角；θ为扫描断面与激光扫描仪的夹角，此角度与扫描方向有关。

对于圆形堆场，由于堆取料机围绕旋转中心转动，所以没有距离传感器获取距离数据，只需要考虑激光扫描仪与水平面夹角、扫描断面与扫描仪本身夹角等，可以得到如图7的堆场模型。

图中，L为大臂长即激光扫描仪到斗轮机旋转中心的距离(考虑了垂直传感器角度L＝L’*sin δ)D为激光扫描仪测距值即被测点到扫描仪的距离；H为激光扫描仪到地面的高度；α为激光扫描仪与水平面的夹角；γ为扫描断面与x轴方向的夹角；θ为扫描断面与激光扫描仪的夹角，此角度与扫描方向有关。

后台服务器包括一个料场盘存测量管理模块，所述料场盘存测量管理模块包括依次相连的：

数据采集单元：将同步控制采集器采集到的数据转换成本软件所支持的格式；

图形显示单元：将扫描到的堆场以三维的形式显示出来；

数据处理单元：数据处理主要包括三部分内容，体积计算、堆体分割、堆体合并；

体积计算单元：主要经过坐标计算，三维建网，最终计算出堆体的体积；

堆体分割单元：在同一个堆场里会堆放不同品质的物料，为了掌握不同物料的体积，提供基于图形的堆体分割功能；

堆体合并单元：针对超宽形堆场一次数据采集不能将其进行完整扫描，必需分开进行扫描，但在数据管理合并中为了与电厂的管理系统保持一致提供此功能来实现两次扫描数据的合并；

查询统计单元：对历史数据的查询与统计分析；

报表输出单元：对堆场的统计数据进行报表输出；

参数设置单元：对盘存装置的初始状态，堆体的属性，报表的输出路径等参数进行设置；

权限管理单元：对软件的功能以及软件的使用权限进行管理。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种自动化堆场激光测量装置，其特征在于，包括：

同步控制采集器：用于控制所有传感器，从传感器获取采集到的数据，同时实现远程控制和数据传输；

与所述同步控制采集器连接的激光扫描仪：用于扫描堆场断面；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的水平位移传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪的行走距离；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的水平旋转传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪与轨道的夹角；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的垂直位移传感器：实时获取激光扫描仪扫描堆场断面时扫描仪与垂直面的夹角；

同时与所述同步控制采集器和激光扫描仪连接的视频传感器：实时获取被测堆场周围视频信息；

与所述同步控制采集器连接的GPS模块：用于对每次采集的数据进行实时授时标记；

与所述同步控制采集器连接的服务器系统：远程获取采集的数据并对采集数据进行建模，然后计算出被测堆场体积。

2.根据权利要求1所述的一种自动化堆场激光测量装置，其特征在于，所述的服务器系统包括：

与上述同步控制采集器连接的的客户端3G路由器：用于实现通过公用通讯网络建立与服务器的链接，实现数据远程无线传输；

通过一无线基站与所述客户端3G路由器无线连接的服务器端3G路由器：用于在没有固定IP地址的情况下，实现同步控制采集器与数据服务器端的网络连接，实现数据远程无线传输；

同时与所述客户端3G路由器和服务器端3G路由器连接的IP桥接服务器：用于保存所有3G路由器的IP信息，使服务器端3G路由器在需要的情况下与客户端3G路由器连接；

与所述服务器端3G路由器链接的后台服务器：通过服务器端3G路由器实时获取远程采集的数据并对采集数据进行建模，然后计算出被测堆场体积。

3.根据权利要求1所述的一种自动化堆场激光测量装置，其特征在于，所述的同步控制采集器包括：

ARM微处理器；

GPS接收驱动电路：接收外部GPS授时信号，传输给ARM微控制器；

与所述ARM微处理器连接的实时时钟电路：根据系统设置的时间间隔，每隔一定的时间，系统根据GPS信号传输的时间对实时时钟进行校时；

与所述ARM微处理器连接的SD卡驱动电路：支持系统使用标准SD卡，系统在采集数据的过程中，既可以实现实时数据传输，又能对采集所得数据进行存档；

与所述ARM微处理器连接的以太网驱动电路：用于同步控制采集器通过以太网连接激光扫描仪和视屏传感器，实现数据的高速采集和传输；

与所述ARM微处理器连接的串口1驱动电路：用于同步控制采集器连接水平位移传感器；

与所述ARM微处理器连接的串口2驱动电路：用于同步控制采集器连接水平旋转传感器；

与所述ARM微处理器连接的串口3驱动电路：用于同步控制采集器连接垂直位移传感器；

与所述ARM微处理器连接的人机界面驱动电路：用于支持显示屏及界面按钮操作；

与所述ARM微处理器连接的电源电路：为同步控制采集器供电。

4.一种权利要求1所述的自动化堆场激光测量装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由激光扫描仪、水平位移传感器、水平旋转传感器、垂直位移传感器、视频传感器进行被测堆场的数据采集；并将采集的数据传输给上述同步控制采集器；

步骤2，同步控制采集器将采集的数据经过初步处理，过滤完全无效的数据且利用GPS模块授时标记后，传输到服务器系统的后台服务器；

步骤3，后台服务器借助三维坐标计算算法计算三维坐标，通过三维建模算法进行建模，最后计算出被测堆场体积。

5.根据权利要求4所述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，其特征在于，所述的步骤2中，同步控制采集器将采集数据传输到服务器系统的具体方法包括以下步骤：

步骤2.1，服务器端3G路由器设备在桥接服务器上注册自身的'与端口信息，服务器端3G路由器设备连至IP桥接服务器，并向IP桥接服务器发送唯一编码及作为服务器时开放的端口，IP桥接服务器在接收3G路由设备连接时即可获取对方的IP地址，由此，IP桥接服务器可将由唯一编码标识的3G路由器设备的IP信息存储下来，服务器端3G路由器设备完成了自身的IP与端口信息注册后，即等待客户端3G路由器设备的连接；

步骤2.2，客户端3G路由器设备获取服务器端3G路由器设备IP与端口信息并建立连接，客户端3G路由器连接至IP桥接服务器，并向其发送唯一编码，IP桥接服务器通过查询3G路由器设备连接关系表，得到服务器端3G路由器设备的唯一编码，再根据该唯一编码获得其IP地址与端口信息，并将该信息发送给客户端3G路由器设备，此时，客户端3G路由器设备即可连接至服务器端3G路由器设备；

步骤2.3，客户端3G路由器将采集数据实时传输给服务器端3G路由器，再由服务器端3G路由器传输给后台服务器。

6.根据权利要求4所述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，其特征在于，所述的步骤3中，后台服务器借助三维坐标计算算法计算三维坐标的基于定义：首先建立堆场测量平面坐标系XOY，平面坐标系根据测量现场的堆场包络矩形建立，具体坐标(X，Y)值由距离传感器和角度传感器根据堆取料机大臂参数换算提供；其次建立堆场Z轴，其值由高速激光扫描仪测量值结合俯仰角度传感器角度、堆取料机大臂长度进行换算得到；对于长形堆场，定义原点O为堆场包络矩形的某个角，X为堆取料机行走轨道；对于圆形堆场，定义原点O为圆形堆场的中心点，为固定点，Y为选定的0角度点；然后根据堆场计算模型，距离传感器返回的距离X、激光扫描仪的安装高度H、堆取料机大臂的长度L等参数，计算三维坐标，基于以下公式：

统一堆场三维坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}x=X+L\cos \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\cos \mathrm{\γ}\\ y=L\sin \mathrm{\β}-D\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\γ}\\ z=H-D\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}),\end{array}\right.$

其中，(x，y，z)为计算得到的三维坐标，L为扫描仪到旋转中心的距离，D为扫描仪测量的到被测物体的距离，H为扫描仪到水平面的高度，α为扫描仪与水平面的夹角，对于矩形堆场，β为大臂与轨道的夹角，对于圆形堆场β为大臂与轨道的夹角并与γ相等；对于矩形堆场，γ为扫描断面与轨道的夹角，对于圆形堆场，γ为扫描断面与X轴正方向的夹角，θ：扫描线与扫描仪的夹角。

7.根据权利要求1所述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，其特征在于，所述步骤3中，后台服务器进行建模的具体方法如下：

对于长形堆场，定义L为大臂长度即激光扫描仪到斗轮机旋转中心的距离，其中垂直传感器角度L＝L’*sin δ；D为激光扫描仪测距值即被测点到激光扫描仪的距离；H为激光扫描仪到地面的高度；α为激光扫描仪与水平面的夹角；β为大臂与轨道的夹角；γ为激光扫描断面与轨道的夹角；θ为扫描断面与激光扫描仪的夹角，此角度与扫描方向有关；

对于圆形堆场，由于堆取料机围绕旋转中心转动，所以没有距离传感器获取距离数据，只需要考虑激光扫描仪与水平面夹角、扫描断面与扫描仪本身夹角，即定义L为大臂长即激光扫描仪到斗轮机旋转中心的距离，其中垂直传感器角度L＝L’*sin δ，D为激光扫描仪测距值即被测点到扫描仪的距离；H为激光扫描仪到地面的高度；α为激光扫描仪与水平面的夹角；γ为扫描断面与x轴方向的夹角；θ为扫描断面与激光扫描仪的夹角，此角度与扫描方向有关。

8.根据权利要求1所述的一种自动化堆场激光测量装置的使用方法，其特征在于，所述的后台服务器包括一个料场盘存测量管理模块，所述料场盘存测量管理模块包括依次相连的：

数据采集单元：将同步控制采集器采集到的数据转换成本软件所支持的格式；

图形显示单元：将扫描到的堆场以三维的形式显示出来；

数据处理单元：数据处理主要包括三部分内容，体积计算、堆体分割、堆体合并；

体积计算单元：主要经过坐标计算，三维建网，最终计算出堆体的体积；

堆体分割单元：在同一个堆场里会堆放不同品质的物料，为了掌握不同物料的体积，提供基于图形的堆体分割功能；

堆体合并单元：针对超宽形堆场一次数据采集不能将其进行完整扫描，必需分开进行扫描，但在数据管理合并中为了与电厂的管理系统保持一致提供此功能来实现两次扫描数据的合并；

查询统计单元：对历史数据的查询与统计分析；

报表输出单元：对堆场的统计数据进行报表输出；

参数设置单元：对盘存装置的初始状态，堆体的属性，报表的输出路径等参数进行设置；

权限管理单元：对软件的功能以及软件的使用权限进行管理。

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