CN103090791A - 散堆物料的测量系统、方法、装置和堆取料控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制技术，特别涉及一种圆形料场中的散堆物料测量技术和堆取料控制技术以提高散堆物料的测量效率，并进一步根据测量结果实现物料的堆取控制。圆形料场中散堆物料的测量系统包括：沿架设于所述圆形料场上部空间的圆形轨道运转的驱动装置；吊装在所述驱动装置下方的二维扫描仪；和数据处理器，以及测量控制器。堆取料控制进一步包括中控室服务器等。本发明提供的圆形料场中散堆物料的测量技术以及物料堆取控制技术，可以实现全程自动化控制，利用圆形穹顶轨道车载的二维激光扫描仪进行圆形料场的扫描，并与堆取料机进行联动控制作业，避免了将测量装置安装在堆取料机上，需要堆取料机停止作业才能测量的缺点，提高了测量效率。

Description

散堆物料的测量系统、方法、装置和堆取料控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术，特别涉及一种圆形料场中的散堆物料测量技术和堆取料控制技术。

背景技术

在港口、电厂、钢厂、矿山等行业，经常有一些大型物料堆如煤炭、矿石等的料堆，需要测量三维体积等参数，因此料堆体积测量是料场机械自动化作业、现代物流管理的重要工作。但是由于堆场体积大、形状不规则、物料有效反射率低等因素，传统的测量技术无法简单套用。

大型料场的物料管理已成为生产经营和生产管理的一项重要工作，从现代化企业管理角度看，大型料场管理需要一种具有实时性、测量简便且不影响正常生产过程的较高精度体积测量技术，以提高工作效率并降低劳动强度。

现有料场散堆物料的测量技术主要包括大型全站仪测量技术、CCD视觉测量技术、激光摄像测量系统、激光盘煤测量系统。

如图1所示，现有盘煤硬件数据采集方法是将激光测距仪和步进电机安装在煤场取煤的斗轮机的悬臂上，行程传感器触点安装在待测煤堆的纵向区域。在控制器的控制下，步进电机带动激光测距仪旋转固定角度，得到实时角度数据；激光测距仪对煤堆表面连续作定点扫描测量，得到高度数据；行程传感器触点安装在待测煤堆的纵向区域，随斗轮机沿煤场纵向移动，得到位置数据。激光测距仪的测得的距离信息，步进电机所获得的旋转角度信息和行程传感器所获得的位置信息形成所测煤堆三维坐标数据。控制器将采集的三维坐标数据传输到PC机进行数据处理及管理。

该技术的缺陷在于斗轮机工作的时候不能进行测量，只能在停机的时候进行测量，影响整个煤场的作业效率；盘煤的时间与精度与斗轮机的行走速度和稳定性有关。该技术用于其他散堆物料的测量时也存在相应的问题。

发明内容

本发明针对圆形料场提供一种散堆物料测量技术和堆取料控制技术，以提高散堆物料的测量效率，并进一步根据测量结果实现物料的堆取控制。

一种圆形料场中散堆物料的测量系统，包括：

圆形轨道，所述圆形轨道架设于所述圆形料场上部空间；

驱动装置，所述驱动装置与所述圆形轨道连接，沿所述圆形轨道运转；

二维扫描仪，所述二维扫描仪吊装在所述驱动装置的下方；

所述圆形轨道的半径、二维扫描仪中心点距料场地面的高度，满足：

所述二维扫描仪随驱动装置运转一周，扫描圆形料场视场中所述散堆物料的上表面至少一次；

数据处理器，与所述二维扫描仪无线连接，并：

接收所述二维扫描仪随驱动装置沿所述圆形轨道运转过程中扫描散堆物料表面后发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息；

根据各个扫描点和所述二维扫描仪中心之间的距离，以及所述驱动装置在扫描对应点时在圆形料场坐标系中的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标，其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面；

根据获得的三维坐标构建所述散堆物料的三维立体模型，确定所述散堆物料的边界信息、体积、和/或表面积；

测量控制器，与所述驱动装置和二维扫描仪连接；

所述测量控制器控制所述驱动装置按照设定速度沿所述圆形轨道运行，并启动所述二维扫描仪在驱动装置运行过程中按照设定频率线性扫描所述散堆物料表面，所述设定速度和所述设定频率根据预设的扫描精度确定；

所述测量控制器与所述数据处理器连接，获得所述数据处理器构建的散堆物料的三维立体模型，确定所述散堆物料的边界信息、体积和/或表面积。

进一步，所述的系统还包括角度编码器，所述角度编码器位于所述驱动装置上，并与所述数据处理器连接，所述角度编码器按照设定频率获得驱动装置在三维坐标中的方位角信息，并发送给所述数据处理器。

进而所述的系统还包括：图像显示单元，所述图像显示单元与所述测量控制器连接，所述图像显示单元用于显示所述数据处理器确定的散堆物料边界信息、散堆物料的三维立体模型信息和/或确定的散堆物料体积信息。

一种圆形料场中散堆物料的堆取料控制系统，包括：

包含上述的测量系统，还进一步包括：中控室服务器，根据接收的开始作业命令启动堆取料机开始作业，以及根据接收的停止作业命令控制堆取料机停止作业，其中：每次堆取料作业的起始位置和结束位置根据上述的散堆物料的三维立体模型和边界信息确定。

一种圆形料场中散堆物料的测量方法，包括：

接收二维扫描仪随驱动装置以设定速度沿圆形料场中上空的圆形轨道运转的过程中，按照设定频率扫描圆形料场中散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息，所述设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

根据获得的散堆物料的三维立体模型、确定散堆物料的边界信息、体积信息和/或表面积信息；其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面。

其中，所述根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标，包括:

针对其中任何一个扫描点，扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标为：

x=(R+L×cosα)×cosθ

y=(R+L×cosα)×sinθ

z=H-L×sinα

其中：R为圆形轨道半径，H为二维扫描仪中心距离料场地面的高度，θ为扫描该点时驱动装置在圆形轨道上的方位角，L为扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，α为该扫描点于扫描中心连线与水平方向的夹角。

进而，所述根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型，包括：

将每一个扫描点投影到地平面上；

基于四方边缘结构算法对各个扫描点在地平面上的投影点进行三角剖分，进一步获得散堆物料的平面三角形网格；

分别以所述平面三角形网格中的每一个三角形面片为基元，插入该三角形面片对应的高程值，获得多个三棱主体构建散堆物料的三维立体模型。

所述确定散堆物料表面积，具体包括：

分别确定每一个三角形面片的面积S为：

$S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}$

$P=\frac{1}{2}(E_1+E_2+E_3)$

$E_i=\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}^2+{\mathrm{\ΔY}}^2}$

其中，E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i＝1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半，ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差；

所述散堆物料表面积近似为获得的所有所述每一个三角形面片的面积S之和。

所述确定散堆物料体积，具体包括：

分别确定所述三角网格中每一个三角形面片对应的三棱柱体积V为：

$V=\frac{1}{3}(H1+H2+H3)\×S$

其中：S底面积且： $\begin{array}{c}S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}\\ P=\frac{1}{2}(E_1+E_2+E_3)\\ E_i=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}^2+{\mathrm{\ΔY}}^2}\end{array},$ E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i＝1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半，ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差；H1，H2，H3为三角形面片三个顶点A，B,C相应的高程为；

所述料场料堆的体积近似为所有所述三角网格中每一个三角形面片对应的三棱柱体积V之和。

所述确定散堆物料的边界信息，包括：

根据散堆物料的三维立体模型，确定散堆物料的在不同料层高度的分布梯度图；

分别确定每一个料层高度的分布梯度图投影到位于地平面上时的轮廓边界信息。

一种圆形料场中散堆物料的测量装置，包括：

接收单元，用于接收二维扫描仪随驱动装置以设定速度沿圆形料场中上空的圆形轨道运转的过程中，按照设定频率线性扫描圆形料场中散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息，所述设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

第一获得单元，用于根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

第二获得单元，用于根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型、确定所述散堆物料的边界信息、体积信息和/或表面积信息；其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面。

本发明提供的圆形料场中散堆物料的测量技术以及物料堆取控制技术，可以实现全程自动化控制，利用圆形穹顶轨道车载的二维激光扫描仪进行圆形料场的扫描，并与堆取料机进行联动控制作业，避免了将测量装置安装在堆取料机上，需要堆取料机停止作业才能测量的缺点，提高了测量效率；

进一步采用以四方边缘为数据结构的Delaunay三角网剖分，四方边缘结构是一种以有向边为主体，具有完备空间拓扑信息表达能力的数据结构，具有搜索速度快、结构灵活，便于遍历等特点，可以完备的描述平面剖分的Delaunay三角网，方便三维重建；

进一步在本发明提供的堆取料机控制技术中，通过对三维料堆进行高度阈值分割，得到料堆高度场梯形分布图，获得不同高度料场的起始位置信息，进而可以指导堆取料机进行自动作业。

附图说明

图1为现有盘煤硬件数据采集系统结构示意图；

图2a为本发明提供的技术方案中圆形料场上部空间圆形轨道、驱动装置和扫描仪的安装位置示意图；

图2b为本发明提供的散堆物料测量系统的结构原理示意图；

图2c为本发明提供的散堆物料的堆取料控制系统结构示意图；

图3a和图3b为Delaunay三角网特性示意图；

图4a~图4d为逐点插入算法原理示意图；

图5为本发明实施例中所述四方边缘结构示意图；

图6a~图6c为基于QE的离散点集Delaunay三角剖分示意图；

图7a和图7b为圆形料场料堆三角网格划分的仿真结果示意图；

图8为圆形料场料堆高度场分布示意图；

图9为圆形料场料堆边界位置定位原理示意图；

图10为利用三棱柱体积示意图；

图11为本发明实施例提供的圆形料场中散堆物料的测量方法流程示意图；

图12为本发明实施例提供的圆形料场中散堆物料的测量装置结构示意图。

具体实施方式

本发明针对圆形料场中散堆物料，提供一种散堆物料测量技术和堆取料控制技术，可以根据需要构建散堆物料的三维立体模型，测量大型不规则散堆物料体积、面积、以及确定边界位置，根据这些信息对料场实物量自动盘库，并进一步实现料场的堆取料控制，可广泛应用于大型矿山堆场、港口码头、钢铁企业、火力发电企业等原料堆场。

本发明针对圆形料场，可以采用Delaunay三角剖分算法实现上述目的，圆形料场为圆柱形穹顶结构，为获得Delaunay三角剖分算法所需要的料堆表面扫描点数据，可以利用圆柱形穹顶结构的特点，在料场顶部设置圆形轨道，圆形轨道上设置绕其运行的驱动装置，带动可以进行线性扫描的二维扫描仪对散堆物料的表面进行扫描，下面结合附图进行详细说明。

如图2a和图2b所示，图2a为圆形料场上部空间圆形轨道、驱动装置和扫描仪的安装位置示意图，圆形料场的围墙为圆柱形，图2a中仅示意性画出一定高度的围墙，为清楚起见，没有绘制圆形料场的穹顶结构，从图2a中可以看到，圆形轨道位于圆形料场上部空间，圆形轨道的圆心为O，，O为料场坐标系的原点。图2b为本发明提供的散堆物料测量系统的结构原理示意图，圆形料场中散堆物料测量系统具体包括：

圆形轨道101，架设于圆形料场上部空间；

驱动装置102，驱动装置102与圆形轨道101连接，沿圆形轨道101运转；

二维扫描仪103，吊装在驱动装置102下方，其中：圆形轨道101的半径、二维扫描仪103中心点距料场地面的高度，满足：

二维扫描仪103沿驱动装置102旋转一周后，扫描圆形料场视场中散堆物料的上表面至少一次；在这里需要说明的是，为防止各种情况下可能出现的扫描盲区，圆形轨道101的半径和二维扫描仪103中心点距料场地面的高度，需要考虑到任何可能的料堆形态和位置的情况来合理选择，可以根据料场实际大小并采用经验和实验相结合的方式，具体方式为本领域技术人员所熟知，这里不再详细说明。

数据处理器104，与二维扫描仪103无线连接，并：

接收二维扫描仪103随驱动装置102沿圆形轨道101运转的过程中，按照设定频率扫描散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点与二维扫描仪中心之间的距离信息，根据各个扫描点与二维扫描仪中心的距离；

驱动装置102在扫描对应点时在圆形料场坐标系中的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标，其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道101的圆心O，并垂直于X轴和Y轴所在的地平面；

根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型，并根据需要确定散堆物料的边界信息、确定散堆物料的体积或者表面积等；

测量控制器105，与驱动装置102和二维扫描仪103电连接或无线连接；

测量控制器105控制驱动装置102按照设定速度沿轨道运行，并启动二维扫描仪103在驱动装置102运行过程中按照设定频率线描散堆物料表面，设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

测量控制器105从数据处理器104获得数据处理器104构建散堆物料的三维立体模型，确定的散堆物料边界信息、表面积和/或体积。

上述系统中，数据处理器104可以根据预先设定的驱动装置102运动速度，计算出不同时刻驱动装置102在三维坐标中的方位角信息，也可以在驱动装置102上安装一个角度编码器106，角度编码器106与数据处理器104电连接或无线连接，在驱动装置102沿圆形轨道101运行时，按照设定频率获得驱动装置102在三维坐标中的方位角信息，并发送给数据处理器104。

如果需要显示数据处理器确定的构建散堆物料的三维立体模型信息，确定散堆物料的边界信息、或确定散堆物料的体积，则测量控制器105还可以连接一个图像显示单元用于显示数据处理器104的处理结果，即用于显示数据处理器104确定的散堆物料边界信息、构建的散堆物料的三维立体模型信息、或确定的散堆物料体积信息。

根据图2a所示，本发明针对圆形料场的结构，利用圆形料场上部空间设置圆形轨道，利用驱动装置102带动二维扫描仪沿轨道运转并扫描料堆表面，获得测量料堆所需的扫描数据，扫描过程和堆取料过程相配合，提高了测量效率。

如图2c所示，在圆形料场中散堆物料测量系统的基础上，进一步实现堆取料控制系统，包括：

中控室服务器107，根据接收的开始作业命令启动堆取料机开始作业，以及根据接收的停止作业命令控制堆取料机停止作业，其中：每次堆取料作业的起始位置和结束位置根据接收的散堆物料的三维立体模型和边界信息确定；

圆形轨道101，架设于圆形料场上部空间；

驱动装置102，驱动装置102与圆形轨道101连接，沿圆形轨道101运转；

二维扫描仪103，吊装在驱动装置102下方，其中：圆形轨道的半径、二维扫描仪中心点距料场地面的高度，满足：二维扫描仪随驱动装置旋转一周，扫描圆形料场视场中所述散堆物料的上表面至少一次；

数据处理器104，与二维扫描仪无线连接，并：

接收二维扫描仪随驱动装置沿圆形轨道运转的过程中，按照设定频率扫描散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点与二维扫描仪中心之间的距离信息；

根据各个扫描点与二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置102在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型并确定散堆物料的边界信息，其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面；

测量控制器105，分别与数据处理器104和中控室服务器107电连接，并与驱动装置102和二维扫描仪无线连接，通过中控室服务器向堆取料机控制器发送停止作业的控制命令后，控制驱动装置102按照设定速度沿轨道运行，并启动二维扫描仪103在驱动装置102运行过程中以设定频率扫描散堆物料表面，设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；以及在扫描结束后，控制驱动装置102和二维扫描仪103停止工作，并通过中控室服务器向堆取料机控制器发送开始作业命令；从测量控制器105获得散堆物料的边界信息和三维立体模型并传输给中控室服务器。

进一步测量控制器105或中控室服务器还可以连接图像显示单元，显示数据处理器构建的散堆物料的三维立体模型信息，例如图2c所示，中控室服务器连接一个图像显示单元。

在上述系统中，测量控制由测量控制器集中完成，数据处理器104和测量控制器105可以对应每一个料仓设置一组，二维扫描仪103一般选择激光二维扫描仪103，驱动装置102一般选择轨道小车，数据处理器104和测量控制器105也可以合并设置在一台计算机设备上，中控室服务器一般全局管理所有料仓，进行堆取料的全盘控制。如果料场规模较小，料仓的个数较少，则在堆取料控制系统中，中控服务器、数据处理器104以及测量控制器105可以全部合并设置在一台计算机设备上。

上述系统中，根据获得的扫描数据，可以采用不同的算法来构建散堆物料的三维立体模型，并进一步确定的散堆物料边界信息、表面积和/或体积等。例如规则格网DEM建立、不规则三角网TIN建立，下面就以一个较佳实施例进行详细说明。

对圆形料场料堆表面进行扫描的时候，控制穹顶的轨道小车沿整个圆形轨道101按照设定速度运行，二维激光扫描仪可以随之绕圆形料场对料堆进行实时的线性扫描，采集料堆表面上各点的位置信息并传输给数据处理器104，数据处理器104进行数据分析与处理，根据需要，可以实现料场内散堆物料的三维立体模型的构建与显示、完成料堆边界定位与体积的计算，或者仅仅完成上述任何一项或者任意组合。进一步的，根据构建的散堆物料三维立体模型，以及料堆边界还可以对堆取料机的作业区域进行控制，并根据堆取料机的堆取料操作，控制车载的二维扫描仪103对局部堆取料作业区域进行扫描更新。扫描过程中，需要考虑车载的二维扫描仪103与堆取料机之间的联动控制策略，保证堆取料机不遮挡激光二维扫描仪103的工作。即在本发明提供的圆形料场散堆物料测量系统的基础上，进一步形成了堆取料控制系统。

本发明实施例主要包括散堆物料表面扫描点数据的采集以及数据的处理，下面分别进行详细描述。

一、数据采集

如前所示，为了保证车载的二维激光扫描仪对料场扫描不存在测量盲区，需要综合考虑圆形料场大小、各种可能的料堆堆形与堆取料位置，圆形轨道的轨道半径以及离地面的高度，使激光扫描面覆盖整个料堆，同时，轨道小车绕圆形料场行走的速度将决定整个圆形料场料堆表面测量点的密度，便于满足测量速度、精度上的不同层次需求，车载的二维激光扫描仪扫描视场示意图如图2a所示。

当轨道小车静止时，二维激光扫描仪对料堆的一次线性扫描中，各个扫描点和扫描仪中心的连线位于同一个平面中，该平面应该垂直圆形轨道所在平面且穿过圆形料场坐标系的Z轴，例如图2a中一次线性扫描后的各个扫描点分布在线段P₁P₂和线段P₂P₃上，线段P₁P₂和线段P₂P₃在料场坐标系地平面上的投影为线段P₃P₄，其中，P₁位于料堆与料场挡墙的交界处，P₂应该是本次线性扫描的最高点，P₃为料场地面的最低点。当轨道小车以设定速度运行时，由于二维激光扫描仪完成一次线性扫描的速度非常快，基本可以视为和轨道小车静止时的扫描状态相同。

二维激光扫描仪采集的每一帧数据都需要无线发送给数据处理器，为保证传输安全，可以进行头尾校验和CRC校验，数据处理器可以根据头尾校验和CRC校验确保采集的每一帧数据完整、正确后再进行后续处理。这是现有二维激光扫描仪已经具备的功能，这里不再详细描述。

采用二维激光扫描仪进行测量，测量精度较高高、速度较快，可以保证一定的测量精度，能较好的适应复杂的测量环境。二维激光扫描仪和数据处理器之间的通信可以通过无线通信模块，或者采用以太网、R422或者CAN总线等方式有线连接。其中工业以太网能够达到10MBit/s的传输速率，完全满足本发明实施例的需要。

二、点云数据处理

1、确定各个扫描点的三维坐标

数据处理主要在数据处理器中完成，由于扫描点分布密度较大，获得的扫描数据可以视为云数据。在测量系统运行过程中，由于可能存在遮挡、抖动和粉尘的影响，激光扫描测量的数据中包含部分干扰点。假定穹顶上轨道小车机械结构设计合理的情况下，车载的二维激光扫描仪由于微小抖动造成的计算误差不大，可以用过相邻数据点进行均值平滑滤波，降低误差。而粉尘干扰往往使测量数据形成明显的“跳点”，也称失真点，对于这样的数据，可以根据实际测距的范围，设定阈值加以去除，是否需要干扰去除以及去除的具体方法为本领域技术人员所熟知，这里不再详细描述。

经过点云预处理后，对数据进行坐标转换。建立圆形料场坐标系如图2a所示，以计算扫描点P点在圆形料场坐标系下的三维坐标(x,y,z)为例，二维激光扫描仪测得的已知车载激光扫描仪所在圆形轨道的半径为R，扫描仪中心离料场地面的高度为H，H也可以利用O和O，之间的距离减去h获得，h为扫描仪中心与轨道的距离，穹顶轨道上的轨道小车的方位角θ，二维激光扫描仪与P点之间的直线距离L，测点扫描线相对与水平方向夹角为α。那么，可得到点P(x,y,z)各分量的值，计算公式(1)如下：

x=(R+L×cosα)×cosθ

y＝(R+L×cosα)×sinθ  （1）

z=H-L×sinα

通过上述计算公式(1)，就可以获得料堆表面的散乱分布的扫描点云三维坐标。

获得各个扫描点的三维坐标后，可以根据现有的多种算法获得料堆的三维立体模型，并进一步获得料堆的表面积、体积等信息，本发明以三角剖分算法为例进行详细说明。

2、点云数据Delaunay三角剖分

在得到料堆表面的散乱分布的扫描点云空间坐标信息后，把三维点集投影到z=0的地平面上，将三维空间点云三角剖分转化为二维平面点云三角剖分，生成一系列三角形网格，然后插入高程信息，完成离散三维空间点集三角化剖分。

由于激光扫描仪测量生成成千上万个点，对整个料场料堆扫描后，数据三角网格化计算量非常大。这里采用四方边缘结构（Quad-Edge）算法来构建Delaunay三角网来解决二维平面剖分问题。

2.1Delaunay三角网构建

2.1.1Delaunay三角剖分的原理

平面三角剖分的定义如下：假设V是二维实数域上的有限点集，边e是由点集中的点作为端点构成的封闭线段，E是e的集合。那么该点集V的一个三角剖分T=(V,E)是一个平面图G，该平面图满足条件：

1.除端点外，平面图中的边不包含点集中的任何点；

2.没有相交边；

3.平面图中所有的面都是三角面，且所有三角面的集合。

Delaunay三角剖分是一种特殊的三角剖分，必须满足两个重要的准则：

1.空圆特性：Delaunay三角网是唯一的，任意四点不能共圆，在Delaunay三角网中任意一个三角形的外接圆范围内不存在其他点，如图3（a）所示。

2.最大化最小角特性：离散点集可能形成的三角剖分中，Delaunay三角剖分所形成的三角形的最小角最大。具体是指在两个相邻的三角形构成的凸四边形的对角线，在相互交换后，六个内角的最小角不再增大，如图3（b）所示。

2.1.2Delaunay三角剖分逐点插入法

Delaunay三角网的构建算法主要有三类，即三角网增长算法、分治算法和逐点插入算法。这里采用逐点插入算法，如下图4a~图4d所示，算法的基本步骤如下：

1.构造一个超级三角形，可以包含所有离散点，放入三角形链表；

2.将点集中的散点依次插入，在三角形链表中找出其外接圆包含插入点的三角形，称为该点的影响三角形，删除影响三角形的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连接起来；

3.根据优化准则对局部新形成的三角形进行优化；

循环执行2、3步，直到所有点插入完毕。

2.2四方边缘结构

四方边缘结构（Quad-Edge，简称QE）是一种以有向边为主体，具有完备空间拓扑信息表达能力的数据结构，具有搜索速度快、结构灵活等特点，可以完备的描述平面剖分的Delaunay三角网，通过有向边缘来遍历整个剖分，构建基于四方边缘结构的Delaunay三角网，进而完成料堆的三维表面重建。

QE是平面划分的基元，如图5所示，其中包括四条有向边缘（两条主边e,eRot(红线)以及它们的逆（绿线））。

每条有向边缘定义了三个基本行为：Org为返回当前有向边缘的起点；Rot为返回当前QE单位中逆时针旋转90°的有向边，即eRot；Onext为返回当前有向边Org为基点逆时针旋转到的下一条边，即eOnext。通过逐点插入法创立二维点集的Delaunay剖分后，就可以利用QE有向边的基本操作来遍历剖分中的点、边缘，然后得到整个剖分平面的三角网。

图6a～图6c是一组基于QE数据结构的离散点集Delaunay三角剖分，QE是以有向边为基本单位，对于剖分完的Delaunay三角网，需要增加三角形类（包括三个顶点的索引）来存储生成的三角形网格。如图6（c）所示，从有向边e开始，进行eLnext操作，循环执行三次，重新回到e，则生成一个三角形，利用Org操作，保存三角形的顶点索引。这样就可以得到平面剖分后的所有三角形。

2.3圆形料场激光点云Delaunay三角网格划分仿真

可以采用Visual C6.0对上述算法进行编程实现，对料堆表面激光扫描的离散点云进行投影二维面的三角剖分，小车的运行速度和扫描频率可以根据需要的精度确定，例如：假定每条线激光扫描点数为60个点，每转动1°扫描一次，扫描一周是360次，总点数为21600，则一次线性扫描60个点需要在每转动1°的时间内完成。其仿真结果如图7a和图7b所示。图7a为离散点集示意图，图7b为剖分后的仿真结果示意图。

3.确定散装料堆的边界

网格剖分后，插入高程值，就得到了料堆表面三维形貌。为了获得料堆的边界信息，需要根据散堆物料的三维立体模型，确定散堆物料的在不同料层高度的分布梯度图；然后分别确定每一个料层高度的分布梯度图投影到位于地平面上时的轮廓边界信息，这样就可以达到不同高度下的边界信息了。

要获得不同料层高度的分布梯度图，需要得到料堆二维平面投影下的高度场分布，通过对三维重建后料堆表面各点的高度进行阈值分割，绘制断面二维高度场分布梯度图，圆形料场内某一区域料堆断面高度场梯度分布如图8所示，其中countour1，countour2，countour3分别是高度阈值为5m、10m、15米时的高度轮廓。

堆取料作业时，需要根据料堆每层的高度以及对应高度的边界起始位置来确定作业开始的位置和结束的位置。

以高度阈值为5的情况，进行料堆边界位置计算，如图9所示。对轮廓countour1上任意一点P(x,y)，计算其极坐标的角度θ：

θ=ac tan(y/x)

去顺时钟方向为负，可以得到轮廓countour1上每一点的极坐标角度θ，那么A点所在的位置为最大的θ_max，B点所在的位置为最小θ_min。因此，我们可以得到料堆的边界位置以及对应的料层高度信息，进而指导堆取料机进行作业，保证堆取料机在边界范围内作业。

4.散装料堆的表面积、体积计算

4.1面积计算

经过网格剖分以后，每个水平投影三角形的面积S可由海伦计算公式得到：

$S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}$

$P=\frac{1}{2}\left(E_1{+E}_2{+E}_3\right)$

$E_i=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}^2+{\mathrm{\ΔY}}^2}$

其中，E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i＝1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半；

ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差。

4.2体积计算

料堆的体积可以通过三棱柱体积累计的原理进行近似计算。其基本思想是以在平面剖分后的每个三角面片上插入高程值，构成三棱柱体，这样网格中的所有三角形都存在其对应的三棱柱体，计算所有三棱柱的体积之和，就能得到料场料堆体积的一个近似值。如图10所示，为三角网中的一个三角形对应的三棱柱，底面积为S，由海伦公式计算，三个顶点A，B,C相应的高程为H1，H2，H3，则其体积为：

$V=\frac{1}{3}(H1+H2+H3)\×S$

其中，顶点A,B,C的三维坐标由前面的坐标转化公式计算得到。将所有三棱柱体积累加求和，即得到了料场料堆体积的近似。

根据上述原理，如图11所示，本发明实施例还提供一种圆形料场中散堆物料的测量方法，包括如下步骤：

S111、接收二维扫描仪随驱动装置以设定速度沿圆形料场中上空的圆形轨道运转的过程中，按照设定频率线性扫描圆形料场中散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息，设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

S112、根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

S113、根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型、确定散堆物料的边界信息、确定散堆物料的体积、和/或确定散堆物料的表面积；其中：圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面。

其中，驱动装置在扫描对应点时的方位角信息可以根据驱动装置的运行时间以及设定速度确定；或者为位于驱动装置上的角度编码器按照设定频率测量并返回的方位角信息。

其中，根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标，具体包括:

针对其中任何一个扫描点，扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标为：

x=(R+L×cosα)×cosθ

y=(R+L×cosα)×sinθ

z=H-L×sinα

其中：R为圆形轨道半径，H为二维扫描仪中心距离料场料地面的高度，θ为扫描该点时驱动装置在圆形轨道上的方位角，L为扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，α为该扫描点于扫描中心连线与水平方向的夹角。

如果采用三角剖分原理，基于四方边缘结构对各个扫描点在地平面上的投影点进行三角剖分，则根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型，具体包括：

将每一个扫描点投影到地平面上；

基于四方边缘结构对各个扫描点在地平面上的投影点进行三角剖分，获得散堆物料的平面三角形网格；

分别以平面三角形网格中的每一个三角形面片为基元，插入该三角形面片对应的高程值，基于获得的多个三棱主体构建散堆物料的三维立体模型。

那么，确定散堆物料表面积，具体包括：

分别确定每一个三角形面片的面积S为：

$S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}$

$P=\frac{1}{2}\left(E_1{+E}_2{+E}_3\right)$

$E_i=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}^2+{\mathrm{\ΔY}}^2}$

其中，E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i＝1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半，ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差；

确定散堆物料表面积近似为获得的所有三角形面片的面积累加之和，即：散堆物料表面积近似为获得的所有每一个三角形面片的面积S之和。

确定散堆物料体积，具体包括：

分别确定三角网格中每一个三角形面片对应的三棱柱体积V为：

$V=\frac{1}{3}(H1+H2+H3)\×S$

其中：S底面积且： $\begin{array}{c}S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}\\ P=\frac{1}{2}(E_1+E_2+E_3)\\ E_i=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}^2+{\mathrm{\ΔY}}^2}\end{array},$ E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i＝1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半，ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差；H1，H2，H3为三角形面片三个顶点A，B,C相应的高程为；

确定料场料堆的体积近似为所有三棱柱体积累加之和，即：料场料堆的体积近似为所有三角网格中每一个三角形面片对应的三棱柱体积V之和。

确定散堆物料的边界信息，具体包括：根据散堆物料的三维立体模型，确定散堆物料的在不同料层高度的分布梯度图；分别确定每一个料层高度的分布梯度图投影到位于地平面上时的轮廓边界信息。

如图12所示，本发明实施例提供的圆形料场散堆物料的测量装置，包括：

接收单元121，用于接收二维扫描仪随驱动装置以设定速度沿圆形料场中上空的圆形轨道运转的过程中，按照设定频率线性扫描圆形料场中散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息，设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

第一获得单元122，用于根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

第二获得单元123，用于根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型、确定散堆物料的边界信息、确定散堆物料的体积、和/或确定散堆物料的表面积；其中：圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面。

本发明提供的圆形料场中散堆物料的测量技术以及物料堆取控制技术，可以实现全程自动化控制，利用圆形穹顶轨道车载的二维激光扫描仪进行圆形料场的扫描，并与堆取料机进行联动控制作业，避免了将测量装置安装在堆取料机上，需要堆取料机停止作业才能测量的缺点，提高了测量效率；

进一步采用以四方边缘为数据结构的Delaunay三角网剖分，四方边缘结构是一种以有向边为主体，具有完备空间拓扑信息表达能力的数据结构，具有搜索速度快、结构灵活，便于遍历等特点，可以完备的描述平面剖分的Delaunay三角网，方便三维重建；

进一步在本发明提供的堆取料机控制技术中，通过对三维料堆进行高度阈值分割，得到料堆高度场梯形分布图，获得不同高度料场的起始位置信息，进而可以指导堆取料机进行自动作业。

本发明提供的测量系统和控制系统，通过控制穹顶小车的速度，改变激光扫描装置测得的料堆表面三维数据的密度，从而满足不同的测量精度需求。并且具有很好的系统通用性，可用于料场实物量自动盘库，料场生产自动化管理等用途，可广泛应用于大型矿山堆场、港口码头、钢铁企业、火力发电企业等原料堆场，前景非常广泛。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种圆形料场中散堆物料的测量系统，其特征在于，包括：

圆形轨道，所述圆形轨道架设于所述圆形料场上部空间；

驱动装置，所述驱动装置与所述圆形轨道连接，沿所述圆形轨道运转；

二维扫描仪，所述二维扫描仪吊装在所述驱动装置的下方；

所述圆形轨道的半径、二维扫描仪中心点距料场地面的高度，满足：

所述二维扫描仪随驱动装置运转一周，扫描圆形料场视场中所述散堆物料的上表面至少一次；

数据处理器，与所述二维扫描仪无线连接，并：

接收所述二维扫描仪随驱动装置沿所述圆形轨道运转过程中扫描散堆物料表面后发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息；

根据各个扫描点和所述二维扫描仪中心之间的距离，以及所述驱动装置在扫描对应点时在圆形料场坐标系中的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标，其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面；

根据获得的三维坐标构建所述散堆物料的三维立体模型，确定所述散堆物料的边界信息、体积、和/或表面积；

测量控制器，与所述驱动装置和二维扫描仪连接；

所述测量控制器控制所述驱动装置按照设定速度沿所述圆形轨道运行，并启动所述二维扫描仪在驱动装置运行过程中按照设定频率线性扫描所述散堆物料表面，所述设定速度和所述设定频率根据预设的扫描精度确定；

所述测量控制器与所述数据处理器连接，获得所述数据处理器构建的散堆物料的三维立体模型，确定所述散堆物料的边界信息、体积和/或表面积。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括：

角度编码器，所述角度编码器位于所述驱动装置上，并与所述数据处理器连接，所述角度编码器按照设定频率获得驱动装置在三维坐标中的方位角信息，并发送给所述数据处理器。

3.如权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，还包括：

图像显示单元，所述图像显示单元与所述测量控制器连接，所述图像显示单元用于显示所述数据处理器确定的散堆物料边界信息、散堆物料的三维立体模型信息和/或确定的散堆物料体积信息。

4.一种圆形料场中散堆物料的堆取料控制系统，其特征在于，包含如权利要求1~3任一所述的测量系统，还进一步包括：中控室服务器，根据接收的开始作业命令启动堆取料机开始作业，以及根据接收的停止作业命令控制堆取料机停止作业，其中：每次堆取料作业的起始位置和结束位置根据如权利要求1~3任一所述的散堆物料的三维立体模型和边界信息确定。

5.如权利要求4所述的堆取料控制系统，其特征在于，所述二维扫描仪为二维激光二维扫描仪。

6.一种圆形料场中散堆物料的测量方法，其特征在于，包括：

接收二维扫描仪随驱动装置以设定速度沿圆形料场中上空的圆形轨道运转的过程中，按照设定频率扫描圆形料场中散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息，所述设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

根据获得的散堆物料的三维立体模型、确定散堆物料的边界信息、体积信息和/或表面积信息；其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，包括：

所述驱动装置在扫描对应点时的方位角信息：

根据所述驱动装置的运行时间以及所述设定速度确定；或者

为位于驱动装置上的角度编码器按照设定频率测量并返回的方位角信息。

8.如权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，所述根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标，包括:

针对其中任何一个扫描点，扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标为：

x=(R+L×cosα)×cosθ

y=(R+L×cosα)×sinθ

z=H-L×sinα

其中：R为圆形轨道半径，H为二维扫描仪中心距离料场地面的高度，θ为扫描该点时驱动装置在圆形轨道上的方位角，L为扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，α为该扫描点于扫描中心连线与水平方向的夹角。

9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型，具体包括：

将每一个扫描点投影到地平面上；

基于四方边缘结构算法对各个扫描点在地平面上的投影点进行三角剖分，进一步获得散堆物料的平面三角形网格；

分别以所述平面三角形网格中的每一个三角形面片为基元，插入该三角形面片对应的高程值，获得多个三棱主体构建散堆物料的三维立体模型。

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述确定散堆物料表面积，具体包括：

分别确定每一个三角形面片的面积S为：

$S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}$

$P=\frac{1}{2}(E_1+E_2+E_3)$

$E_i=\sqrt{{\mathrm{\ΔX}}^2+{\mathrm{\ΔY}}^2}$

其中，E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i=1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半，ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差；

所述散堆物料表面积近似为获得的所有所述三角形面片的面积S之和。

11.如权利要求10所述的测量方法，其特征在于，所述确定散堆物料体积，具体包括：

分别确定所述三角网格中每一个三角形面片对应的三棱柱体积V为：

$V=\frac{1}{3}(H1+H2+H3)\×S$

$S=\sqrt{P(P-E_1)(P-E_2)(P-E_3)}$

$P=\frac{1}{2}(E_1+E_2+E_3)$

其中：S底面积且：

，E_i为三角形两顶点之间的平面投影距离，i=1,2,3；P为投影平面三角形周长的一半，ΔX、ΔY为两顶点之间X、Y方向的坐标差；H1，H2，H3为三角形面片三个顶点A，B,C相应的高程；

所述料场料堆的体积近似为所有所述三角网格中三角形面片对应的三棱柱体积V之和。

12.如权利要求9、10或11所述的测量方法，其特征在于，所述确定散堆物料的边界信息，具体包括：

根据散堆物料的三维立体模型，确定散堆物料的在不同料层高度的分布梯度图；

分别确定每一个料层高度的分布梯度图投影到位于地平面上时的轮廓边界信息。

13.一种圆形料场中散堆物料的测量装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收二维扫描仪随驱动装置以设定速度沿圆形料场中上空的圆形轨道运转的过程中，按照设定频率线性扫描圆形料场中散堆物料表面，获得并发送回的各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离信息，所述设定速度和设定频率根据预设的扫描精度确定；

第一获得单元，用于根据各个扫描点和二维扫描仪中心之间的距离，以及驱动装置在扫描对应点时的方位角信息，分别获得各个扫描点在圆形料场坐标系中的三维坐标；

第二获得单元，用于根据获得的三维坐标构建散堆物料的三维立体模型、确定所述散堆物料的边界信息、体积信息和/或表面积信息；其中：所述圆形料场坐标系的Z轴穿过圆形轨道的圆心并垂直于X轴和Y轴所在的地平面。

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