CN105953867B - 一种基于小型无人机的矿山溜井料位测量及可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于小型无人机的矿山溜井料位测量及可视化方法，包括：利用带有温度补偿功能的气压计测得多个已知高度点处的气压值，根据测得数据拟合出溜井内气压与高度的近似线性关系曲线；无人机从溜井顶部地平面开始向下飞行,保持无人机接近料位上方并悬停；根据气压计的信号计算料位值；获得完整的井壁微型激光雷扫描数据和表面图像信息；对扫描数据和表面图像信息进行重建分析和可视化查看。本发明具有料位测量简单，机动灵活，适用范围广的优点。

Description

一种基于小型无人机的矿山溜井料位测量及可视化方法

技术领域

本发明属于矿山自动化仪表测量领域，具体涉及一种基于小型无人机平台的矿山溜井料位测量及可视化方法。

背景技术

溜井是地下矿山溜放和暂时储存矿石的重要通道，对提高生产效率及节约成本有非常重要的作用。在矿山生产中，为了保障安全生产以及协调调度采矿、运矿机车工作，需要及时掌握各溜井的实时料位情况，因此矿山溜井料位的测量关系重大。从矿山安全生产的角度来讲，为了防止上方铲运机卸料对溜井放矿装置的冲击，需要保持一定的料位作为缓冲，否则就会损坏设备影响生产；同样溜井中矿料不能溢出，否则也会造成重大生产事故，可见溜井料位的测量对矿山生产安全至关重要。从矿山生产效率来讲，溜井料位的实时测量对矿山生产的智能调度和自动化水平提高意义重大。同时溜井内部的维护和检测也至关重要。在生产过程中，矿石冲击磨损、地下水侵蚀以及爆破震动等极易造成溜井的破坏。溜井发生破坏将直接影响矿山的连续稳定与安全生产。为保持溜井的完好，矿山企业通常定期对溜井进行维修维护，而对井壁进行检测是溜井维修维护的前提。现有的溜井井壁检测多采用人工下井方式，由于溜井具有大直径、高深度、无光源和粉尘浓度高的特点，以及破坏的井壁可能存在浮石，人工方式存着很大的安全隐患。因此研制采用非人工下井方式检测溜井井壁的可视化扫描装置尤其重要。而目前主要采用的矿山溜井全局扫描装置结构复杂，且需要通过绞盘下放电缆和扫描探头，溜井一般都较深，因此安装施工及对溜井进行扫描可视化操作也很不方便；并且由于矿山生产不能轻易中断，此种方法的检测频率有限，不利于更好地掌握溜井内壁情况。

由于矿山溜井环境的复杂性，其料位检测一直是困扰国内外采矿行业的一大难题。目前国内很多矿山还采用人工抛矿石，通过听回声估算溜井料位，这种方法不仅效率低下，而且十分粗略、不可靠，同时由于需要工人长时间站在环境复杂的溜井边沿，极不安全。超声波物位计、雷达物位计、激光物位计等方法由于受粉尘影响大、有堆放死角、波束角较大及测量距离有限等原因无法广泛推广。采用称重法计算料位被国外矿山(如加拿大基律纳铁矿)较多采用，该方法通过计算溜井中卸矿和放矿重量来间接估算出料位变化，但是这种方法长期计算会存在严重的误差累积，若无法有效消除误差容易引起生产事故。

目前国内采矿业发展形势喜人，但同国外企业相比自动化水平落后严重，而随着国家政策对矿山生产要求的提高，国内矿山企业加大了矿山自动化改造的力度，溜井料位自动测量及可视化正是矿山自动化实现过程中关键的一环。目前存在的矿山溜井料位测量及可视化方法有多种，这些方法和设备存在以下问题。

1)接触式测量主要是采用重锤式测量方法，设备容易损坏，而且对于超深溜井测量往往难以控制。超声、雷达、激光等物位计测量方法，测量范围一般难以满足超深溜井料位测量需求，而且超声和雷达由于波束角的存在不适合较深窄口溜井的测量，由于溜井内粉尘较大使得单独使用激光物位计的最远测量范围也不超过200米。基于称重法的料位计算方法存在测量累积误差，若不能及时校正容易导致比较严重的误判。

2)对于溜井内井壁等的检查往往采用人工下井作业，工作量巨大且检查效果很差，同时人员安全难以保障；而通过缆绳下放专用扫描设备，这种方法虽然提高了检查效率，但是检测过程很复杂，且同样存在安全隐患。

3)目前采用的溜井检测手段不能同时实现料位测量及井壁的可视化。现有方法采用了比较复杂的设备，甚至需要对原有溜井进行改造，但是却仅仅实现了料位测量这一项检测，而对于溜井井壁的可视化检测还需要专门的扫描仪器和配套设施。这样既浪费了成本和资源，也不利于矿山自动化的实施。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术手段的不足，把矿山溜井中对料位测量的需求和对于溜井井壁可视化检测的需求结合起来，提供一种灵活的、适用范围广的且可同时用于矿山溜井料位测量及可视化的小型无人机平台及方法。本发明的技术方案如下：

一种基于小型无人机的矿山溜井料位测量及可视化方法，包括如下步骤：

1)设定基准气压平面，利用带有温度补偿功能的气压计测得矿山水平地面、溜井顶部地平面、溜井底部平面多个已知高度点处的气压值，根据测得数据拟合出溜井内气压与高度的近似线性关系曲线；

2)无人机从溜井顶部地平面开始向下飞行，使气压计初始化并计算1次基准气压平面高度；

3)在无人机的下方装有接近开关，通过接近开关保持无人机接近料位上方并悬停，且不会碰撞料位；

4)无人机保持在此飞行高度，数字信号处理器根据气压计的测量信息计算出此时无人机高度值1，同时又根据1中预先建立的气压与高度的近似线性关系曲线估算出高度值2，只有当高度值1和高度值2差值满足一定范围时，取两者平均值来计算料位值；

5)在无人机的一侧水平安装有微型激光雷达，使微型激光雷达扫描中心和广角摄像机视野中心垂直重合安装，当需要对溜井井壁扫描时，无人机保持机身水平缓慢垂直飞行，利用微型激光雷达自动扫描井壁表面，同时利用广角摄像机拍摄井壁表面图像信息；

6)根据无人机搭载微型激光雷达扫描范围及广角摄像机视野范围，确定测量360°井壁需要的无人机扫描次数和每次扫描的角度，每次测量开始无人机均以一固定角度从溜井顶部缓慢垂直下行，一次扫描后快速返回溜井顶部平台，进行下一次的扫描，完成多次扫描后，获得完整的井壁微型激光雷扫描数据和表面图像信息；

8)对扫描数据和表面图像信息进行重建分析和可视化查看。

本发明的有益效果如下：

[1]料位测量简单，机动灵活，适用范围广。传统的料位测量方法，需要的设备复杂，且很多方法都受到很大限制，有些还需要对溜井进行改造，成本太高。而本发明采用小型无人机对溜井料位进行测量，充分利用了四旋翼无人机体积小、重量轻、机动灵活的特点，能够方便地在地下溜井中移动，而且由于不需要对现有溜井进行任何改造，因此使用范围更广。

[2]井壁扫描快速，简便，灵活。传统的溜井内壁扫描和可视化方法，需要安装笨重复杂的设备，且操作复杂费时，测量成本也很高。而本发明采用无人机搭载激光雷达和摄像机进行扫描机可视化，充分利用了无人机机动灵活的特点，能够方便地对溜井内部进行完全扫描并获取井壁图像信息。

附图说明

图1为本发明采用的料位测量及可视化方法框图。

图2为本发明采用的微型激光雷达测量原理示意图。

具体实施方式

本发明所述的目的由以下提出的搭载二维激光雷达的小型四旋翼无人机平台得以实现。无人机平台除了飞行部件、飞控系统和电池外，还包括超声避障系统、带有温度补偿功能的气压计、红外接近开关、微型激光雷达、微型广角摄像机、256GB高速闪存卡、数字信号处理器。本发明采用的技术方案是，无人机沿溜井向下接近料位，其正下方的红外接近开关可以感知到料位后保持一定距离悬停，此时通过无人机搭载的气压计和数字信号处理器得到溜井深度信息；通过无人机上安装的小型激光雷达和微型广角摄像机可以提供对溜井井壁的完全扫描和可视化。

本发明的技术方案主要包括如下步骤：

1)利用带有温度补偿功能的气压计测得矿山水平地面、溜井顶部地平面、溜井底部平面多个已知高度点处的气压值(以溜井顶部地平面为基准气压平面)，根据测得数据最小二乘拟合出溜井内气压与高度的近似线性关系曲线，结果保存在无人机数字信号处理器内；

2)无人机从溜井顶部地平面开始向下飞行，气压计初始化并计算1次基准气压平面高度，超声避障和飞控系统保证无人机安全稳定向下飞行，控制无人机偏航角和俯仰角在2度以内；

3)无人机下方装有3个红外接近开关，呈正三角安装，通过接近开关保持无人机接近料位上方约50cm处悬停，且不会碰撞料位；

4)无人机保持在此飞行高度，气压计和数字信号处理器计算出此时无人机高度值1，同时又根据1)中所述预先建立的气压-高度曲线估算出高度值2，只有当高度值1和高度值2差值满足一定范围时，取两者平均值来计算料位值；

5)当需要对溜井井壁扫描时，无人机保持机身水平缓慢垂直飞行，水平安装在无人机一侧的微型激光雷达可自动扫描井壁表面，同时广角摄像机可拍摄下井壁表面图像信息；

6)无人机搭载微型激光雷达扫描范围为240°，广角摄像机视野范围为150°，使微型激光雷达扫描中心和广角摄像机视野中心垂直重合安装，因此测量360°井壁需要无人机扫描3次完成；

7)每次测量开始无人机均以一固定角度从溜井顶部缓慢垂直下行，完成一次测量后快速返回溜井顶部平台，每次测量开始前检测无人机电池电量是否充足，三次测量时的无人机朝向使得三次测量激光雷达扫描中心互成120°；

8)扫描数据和所拍摄井壁图像保存在256GB高速闪存卡中，返回后上传回地面控制站进行重建分析和可视化查看。

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。

本发明所采用的基于无人机平台的矿山溜井料位测量及可视化功能框图如附图1所示。无人机平台装置除了无人机主体、飞行部件、飞控系统和电池外，还包括超声避障系统、带有温度补偿功能的气压计、3个红外接近开关、微型激光雷达、微型广角摄像机、LED补光灯、256GB高速闪存卡、数字信号处理器。

本发明涉及的微型激光雷达(见附图2)是日本北阳公司的URG-04LX 2D激光雷达，拥有4米测量距离，240°测量范围，5V DC供电，100ms扫描时间，具有高精度(±10mm)和高分辨率(1024波束)特点；并且其紧凑型设计节约了空间，重量轻(约160g)、低功耗。激光雷达扫描测量溜井井壁原理：激光发射器发出激光脉冲波，当激光波碰到溜井井壁后，部分能量返回，当激光接收器收到返回激光波时，且返回波的能量足以触发门槛值，激光扫描器计算它到井壁的距离值；激光扫描器连续不停的发射激光脉冲波(1024波束)，激光脉冲波打在高速旋转的镜面上，将激光脉冲波发射向各个方向从而形成一个二维区域的扫描，从而计算出溜井井壁的外形轮廓。

本发明设计的主控制器和微处理器包括ARM控制器和德州仪器公司推出的TMS320F28335数字信号处理器(DSP)，DSP可以进行32浮点运算，且集成了16通道的12位AD转换器用于模拟信号采集。气压计采用摩托罗拉公司开发的基于MEMS技术的微型气压传感器MPX4115A，其可自动测量温度并内置温度补偿功能，其工作原理是让气压作用于敏感元件上产生压电效应，将气压值转换成电压值输出，测量范围广、功耗低、精度高、响应时间短。微型广角摄像机，视野范围达150°，可以在LED补光灯下拍摄溜井井壁的高清图像和视频。3个红外接近开关安装于无人机底部，并且呈正三角形状分部。红外接近开关的感应距离均为500mm，呈三角分布可以保证无人机大致悬停在料位上方50cm处，并避免由于无人机姿态控制误差导致的误碰撞。

本发明涉及的小型四旋翼无人机平台满足如下指标：

(1)无人机姿态控制精度达到滚转角/俯仰角控制精度小于2度，偏航角控制精度小于3度。

(2)无人机位置精度达到水平位置控制精度小于1.0米，垂直方向位置控制精度小于1.0米。

(3)无人机稳定飞行速度超过2米/秒，有效作业高度可达井下300米。

(4)无人机抗风能力为不小于4级风。

(5)机载超声避障系统及红外接近开关可有效避免井下碰撞。

(6)无人机垂直飞行距离估算误差小于1.0米。

本发明实现的目的为溜井料位测量和溜井井壁扫描及可视化。

溜井料位测量过程：

1)无人机从溜井顶部向下飞行，无人机飞控系统保证飞行姿态和安全，直到呈三角分布的底部红外接近开关动作；

2)3个红外接近开关保证了无人机大致高于料位50cm，悬停控制器工作保持无人机悬停；

3)气压和高度有式中：P₀＝101.324kPa，为标准海平面大气压，空气气体常数R＝287.05278m²/(K·s²)，标准海平面重力加速度g₀＝9.80665m/s²，温度垂直变化率β＝0.0065K/m，标准海平面温度T₀＝273.16K；

4)上式微分可得式中dH、dP分别为高度、气压变化的微分量，系数

5)DSP获取温度补偿气压计测量值计算无人机位置高度值1，当前高度H与气压P的关系近似如下：其中H_b是基准气压平面对应的基准高度，P_b是基准高度处气压值，MPX4115A的输出V_out＝V_S×(0.009×P-0.095)±(E_P×F_T×0.009V_S)，上式中V_S是气压计的供电电压(5V)；P是当前的气压(Pa)；E_P是压力补偿系数，恒为1.5；F_T是温度补偿系数；

6)温度补偿系数F_T的取值规则为：温度补偿范围为-40℃-125℃，在0-85℃内恒为1，从0℃到-40℃，温度补偿系数呈线性变化从1升到3，从85℃到125℃，温度补偿系数也呈线性变化从1升到3；

7)根据气压计测量值直接代入预先建立的气压-高度曲线估算出无人机高度值2；

8)比较高度1和高度2差值，只有在满足一定范围时，才取两者平均值来计算料位值，否则重新测量计算。

溜井井壁可视化过程：

1)无人机姿态控制器保证机身水平缓慢垂直飞行，无人机下降过程中保证偏航角不超过5°，超声避障模块防止无人机与井壁碰撞，水平安装在无人机一侧的小型激光雷达可自动扫描井壁表面获取不同高度溜井井壁的外形轮廓；

2)激光雷达扫描过程中，通过LED补光灯对井壁进行照明，启动广角摄像机采集井壁图像信息；

3)扫描数据结果和图像均由数据采集控制器自动保存在256G高速闪存卡中；

4)完成一次扫描和图像采集后，无人机可获取溜井约240°井壁的扫描信息和约150°井壁的图像信息，因此得到完整360°范围井壁的全部扫描和图像信息需要无人机扫描3次完成，且3次无人机扫描中心朝向均间隔120°；

5)3次扫描完成后，无人机将扫描数据和井壁图像上传回地面控制站进行重建分析和可视化查看。

Claims (1)

1.一种基于小型无人机的矿山溜井料位测量及可视化方法，包括如下步骤：

1)以溜井顶部地平面为基准气压平面，利用带有温度补偿功能的气压计测得矿山水平地面、溜井顶部地平面、溜井底部平面多个已知高度点处的气压值，根据测得数据拟合出溜井内气压与高度的近似线性关系曲线；

2)无人机从溜井顶部地平面开始向下飞行，使气压计初始化并计算1次基准气压平面高度；

3)在无人机的下方装有接近开关，通过接近开关保持无人机接近料位上方并悬停，且不会碰撞料位；

4)无人机保持在此飞行高度，数字信号处理器根据气压计的测量信息计算出此时无人机高度值1，同时又根据1中预先建立的气压与高度的近似线性关系曲线估算出高度值2，只有当高度值1和高度值2差值满足一定范围时，取两者平均值来计算料位值；

5)在无人机的一侧水平安装有微型激光雷达，使微型激光雷达扫描中心和广角摄像机视野中心垂直重合安装，当需要对溜井井壁扫描时，无人机保持机身水平缓慢垂直飞行，利用微型激光雷达自动扫描井壁表面，同时利用广角摄像机拍摄井壁表面图像信息；

6)根据无人机搭载微型激光雷达扫描范围及广角摄像机视野范围，确定测量360°井壁需要的无人机扫描次数和每次扫描的角度，每次测量开始无人机均以一固定角度从溜井顶部缓慢垂直下行，一次扫描后快速返回溜井顶部平台，进行下一次的扫描，完成多次扫描后，获得完整的井壁微型激光雷扫描数据和表面图像信息；

8)对扫描数据和表面图像信息进行重建分析和可视化查看。