CN107358647A - 基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其主要技术特点是：使用双激光扫描仪获取现场数据；构建全局坐标系，将带有多方向旋转信息的原始距离测量值转变为垂直高度的数据分布场，并生成相应的时变数值图像；采用最小非零值替代法剔除错误数据；推算堆料口正下方区域的高度分布参数并实时传输给基于PLC的自动堆料控制系统；根据时变数据计算扫描区域料堆体积和重量并实时更新显示；利用VTK技术实现料堆的三维重构。本发明设计合理，能够保证圆形料堆实时监测系统运行稳定，满足工作现场监测要求，并成功实现与基于料堆实时状况的PLC在线控制系统的输入、输出数据流的对接功能。

Description

基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法

技术领域

本发明属于堆料扫描技术领域，尤其是一种基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法。

背景技术

在资源性生产企业中，堆料扫描系统不可或缺。近年来，随着三维重建技术、激光扫描技术、通信技术和计算机应用技术的发展，堆料体扫描技术发展迅速。目前，国内堆料扫描系统根据其原理不同，可以分为摄像测量法、超声测量法和激光扫描测量法。

摄像测量法利用摄像头获得料堆图像，再用图像处理技术进行料堆体积测算，该方法处理速度快、运行效率高、成本低，但是距离精度低、三维重建难度大。超声波测量法利用超声波回波定位原理进行测量，该类系统结构简单，但是测量过程较长、精度差、自动化程度低。激光扫描测量法利用激光扫描测距技术获得料堆表面的高度信息，虽成本较高，但能够准确还原出料堆的高度分布、方便推算关键参数。

综上所述，现有的料堆三维重构及现场还原不够完善；现有堆料扫描系统无法将物料的科学盘查，料堆的三维可视化以及堆料作业过程的实时在线优化控制有机结合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1、使用双激光扫描仪获取现场数据；

步骤2、构建全局坐标系，将带有多方向旋转信息的原始距离测量值转变为垂直高度的数据分布场，并生成相应的时变数值图像；

步骤3、采用最小非零值替代法剔除错误数据；

步骤4、推算堆料口正下方区域的高度分布参数并实时传输给基于PLC的自动堆料控制系统；

步骤5、根据时变数据计算扫描区域料堆体积和重量并实时更新显示；

步骤6、利用VTK技术实现料堆的三维重构。

所述步骤6后还包括利用图像伪彩渲染步骤，实现工况现状的整体展现及定点高度查询功能。

所述步骤6后还包括构建数据库实现对历史作业数据的有效存储和作业过程的可视化还原功能。

所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：

⑴构建圆形料场的数学模型；

⑵构建以扫描仪激光发射点为原点的局部坐标系以及扫描仪工作模型；

⑶根据扫描仪探测数据及所构建的扫描仪工作模型进行全局三维坐标转换，得到左侧扫描仪探测点的三维坐标为：

x_w-l＝d_l sin(α_l+θ)cos(β_l+γ₁)+L cosθcosγ₁

y_w-l＝d_l sin(α_l+θ)sin(β_l+γ₁)+L cosθsinγ₁

z_w-l＝H-d_l cos(α_l+θ)+L sinθ

右侧扫描仪探测点的三维坐标为：

x_w-r＝d_r sin(α_r+θ)cos(β_r+γ₂)+L cosθcosγ₂

y_w-r＝d_r sin(α_r+θ)sin(β_r+γ₂)+L cosθsinγ₂

z_w-r＝H-d_r cos(α_r+θ)+L sinθ

通过如上坐标转换，得到左右两侧扫描仪所有实测数据的全局坐标，将它们放入二维数组H[M][N]中，设料仓的宽为a、长为b，取分辨率为r，则M＝a/r，N＝b/r，在全局坐标系下，M行N列的料场扫描数据中，位于i行j列的数据记为，即h_ij∈H[M][N]。

所述步骤3采用最小非零值替代法剔除错误数据包括如下步骤：

⑴用3*3模板遍历H[M][N]，计算模板中心点数据h_ij的梯度值T_ijM；

⑵比较T_ijM与所设阈值μ，若T_ijM小于μ对数据h_ij不作处理，否则认定其为噪声点并执行(3)；

⑶将模板内除h_ij之外其它8个高度值进行升序排列，取第一个非零值代替h_ij，即：

s.t.(T_ijM＜μ)∨(h_i-k,j-l≠0)。

所述步骤6利用VTK技术实现料堆的三维重构的方法为：

⑴获取全局坐标矩阵数据；

⑵从投影图像的每个像素出发，沿视线方向发出一条穿过全局坐标矩阵数据的射线，并按照设定步长等距采样，差值出采样点体素值；

⑶通过颜色传输函数和不透明度传输函数赋予体素颜色值和不透明度；

⑷利用光线吸收模型将颜色值进行累加直至光线穿过全局坐标矩阵数据，得到当前平面像素的渲染颜色，生成最终的显示图像。

所述图像伪彩渲染方法包括如下步骤：

⑴获取全局坐标矩阵数据；

⑵根据数据的高度值设置一个高度变化区间；

⑶设置一定阈值，将上述区间进行均分，将料堆的高度分布转变为颜色分布；

⑷根据数据的高度值赋予对应的颜色，生成反应高度变化的伪彩图像；

⑸添加鼠标响应，实现高度数值读取及显示。

发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用多线程设计方案，使得堆料实时监测系统能够从PLC系统处获取各种方位数据；并用原始数据反演出料堆现状及体积重量等参数推算；最后将料堆的高度分布情况传送给控制系统，并保证系统的正常运行。

2、本发明使用双激光扫描仪获取现场数据，扩大了扫描范围，通过数据的相互补充，能够避免料堆表面凹陷部分数据的遗漏、克服下垂物料对扫描线的遮挡。

3、本发明以工业以太网为传输介质，实现了从扫描仪到计算机的实时原始数据获取以及向料场堆、取料自动控制模块实时发送现场数据功能，保证了数据的即时通信和系统的正常运行；其采用VTK技术的光线投影法进行体绘制，实现料堆分布的真实还原，方便用户直观了解料堆分布状况，为系统的在线控制提供客观依据。

4、本发明利用图像伪彩渲染方法，实现工况现状的整体展现及定点高度查询，其作为三维重构图像的补充，以颜色的冷暖度体现高度变化，并设高度越高，色调越暖，通过鼠标看任意一点料堆高度的功能；通过扫描线实时显示，将扫描仪探测的数据进行换算，得到从地面到探测点的高度值，可直观了解两台扫描仪的工作状态并判定数据通信是否畅通；通过信息显示栏，可实时更新已扫描区域料堆的体积、重量以及出料口下方的料堆高度值；通过构建数据库实现对历史作业数据的有效存储和作业过程的可视化还原，数据库支持导入、导出、筛选等数据管理功能。

5、本发明设计合理，能够保证圆形料堆实时监测系统运行稳定，满足工作现场监测要求，并成功实现与基于料堆实时状况的PLC在线控制系统的输入、输出数据流的对接功能。

附图说明

图1为本发明的堆料实时监测系统框架图；

图2为本发明的全局坐标系中堆料臂及其两云台方位示意图；

图3为本发明以扫描仪激光发射点为原点的局部坐标系以及扫描仪工作原理模型图；

图4为本发明的全局坐标系下出料口正下方指定区域示意图；

图5为本发明的堆料实时监测系统界面截图；

图6为本发明的堆料实时监测系统数据库截图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，如图1所示，采用多线程开发实现如下功能：⑴从PLC控制台处获取各种方位数据；⑵用原始数据反演出料堆现状及完成体积重量等参数推算；⑶将料堆的高度分布情况传送给控制系统，并保证系统的合理运行。其中，两个线程的具体实现为：

(1)线程1负责实时读取测量数据及其全局坐标变换、主要参数推算的工作；经过通信模块从控制模块的PLC中读取云台和堆料臂的方位，读取扫描仪测到的原始数据；然后对数据进行坐标变换和滤噪处理，推算料堆体积、重量并实时显示，最后将出料口下方区域内的料堆高度分布参数通过通信模块实时返送到控制系统。

(2)线程2获取缓存队列中的数据及部分推算数据，实现基于VTK技术的料堆三维重构的定时更新。

本发明的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法包括以下步骤：

步骤1、使用双激光扫描仪获取现场数据。双扫描仪的使用，扩大了扫描范围，通过数据的相互补充，能够避免料堆表面凹陷部分数据的遗漏、克服下垂物料对扫描线的遮挡。具体实现方法为：

本步骤以工业以太网为媒介通过数据通信模块，实现从扫描仪到计算机的实时原始数据获取以及向料场堆、取料自动控制模块实时发送现场数据，保证数据的即时通信和系统的正常运行。本步骤的具体实现方法为：

(1)将扫描仪、PLC控制台、计算机、料场控制系统的IP设为同一波段；

(2)根据通信协议将扫描仪数据进行PLC解码，获得所需高度数据；

(3)将处理后的高度值、体积、重量信息进行二进制编码，传回到PLC控制台。

当系统出现非正常关闭的突发情况或要求在之前的数据基础上继续监测运行时，可以将上次扫描数据读入，以保持数据的完整性。

步骤2、构建全局坐标系，将带有多方向旋转信息的原始距离测量值转变为垂直高度的数据分布场，并生成相应的时变数值图像。具体实现方法为：

(1)构建圆形料场的数学模型。本发明针对呈圆形结构的料场，为方便数据的处理和料场的三维重构，需要首先构建圆形料场的数学模型，如图2所示。圆形料场中心装一旋转轴，旋转轴上安装着相隔一定角度的堆料臂和取料臂。堆料臂出料口两侧各装有可自行旋转的云台，两云台上各安装一台扫描仪。故此，扫描仪既随堆料臂旋转又随云台旋转。堆料臂可绕轴心旋转360°，设正东向为0°、角度沿顺时针方向增加。堆料过程中，由于载料皮带的作用，使堆料臂偏离水平方向一个小角度(称为俯仰角)，记水平向为0°、向上偏离为正，最大偏离角度区间为[-5°,+5°]；云台在0°～190°的范围内旋转，转到一端即可回转，设云台带动扫描仪旋转至其一簇射线形成的扫描面和堆料臂平行时，云台角度为0°，角度同样沿顺时针增加。

(2)构建以扫描仪激光发射点为原点的局部坐标系以及扫描仪工作原理模型，如图3所示。扫描仪工作时发出激光射线，碰到反射点则返回距离测量值。本项研究使用的扫描仪精度为0.25°、25Hz。堆料臂、云台及扫描仪发出的一簇射线之间的关系如图1所示。图中，射线簇的射线数量为761，角度范围为-5°～185°。故此，第m个数据角度(如下简称相对角度)及相邻射线夹角分别为：

α_m＝(m-381)÷380×95

α_m+1-α_m＝[185°-(-5°)]/(761-1)＝0.25°

每一簇(761条)射线形成一个探测面，该探测面与料堆表面相交得到一条扫描线。受现场布局约束，本发明视位于20°～160°射线角度内的数据为有效数据，即一条扫描线的有效数据由第101,102,…,661条探测射线提供，有效数据量为561。α_m的取值范围为[-70，70°]。随着云台转过180°，扫描仪以25Hz(间隔40ms)的发射频率发出的射线簇形成的多条扫描线完成对其下方料堆表面完全覆盖。β为云台旋转角度，当扫描线与堆料臂平行时，β＝0°。

(3)根据扫描仪探测数据及所构建的数学模型进行全局三维坐标转换。设激光扫描仪到物料表面的测量值为d，射线相对角度为α，则该射线所探数据d在局部坐标系中三维坐标为：

x_coord＝d sinαcosβ

y_coord＝d sinαsinβ

z_coord＝d cosα

将参数H、L、γ、γ₁、γ₂、θ代入，得到探测点在全局坐标系下的三维坐标：

x_w＝d sin(α+θ)cos(β+γ)+L cosθcosγ

y_w＝d sin(α+θ)sin(β+γ)+L cosθsinγ

z_w＝H-d cos(α+θ)+L sinθ

对于左右两台扫描仪而言，记左扫描仪的相对角度为α_l、云台旋转角度为β_l、实测数据为d_l，右扫描仪的相对角度为α_r、云台旋转角度为β_r，实测数据为d_r，则左侧扫描仪探测点的三维坐标为：

x_w-l＝d_l sin(α_l+θ)cos(β_l+γ₁)+L cosθcosγ₁

y_w-l＝d_l sin(α_l+θ)sin(β_l+γ₁)+L cosθsinγ₁

z_w-l＝H-d_l cos(α_l+θ)+L sinθ

右侧扫描仪探测点的三维坐标为：

x_w-r＝d_r sin(α_r+θ)cos(β_r+γ₂)+L cosθcosγ₂

y_w-r＝d_r sin(α_r+θ)sin(β_r+γ₂)+L cosθsinγ₂

z_w-r＝H-d_r cos(α_r+θ)+L sinθ

通过如上坐标转换，得到左右两侧扫描仪所有实测数据的全局坐标，将它们放入二维数组H[M][N]中，设料仓的宽为a、长为b，取分辨率为r，则M＝a/r，N＝b/r，在全局坐标系下，M行N列的料场扫描数据中，位于i行j列的数据记为，即h_ij∈H[M][N]。

步骤3、采用最小非零值替代法剔除错误数据。

由于料堆表面是均匀变化的，因此，可将因物料遮挡等原因导致的具有过大梯度的数据判定为噪声点。容易分析出，激光射线打到出料口下落物料返回的距离值会明显低于料堆的距离，从而导致推算数据z_w变大，因此，本发明设计了一种最小非零值替代法滤除错误数据，该步骤具体为：

(1)用3*3模板遍历H[M][N]，计算模板中心点数据h_ij的梯度值T_ijM；

(2)比较T_ijM与所设阈值μ，若T_ijM小于μ对数据h_ij不作处理，否则认定其为噪声点并执行(3)；

(3)将模板内除h_ij之外其它8个高度值进行升序排列，取第一个非零值代替h_ij，即

s.t.(T_ijM＜μ)∨(h_i-k,j-l≠0)

步骤4、推算堆料口正下方区域的高度分布参数并实时传输给基于PLC的自动堆料控制系统。具体实现方法为：

(1)进行关注区域S_R的圈定。图4给出了全局坐标系下堆料臂出料口正下方(p点)指定区域S_R的示意图，为计算方便，将S_R近似为S′_R；

(2)计算出料口位置投影坐标点p的全局坐标为：

x_P＝L cosβ

y_P＝L sinβ

(3)代入参数R，计算S′_R的4个顶点a、b、c、d的坐标；

(4)遍历S′_R，将S′_R内的高度值进行升序排序，存入一维数组l[n](n＝4R²-1)，

(5)计算S′_R内最高值、最低值和平均值分别

l_max＝l_n

l_min＝l_k

其中，k＝0时，l_k＞0或k＞0时,l_k＞0且l_k-1＝0。

步骤5、根据时变数据计算扫描区域料堆体积和重量并实时更新显示；具体实现步骤为：

(1)选取体积计算模型。本系统采用数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)进行建模求得料堆体积。DEM遵循积分原理，将整体料堆划分成若干小的等底面积、不同高度的方柱，若方柱的底面积远小于料场底面积，则通过小方柱体积累加得到堆料体积。

(2)体积计算。设每个方柱底面积为Δs，本项研究中，料场底面积S_w≈10⁴m²，Δs≈0.04m²，满足S_w＞＞Δs的条件，因此按下式计算料堆体积

其中，h_ij∈H[M][N]。

(3)重量计算。设堆料密度为ρ，则料堆重量

m＝ρ×V

步骤6、利用VTK技术实现料堆的三维重构。

图5左侧是对料场物料布局的真实还原，浅色底盘周围数字为现场的角度标识，深色点是出料口位置标记，三维图像每隔10s更新一次。此方法能够精确模拟原始体数据，实现料堆分布的真实还原，方便用户直观了解料堆分布状况，为系统的在线控制提供客观依据。具体实现步骤为：

(1)获取全局坐标矩阵数据(体数据)；

(2)从投影图像的每个像素出发，沿视线方向发出一条穿过体数据的射线，并按照设定步长等距采样，差值出采样点体素值；

(3)通过颜色传输函数和不透明度传输函数赋予体素颜色值和不透明度；

(4)利用光线吸收模型将颜色值进行累加直至光线穿过体数据，得到当前平面像素的渲染颜色，生成最终的显示图像。

步骤7、利用图像伪彩渲染方法，实现工况现状的整体展现及定点高度查询，作为三维重构图像的补充，以颜色的冷暖度体现高度变化，并设高度越高，色调越暖，同时提供借助鼠标查看任意一点料堆高度的功能，即图5右下侧的高度值会随鼠标的移动而实时更新，另外，红点为出料口标记位。具体实现方法为：

(1)获取全局坐标矩阵数据。

(2)根据数据的高度值设置一个高度变化区间；

(3)设置一定阈值，将上述区间进行均分，将料堆的高度分布转变为颜色分布；

(4)根据数据的高度值赋予对应的颜色，生成反应高度变化的伪彩图像；

(5)添加鼠标响应，实现高度数值读取，并显示。

在上述显示过程中，采用扫描线实时显示方式并设有信息显示栏。其中：

扫描线实时显示如图5中上侧所示。为直观了解两台扫描仪的工作状态并判定数据通信是否畅通。具体实现步骤为：

(1)将扫描仪一次扫描的数据进行换算，得到从地面到探测点的高度值，存入一个一维数组；

(2)设计一个二维图像，背景为黑色；

(3)将每个点按照其高度值对应的比例，依次标记成白色，则一次扫描数据形成一条扫描线；

随着云台带动扫描仪旋转，扫描线不断变化，实现扫描线的实时显示。

信息显示栏可实时更新已扫描区域料堆的体积、重量以及出料口下方的料堆高度值，如图5右侧所示。可实时更新已扫描区域料堆的体积、重量以及出料口下方的料堆高度值。

本发明通过构建数据库实现对历史作业数据的有效存储和作业过程的可视化还原。图6为系统的数据库管理界面，本系统使用MySQL数据库进行设计，支持导入、导出、筛选等数据管理功能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、使用双激光扫描仪获取现场数据；

步骤2、构建全局坐标系，将带有多方向旋转信息的原始距离测量值转变为垂直高度的数据分布场，并生成相应的时变数值图像；

步骤3、采用最小非零值替代法剔除错误数据；

步骤4、推算堆料口正下方区域的高度分布参数并实时传输给基于PLC的自动堆料控制系统；

步骤5、根据时变数据计算扫描区域料堆体积和重量并实时更新显示；

步骤6、利用VTK技术实现料堆的三维重构。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于：所述步骤6后还包括利用图像伪彩渲染步骤，实现工况现状的整体展现及定点高度查询功能。

3.根据权利要求1所述的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于：所述步骤6后还包括构建数据库实现对历史作业数据的有效存储和作业过程的可视化还原功能。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：

⑴构建圆形料场的数学模型；

⑵构建以扫描仪激光发射点为原点的局部坐标系以及扫描仪工作模型；

⑶根据扫描仪探测数据及所构建的扫描仪工作模型进行全局三维坐标转换，得到左侧扫描仪探测点的三维坐标为：

x_w-l＝d_lsin(α_l+θ)cos(β_l+γ₁)

+Lcosθcosγ₁

y_w-l＝d_lsin(α_l+θ)sin(β_l+γ₁)

+Lcosθsinγ₁

z_w-l＝H-d_lcos(α_l+θ)+Lsinθ

右侧扫描仪探测点的三维坐标为：

x_w-r＝d_rsin(α_r+θ)cos(β_r+γ₂)

+Lcosθcosγ₂

y_w-r＝d_rsin(α_r+θ)sin(β_r+γ₂)

+Lcosθsinγ₂

z_w-r＝H-d_rcos(α_r+θ)+Lsinθ

通过如上坐标转换，得到左右两侧扫描仪所有实测数据的全局坐标，将它们放入二维数组H[M][N]中，设料仓的宽为a、长为b，取分辨率为r，则M＝a/r，N＝b/r，在全局坐标系下，M行N列的料场扫描数据中，位于i行j列的数据记为，即h_ij∈H[M][N]。

5.根据权利要求1至3任一项所述的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于：所述步骤3采用最小非零值替代法剔除错误数据包括如下步骤：

⑴用3*3模板遍历H[M][N]，计算模板中心点数据h_ij的梯度值T_ijM；

⑵比较T_ijM与所设阈值μ，若T_ijM小于μ对数据h_ij不作处理，否则认定其为噪声点并执行(3)；

⑶将模板内除h_ij之外其它8个高度值进行升序排列，取第一个非零值代替h_ij，即：

6.根据权利要求1至3任一项所述的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于：所述步骤6利用VTK技术实现料堆的三维重构的方法为：

⑴获取全局坐标矩阵数据；

⑵从投影图像的每个像素出发，沿视线方向发出一条穿过全局坐标矩阵数据的射线，并按照设定步长等距采样，差值出采样点体素值；

⑶通过颜色传输函数和不透明度传输函数赋予体素颜色值和不透明度；

⑷利用光线吸收模型将颜色值进行累加直至光线穿过全局坐标矩阵数据，得到当前平面像素的渲染颜色，生成最终的显示图像。

7.根据权利要求2所述的基于激光扫描数据的圆形料场料堆作业过程实时监测方法，其特征在于：所述图像伪彩渲染方法包括如下步骤：

⑴获取全局坐标矩阵数据；

⑵根据数据的高度值设置一个高度变化区间；

⑶设置一定阈值，将上述区间进行均分，将料堆的高度分布转变为颜色分布；

⑷根据数据的高度值赋予对应的颜色，生成反应高度变化的伪彩图像；

⑸添加鼠标响应，实现高度数值读取及显示。