CN111023976B - 基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法 - Google Patents

基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法，装置包含行车道、摄像机、水平支撑梁、竖梁、黑色吸光板、横梁、一字型绿激光器、垂直支撑梁、工控机和光标尺，行车道沿水平横向设置在地面上，竖梁沿竖直方向布置在行车道两侧，横梁沿水平纵向布置在竖梁顶端，竖梁和横梁构成光幕门，横梁的一端设有黑色吸光板，横梁的中间位置底部设有一字型绿激光器，水平支撑梁的底部设有摄像机，采用线性激光扫描辅助成像、图像识别车厢矿石轮廓的方法，通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算，最终获得车厢矿石方量，结构新颖，可靠实用，经济型良好。

Description

基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法
技术领域
本发明涉及矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法，尤其是一种适用于露天矿汽车运输的基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法。
背景技术
矿用自卸卡车是国内外大型露天矿区汽车运输的主要装备，担负着运输矿石、岩土的重要任务。矿用自卸卡车主要由车头、车架、车厢、车轮以及附带的动力、制动、减震缓冲装置等构成，具备自重大、载重大、体积大的特点，担负着运输矿石和岩土的重要任务。
矿石方量是衡量矿用自卸卡车效能的重要参数，是企业制定合理生产和排土任务的主要依据，也是考核驾驶员工作绩效的关键指标之一。目前，针对矿用自卸卡车的矿石方量检测主要有以下几种方式：第一，依据车厢的额定容积，人工察看估算矿用自卸卡车装载的矿石方量；第二，利用光幕发生器和光幕接收器形成光幕，基于车辆对光幕的遮挡，依靠光幕接收器接收到的光幕变化来检测车辆的轮廓尺寸变化，从而获得矿石方量，如专利申请号为CN201610595422.7的车辆外廓尺寸光幕测量装置及方法；第三，利用激光测距方式扫描获取目标物外表面的坐标信息来计算矿石方量，可以采用激光束空间角位移变化获取目标物外表面的坐标信息，形成车辆外表面的激光雷达点云，如专利申请号为CN201910100424.8的基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法，也可以采用多个激光雷达构成激光雷达阵列，以阵列扫描的方式获取车辆的外尺寸轮廓，如专利申请号为CN201910041379.3的电机车车厢动态测量装置；第四，利用激光测距与机器视觉测距相结合的方式，融合激光单点测距精度高和双目机器视觉对纹理信息敏感的优点，对激光雷达获得的目标物外表面点云与双目相机获得的相应点云进行融合，提高测距精度，获得更为准确地车辆外表面尺寸，如专利申请号为CN201810240140.4的基于激光雷达和双目可见光相机联合测量方法。
然而，现有研究尚存在以下问题：第一，采用人工察看估算矿石方量的方式，显然误差很大；第二，采用光幕遮挡的方式测量车辆的外廓尺寸，主要适用于测量整车的宽度和高度，旨在对车辆进行限高限宽，缺乏对车辆轮廓细节的分辨，估算的矿石方量准确性差；第三，激光雷达扫描主要利用点光源发射激光束，入射到目标物后，依赖检测反射回来的激光束进行测距，受限于工作原理，激光束的入射角度以及目标物的反射特性对激光雷达测距的结果影响较大，因而激光测距在正对目标物进行单点测距时准确性较高，而对三维目标进行扫描，特别是针对车厢矿石这种漫反射特性比较明显的目标物来说，三维空间上的角度分辨率难以保证，因而在空间上检测矿石方量的准确性有限，而如果采用多个激光雷达构成高密度雷达阵列或者采用大型高角度分辨率三维激光雷达对矿用卡车进行扫描，会导致经济性较差；第四，采用激光测距与双目视觉测距相结合的方式，将两者获得的点云进行融合，可以提高车辆外表面的识别精度，实质上属于冗余测距，硬件投入较高、融合算法较复杂，在工业现场应用时经济性和实时性不高。因而有必要研究一种兼具可靠性、实用性、经济性的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法，以便快速准确地检测矿用自卸卡车的矿石方量。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、可靠性高的基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置及方法。
技术方案：本发明的一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置，包括让矿用自卸卡车经过的行车道，所述的行车道沿水平横向设置在地面上，行车道的中部设有让矿用自卸卡车经过的光幕门，所述光幕门包括沿竖直方向布置在行车道两侧的竖梁、沿水平纵向布置在竖梁顶端的横梁，所述横梁的一端设有黑色吸光板，横梁的中间位置底部设有一字型绿激光器，横梁的中部设有垂直支撑梁，所述垂直支撑梁上设有工控机，垂直支撑梁的顶端沿水平横向设置有水平支撑梁，所述水平支撑梁的悬臂端设有与工控机相连的摄像机；所述矿用自卸卡车的车厢上设有光标尺，光标尺贴装在车厢一侧的侧板顶部平面上，从车厢尾部一直延伸到车厢顶部。
所述的竖梁沿水平纵向的内侧设有遮光凹槽。
所述的黑色吸光板为正方形吸光板，正方形吸光板上边沿紧贴横梁下边沿。
所述的一字型绿激光器为沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，遇到障碍物会形成绿光斑。
所述的光标尺由沿水平横向等距排列的反光窄条组成，反光窄条以Δd为间距等间隔布置在侧板顶部平面上。
使用上所述的基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(a)在地面上沿水平横向铺设行车道，在行车道两侧沿竖直方向安装竖梁，在竖梁顶端沿水平纵向安装横梁，在横梁的一端安装黑色吸光板，使黑色吸光板的上边沿紧贴横梁下边沿，在横梁的中间位置底部安装一字型绿激光器，使一字型绿激光器沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，在横梁的中间位置上部安装垂直支撑梁，将水平支撑梁沿水平横向安装在垂直支撑梁的上部顶端，在水平支撑梁的一端安装摄像机，使摄像机的镜头朝向光幕门，并将采集到的图像传送到工控机；
(b)对摄像机进行图像配准，在无矿用自卸卡车通过光幕门的情况下，摄像机采集图像，提取图像特征点坐标，包含竖梁上下端点，以物理上的实际尺寸构建光幕门在正对方向上的真实图像，提取竖梁上下端点的物理坐标，以摄像机视角的图上坐标和实际视角的物理坐标作特征点匹配，采用射影变换构建图像几何变换，获得两者之间的变换矩阵；
(c)当需要对矿石方量进行检测时，装有矿石的矿用自卸卡车在行车道上沿水平横向通过光幕门，通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算，最终获得车厢矿石方量。
所述通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算的具体步骤如下：
首先，摄像机进行图像采集；
第二，图像提取：由于一字型绿激光器沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，遇到障碍物时形成绿光斑，而两侧竖梁因设有遮光凹槽，投射到竖梁上的绿光斑会被遮蔽，因而在摄像机视角中，绿光斑是车厢与光幕门交界面的外轮廓，此时，以绿色和黑色为取样颜色提取绿光斑和黑色吸光板图像；
第三，图像校正：利用步骤(b)获得的变换矩阵对摄像机采集的图像进行射影变换，将摄像机视角的图上坐标投影到实际视角的物理坐标；
第四，面积计算：以黑色吸光板图像左上角为坐标原点，以黑色吸光板水平宽度Δx和垂直宽度Δy为参照，构建二维坐标系，获取绿光斑各个点的坐标，以绿光斑的下边沿为对象，以是否发生竖直跳变为依据，识别车厢的左右边界点，通过积分，能求取车厢中矿石外轮廓与黑色吸光板上边沿，也为横梁下边沿围定的面积；
第五，体积计算：由于反光窄条以Δd为间距等间隔布置在侧板顶部平面上，在一字线性激光的照射下，当矿用自卸卡车沿水平横向穿过光幕门时，光标尺与光幕门的交错位置会交替照亮反光窄条；
当第i个(i＝1,2，…,N)(N为反光窄条的总数)反光窄条照亮时，经过步骤(c)中的图像提取、图像校正、面积计算，获得对应矿石外轮廓与横梁下边沿围定的面积Si；当车厢全部通过光幕门时，计算矿石外轮廓与横梁下边沿围定的体积V测为：
Figure BDA0002349414170000031
第六，矿石方量计算：由于空载情况下车厢底部与横梁下边沿围定的体积V标根据车厢的结构尺寸以及车厢与横梁之间的距离计算得出，因此，采用作差法，此时矿用自卸卡车的矿石方量V矿为：
V矿＝V标-V测。
有益效果：本发明装置采用线性激光扫描辅助成像、图像识别车厢矿石轮廓的方式获得车厢矿石方量，利用一字型绿激光器产生扇面线性激光，以绿光斑直接识别矿石轮廓，可靠性高，且受环境亮度影响小，基于像素色彩提取绿光斑和黑色吸光板轮廓，提高了图像提取的准确性，采用射影变换对摄像机视角进行图像校正，转变为正对光幕门方向上的实际视角，避免了摄像机拍摄角度带来的几何尺寸畸变，基于绿光斑是否发生竖直跳变识别车厢的左右边界，提高了图像分割的可靠性，基于物理位置和尺寸已知的正方形吸光板建立坐标系，有利于快速计算矿石轮廓与横梁下边沿围定的面积，采用作差法求取矿石方量，计算复杂性低，采用在车厢侧板顶部贴装等距排列反光窄条的方式，以相同间隔沿水平横向扫描车厢，获得更为准确的矿石方量，避免传统上假设卡车匀速通过光幕门带来的累积误差，结构新颖，可靠实用，经济性良好，在本技术领域内具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的装置光标尺工作原理示意图。
图3是本发明的装置摄像机图像配准示意图。
图4是本发明的装置矿石方量检测方法示意图。
图中：1—行车道，2—车厢，2-a—侧板，3—矿石，4—摄像机，5—水平支撑梁，6—竖梁，6-a—遮光凹槽，7—黑色吸光板，8—绿光斑，9—横梁，10—一字型绿激光器，11—垂直支撑梁，12—工控机，13—光标尺，13-a—反光窄条，14—矿用自卸卡车。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：主要由行车道(1)、摄像机(4)、水平支撑梁(5)、竖梁(6)、黑色吸光板(7)、横梁(9)、一字型绿激光器(10)、垂直支撑梁(11)、工控机(12)和光标尺(13)构成，所述的行车道(1)沿水平横向设置在地面上，竖梁(6)沿竖直方向布置在行车道(1)两侧，竖梁(6)沿水平纵向的内侧设有遮光凹槽(6-a)，横梁(9)沿水平纵向布置在竖梁(6)顶端，行车道(1)的中部设有让矿用自卸卡车(14)经过的光幕门，光幕门由竖梁(6)和横梁(9)构成，横梁(9)的一端设有黑色吸光板(7)，横梁(9)的中间位置底部设有一字型绿激光器(10)，横梁(9)的中间位置上部设有垂直支撑梁(11)，所述垂直支撑梁(11)上设有工控机(12)，垂直支撑梁(11)的上部顶端沿水平横向设置有水平支撑梁(5)，水平支撑梁(5)悬臂端设有与工控机(12)相连的摄像机(4)；所述的黑色吸光板(7)为物理位置和尺寸已知的正方形吸光板，其上边沿紧贴横梁(9)下边沿；所述的一字型绿激光器(10)沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，在发射方向上遇到障碍物会形成绿光斑(8)；所述的光标尺(13)由沿水平横向等距排列的反光窄条(13-a)组成，光标尺(13)贴装在车厢(2)一侧的侧板(2-a)顶部平面上，从车厢(2)尾部一直延伸到车厢(2)顶部；所述的摄像机(6)连接到位于垂直支撑梁(11)的工控机(12)上。
上述基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置的检测方法，包括如下步骤：
(a)在地面上沿水平横向铺设行车道(1)，在行车道(1)两侧沿竖直方向安装竖梁(6)，在竖梁(6)顶端沿水平纵向安装横梁(9)，在横梁(9)的一端安装黑色吸光板(7)，使黑色吸光板(7)的上边沿紧贴横梁(9)下边沿，在横梁(9)的中间位置底部安装一字型绿激光器(10)，使一字型绿激光器(10)沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，在横梁(9)的中间位置上部安装垂直支撑梁(11)，将水平支撑梁(5)沿水平横向安装在垂直支撑梁(11)的上部顶端，在水平支撑梁(5)的一端安装摄像机(4)，使摄像机(4)的镜头朝向光幕门，并将采集到的图像传送到工控机(12)；
(b)对摄像机(4)进行图像配准，在无矿用自卸卡车(14)通过光幕门的情况下，摄像机(4)采集图像，提取图像特征点坐标，包含竖梁(6)上下端点{A,B,C,D}，以物理上的实际尺寸构建光幕门在正对方向上的真实图像，提取竖梁(6)上下端点{A′,B′,C′,D′}的物理坐标，以摄像机(4)视角的图上坐标和实际视角的物理坐标作特征点匹配，采用射影变换构建图像几何变换，获得两者之间的变换矩阵；
(c)当需要对矿石方量进行检测时，装有矿石(3)的矿用自卸卡车(14)在行车道(1)上沿水平横向通过光幕门，通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算，最终获得车厢矿石方量。
所述通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算的具体步骤如下：
首先，摄像机(4)进行图像采集；
第二，图像提取：由于一字型绿激光器(10)沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，遇到障碍物时形成绿光斑(8)，而两侧竖梁(6)因设有遮光凹槽(6-a)，投射到竖梁(6)上的绿光斑(8)会被遮蔽，因而在摄像机(4)视角中，绿光斑(8)是车厢(2)与光幕门交界面的外轮廓，此时，以绿色和黑色为取样颜色提取绿光斑(8)和黑色吸光板(7)图像；
第三，图像校正：利用步骤(b)获得的变换矩阵对摄像机(4)采集的图像进行射影变换，将摄像机(4)视角的图上坐标投影到实际视角的物理坐标；
第四，面积计算：以黑色吸光板(7)图像左上角为坐标原点，以黑色吸光板(7)水平宽度Δx和垂直宽度Δy为参照，构建二维坐标系，获取绿光斑(8)各个点的坐标，以绿光斑(8)的下边沿为对象，以是否发生竖直跳变为依据，识别车厢(2)的左右边界点，通过积分，可以求取车厢(2)中矿石(3)外轮廓与黑色吸光板(7)上边沿，也为横梁(9)下边沿围定的面积；
第五，体积计算：由于反光窄条(13-a)以Δd为间距等间隔布置在侧板(2-a)顶部平面上，在一字线性激光的照射下，当矿用自卸卡车(14)沿水平横向穿过光幕门时，光标尺(13)与光幕门的交错位置会交替照亮反光窄条(13-a)；当第i个(i＝1,2，…,N)(N为反光窄条的总数)反光窄条(13-a)照亮时，经过上述的图像提取、图像校正、面积计算，获得对应矿石(3)外轮廓与横梁(9)下边沿围定的面积Si；
当车厢(2)全部通过光幕门时，计算矿石(3)外轮廓与横梁(9)下边沿围定的体积为
Figure BDA0002349414170000051
第六，矿石方量计算：由于空载情况下车厢(2)底部与横梁(9)下边沿围定的体积V标可以根据车厢(2)的结构尺寸以及车厢(2)与横梁(9)之间的距离计算得出，因此，采用作差法，此时矿用自卸卡车(14)的矿石方量V矿为：
V矿＝V标-V测。

Claims (7)

1.一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置，其特征在于：它包括让矿用自卸卡车(14)经过的行车道(1)，所述的行车道(1)沿水平横向设置在地面上，行车道(1)的中部设有让矿用自卸卡车(14)经过的光幕门，所述光幕门包括沿竖直方向布置在行车道(1)两侧的竖梁(6)、沿水平纵向布置在竖梁(6)顶端的横梁(9)，所述横梁(9)的一端设有黑色吸光板(7)，横梁(9)的中间位置底部设有一字型绿激光器(10)，横梁(9)的中部设有垂直支撑梁(11)，所述垂直支撑梁(11)上设有工控机(12)，垂直支撑梁(11)的顶端沿水平横向设置有水平支撑梁(5)，所述水平支撑梁(5)的悬臂端设有与工控机(12)相连的摄像机(4)；所述矿用自卸卡车(14)的车厢(2)上设有光标尺(13)，光标尺(13)贴装在车厢(2)一侧的侧板(2-a)顶部平面上，从车厢(2)尾部一直延伸到车厢(2)顶部。
2.根据权利要求1所述的一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置，其特征在于：所述的竖梁(6)沿水平纵向的内侧设有遮光凹槽(6-a)。
3.根据权利要求1所述的一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置，其特征在于：所述的黑色吸光板(7)为正方形吸光板，正方形吸光板上边沿紧贴横梁(9)下边沿。
4.根据权利要求1所述的一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置，其特征在于：所述的一字型绿激光器(10)为沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，遇到障碍物会形成绿光斑(8)。
5.根据权利要求1所述的一种基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置，其特征在于：所述的光标尺(13)由沿水平横向等距排列的反光窄条(13-a)组成，反光窄条(13-a)以Δd为间距等间隔布置在侧板(4-a)顶部平面上。
6.一种使用权利要求1-5任意一项所述的基于线性激光扫描的矿用自卸卡车矿石方量检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤：
(a)在地面上沿水平横向铺设行车道(1)，在行车道(1)两侧沿竖直方向安装竖梁(6)，在竖梁(6)顶端沿水平纵向安装横梁(9)，在横梁(9)的一端安装黑色吸光板(7)，使黑色吸光板(7)的上边沿紧贴横梁(9)下边沿，在横梁(9)的中间位置底部安装一字型绿激光器(10)，使一字型绿激光器(10)沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，在横梁(9)的中间位置上部安装垂直支撑梁(11)，将水平支撑梁(5)沿水平横向安装在垂直支撑梁(11)的上部顶端，在水平支撑梁(5)的一端安装摄像机(4)，使摄像机(4)的镜头朝向光幕门，并将采集到的图像传送到工控机(12)；
(b)对摄像机(4)进行图像配准，在无矿用自卸卡车(14)通过光幕门的情况下，摄像机(4)采集图像，提取图像特征点坐标，包含竖梁(6)上下端点，以物理上的实际尺寸构建光幕门在正对方向上的真实图像，提取竖梁(6)上下端点的物理坐标，以摄像机(4)视角的图上坐标和实际视角的物理坐标作特征点匹配，采用射影变换构建图像几何变换，获得两者之间的变换矩阵；
(c)当需要对矿石方量进行检测时，装有矿石(3)的矿用自卸卡车(14)在行车道(1)上沿水平横向通过光幕门，通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算，最终获得车厢矿石方量。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于：所述通过图像采集、图像提取、图像校正、面积计算和体积计算的具体步骤如下：
首先，摄像机(4)进行图像采集；
第二，图像提取：由于一字型绿激光器(10)沿水平纵向呈扇面向下发射一字线性激光，遇到障碍物时形成绿光斑(8)，而两侧竖梁(6)因设有遮光凹槽(6-a)，投射到竖梁(6)上的绿光斑(8)会被遮蔽，因而在摄像机(4)视角中，绿光斑(8)是车厢(2)与光幕门交界面的外轮廓，此时，以绿色和黑色为取样颜色提取绿光斑(8)和黑色吸光板(7)图像；
第三，图像校正：利用步骤(b)获得的变换矩阵对摄像机(4)采集的图像进行射影变换，将摄像机(4)视角的图上坐标投影到实际视角的物理坐标；
第四，面积计算：以黑色吸光板(7)图像左上角为坐标原点，以黑色吸光板(7)水平宽度Δx和垂直宽度Δy为参照，构建二维坐标系，获取绿光斑(8)各个点的坐标，以绿光斑(8)的下边沿为对象，以是否发生竖直跳变为依据，识别车厢(2)的左右边界点，通过积分，能求取车厢(2)中矿石(3)外轮廓与黑色吸光板(7)上边沿，也为横梁(9)下边沿围定的面积；
第五，体积计算：由于反光窄条(13-a)以Δd为间距等间隔布置在侧板(2-a)顶部平面上，在一字线性激光的照射下，当矿用自卸卡车(14)沿水平横向穿过光幕门时，光标尺(13)与光幕门的交错位置会交替照亮反光窄条(13-a)；
当第i个反光窄条(13-a)照亮时，经过步骤(c)中的图像提取、图像校正、面积计算，获得对应矿石(3)外轮廓与横梁(9)下边沿围定的面积Si；i＝1,2，…,N，N为反光窄条的总数，
当车厢(2)全部通过光幕门时，计算矿石(3)外轮廓与横梁(9)下边沿围定的体积V测为：
Figure FDA0003017613370000021
第六，矿石方量计算：由于空载情况下车厢(2)底部与横梁(9)下边沿围定的体积V标根据车厢(2)的结构尺寸以及车厢(2)与横梁(9)之间的距离计算得出，因此，采用作差法，此时矿用自卸卡车(14)的矿石方量V矿为：
V矿＝V标-V测。
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