CN113320924A - 一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置，包括一台单线激光雷达、一个传感器固定支架、一个防尘罩、一个毛刷以及一台控制终端。激光雷达固定在皮带非承载面的下方，沿垂直于皮带滑动方向的视场范围向斜上方发射激光，在皮带匀速滑动过程中记录下脉冲从发射到经被测物体反射回来所用的总时间以及扫描角度，结合激光传播速度计算出皮带底表面的瞬时轮廓坐标；继而，结合皮带的滑动速度，按等时间间隔推算上述轮廓信息沿皮带滑动方向的位置，生成皮带非承载底面的连续三维点云；最后，准确构建皮带底表面的三维模型，通过皮带底表面三维模型的平滑度异常判断，实现皮带撕裂部位的及时发现并发出警告，避免撕裂的进一步扩大甚至皮带断裂，降低经济损失。该发明无需对现有带式运输机的结构进行改造，安装和日常维护简单，检测精度高。

Description

一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置

技术领域

本发明涉及空间信息应用技术领域，具体涉及一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置。

背景技术

带式输送机被广泛应用于矿山、港口等场景下的运输工作，是物资运输生产中不可缺少的重要一环。皮带作为带式运输机的关键组成部分，在工作过程中常因物资中混杂尖锐物，导致皮带纵向撕裂，造成巨大的经济损失，影响生产效率。因此，若能及时发现并有效控制皮带的纵向撕裂问题，将有效止损，提升矿山、港口等运输生产的智能化水平，提高生产效率和安全性，具有很好的经济效益。

近些年，各类技术被用于皮带纵向撕裂检测工作中，例如机器视觉技术(构建皮带撕裂识别模型)、超声波检测技术(检测超声波在皮带中的传播)、压敏电阻检测技术(检测漏料现象)等，均取得了一定的应用效果。然而，上述方法在实际使用中还存在一定缺陷，如成本高，日常维护复杂，以及三维可视化程度弱等。激光雷达技术的快速发展，可以直接获取被测对象的三维几何形态信息，可直观发现皮带撕裂后的底面裂缝、结构变化等异常现象。据此，本发明设计一种适用性强、精度高、可以及时检测皮带撕裂现象的激光雷达装置，具有较高的经济效益和社会价值。

三、发明内容

(一)解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：针对带式运输机在煤矿运输过程中，因尖锐物筛选不到位导致的皮带纵向撕裂现象，设计一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置。该发明将单线激光雷达固定在皮带非承载面的下方，在皮带滑动过程中以单线激光雷达扫描获取皮带底表面的轮廓信息，构建出皮带的三维点云模型，通过结构异常分析对三维模型进行检测，判断皮带的撕裂现象并发出警告。该发明无需对现有带式运输机的结构进行改造，安装和日常维护简单，检测精度高，可及时发现皮带的纵向撕裂状况，避免皮带撕裂区扩大，甚至皮带断裂，有效降低经济损失。

(二)技术方案

针对传统皮带撕裂检测方式安装复杂、维护不便、精度不足等问题，本发明提出了一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置，在皮带运输过程中实时采集皮带非承载面底部的三维信息，准确构建皮带底表面的三维模型，继而通过皮带底表面三维模型的平滑度异常判断，实现皮带撕裂部位的及时发现。主要内容如下：

1)皮带纵向撕裂检测装置集成：该装置包括一台单线激光雷达、一个固定支架、一个防尘罩、一个毛刷以及一台控制终端。将单线激光雷达通过固定支架放置于皮带非承载面的下方，确保安装姿态固定；安装过程中，确保激光脉冲向斜上方照射到皮带低表面，扫描截面与皮带底面的交线垂直于皮带的滑动方向；防尘罩固定于激光雷达正上方，在不遮挡激光的前提下起到防尘作用；控制终端位于工作人员办公区域内，通过有线连接对激光雷达进行控制。

2)皮带非承载底面三维信息采集：在皮带匀速滑动过程中，激光雷达沿垂直于皮带滑动方向连续发射电磁脉冲，记录下脉冲从发射到经皮带底表面反射回来所用的总时间以及扫描角度，结合激光传播速度计算出皮带底表面的瞬时轮廓坐标；在此基础上，结合皮带的滑动速度，按等时间间隔推算上述轮廓信息沿皮带滑动方向的位置，据此获取皮带非承载底面的连续三维点云。

3)皮带纵向撕裂检测：皮带纵向撕裂将导致皮带底面出现明显的裂痕，致使底面模型的平滑度出现异常变化，据此，本发明提出基于邻域表面平滑度差异的皮带纵向撕裂识别方法，利用三维点云数据，统计沿皮带运动方向一定领域内的皮带底表面平滑度P；皮带不存在裂痕状态下的表面平滑度为P₀，当P与P₀的差值大于一定阈值后则判断为平滑度异常，视为皮带纵向撕裂。

(三)有益效果

1、能快速、准确地检测出皮带撕裂现象。

2、安装、日常维护简单。

3、成本低、自动化水平高。

四、附图说明

图1皮带纵向撕裂检测装置结构示意图。

图2三维坐标系斜视图。

图3三维坐标系俯视图。

图4皮带底表面平滑度计算原理示意图。

五、具体实施方式

1.皮带纵向撕裂检测装置集成

图1为本发明的装备结构示意图，包括传感器固定支架1，一台单线激光雷达2，防尘罩3、毛刷4和控制终端5。单线激光雷达2通过固定支架1安装在皮带非承载面的下方，线激光方向与皮带滑动方向相垂直；固定支架1可对激光雷达的扫描角度进行调整，实现倾斜照射，激光脉冲发射角度与水平面的夹角一般情况下设置为45°；防尘罩3位于激光雷达正上方，防止灰尘飘落至激光雷达上干扰镜头；依照运输皮带非承载面滑动方向，毛刷4安装在激光雷达的上游，用于皮带表面的干扰物清理，控制终端5可放置于控制室内，通过数据传输线与传感器进行连接，远程控制设备运行状况。

2.皮带非承载底面三维信息采集

当皮带处于在正常工作状态下以v m/s的速度匀速滑动时，单线激光雷达对斜上方的皮带非承载面进行持续扫描，将获取的二维平面坐标与皮带滑动速度相结合，对每秒获取的数据进行独立处理，从而构建出皮带表面的分段式三维点云模型。具体包括如下步骤：

步骤1，坐标系构建：如图2、图3所示，以单线激光雷达2的脉冲发射中心为原点O’，水平面上与皮带滑动方向相垂直的方向为X’轴，位于激光发射平面上且与X’轴相垂直的方向为Y’轴，构建平面直角坐标系O’-X’Y’；以激光扫描角度θ为90°时在平整皮带上的照射点为原点O，X轴的方向与X’轴相同，Z轴铅垂向上，Y轴与皮带滑动方向相反，为皮带的表面三维点云模型构建出左手空间直角坐标系O-XYZ。

步骤2，坐标转换：激光雷达的扫描频率为每秒f帧，按式(1)计算第n帧扫描数据中的任意一点A在O-XYZ中的坐标，记为(x，y，z)。

式中，d为A点至激光雷达脉冲发射中心的距离，θ为激光发射角度与X’轴正方向的夹角，l和h分别为原点O和O’在Y轴方向和Z轴方向上的坐标差，取正值。

通过坐标转换，将每秒内获取的f帧扫描数据在Y轴方向上按照记录顺序进行等间距排列，构建出相应皮带段落的三维点云模型。

3.皮带纵向撕裂检测

针对扫描获取的各段三维点云模型进行单独处理，分析每一段皮带表面的结构信息，当出现皮带撕裂现象时及时作出反馈，从而减少经济损失。这里采用表面光滑度分析的方式，当皮带表面有撕裂产生时，会造成原本较为平整的平面结构受到破坏，产生一定数量的不规则凹陷，以此为特征对点云模型进行检测。

步骤1，表面平滑度计算：图4表示皮带运行过程中单线激光雷达每秒采集的点云，按式(2)遍历计算以任一点为中心，统计直径为r的球形区域内的相邻点云到该点云的坡度均值k；当所有点云的坡度均值计算完毕后，将对应皮带段落的所有坡度均值进行降序排列，按式(3)计算出前n名坡度均值k的均值，记为P，并将P值定义为该段皮带的表面平滑度，用以反应坡度变化大的区域的光滑程度。

式中，m等于点云总数，h_i和s_i分别表示邻域内任意点与中心点间的高差和距离；

步骤2，平滑度异常判断：当皮带表面没有裂痕、整体较为光滑时，平滑度的数值大小相对稳定，将其设置为P₀；当皮带撕裂时表面的光滑结构遭到破坏，出现坡度变化异常区域，通过设置合适的阈值u进行每一段皮带进行异常结构检测，当P-P₀＜u时，判断皮带处于正常工作状态，当P-P₀≥u时，判断该段皮带存在表面纵向撕裂现象，发出警报，提醒工作人员进行设备维护。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置，其特征在于，包括一个传感器固定支架1，一台单线激光雷达2，一个防尘罩3、一个除尘毛刷4和一台控制终端5。

2.根据权利要求1所述的一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置，其特征在于，单线激光雷达2通过固定支架1安装在皮带非承载面的下方，线激光方向与皮带滑动方向相垂直；固定支架1可对激光雷达的扫描角度进行调整，实现倾斜照射，激光脉冲发射角度与水平面的夹角一般情况下设置为45°；防尘罩3位于激光雷达正上方，防止灰尘飘落至激光雷达上干扰镜头；依照运输皮带非承载面滑动方向，毛刷4安装在激光雷达的上游，用于皮带表面的干扰物清理，控制终端5可放置于控制室内，通过数据传输线与传感器进行连接，远程控制设备运行状况。

3.根据权利要求1所述的一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置，其特征在于，三维信息采集包含以下几个步骤：

1)坐标系构建：以单线激光雷达2的脉冲发射中心为原点O’，水平面上与皮带滑动方向相垂直的方向为X’轴，位于激光发射平面上且与X’轴相垂直的方向为Y’轴，构建平面直角坐标系O’-X’Y’；以激光扫描角度θ为90°时在平整皮带上的照射点为原点O，X轴的方向与X’轴相同，Z轴铅垂向上，Y轴与皮带滑动方向相反，为皮带的表面三维点云模型构建出左手空间直角坐标系O-XYZ；

2)坐标转换：激光雷达的扫描频率为每秒f帧，按式(1)计算第n帧扫描数据中的任意一点A在O-XYZ中的坐标，记为(x，y，z)。

式中，d为A点至激光雷达脉冲发射中心的距离，θ为激光发射角度与X’轴正方向的夹角，l和h分别为原点O和O’在Y轴方向和Z轴方向上的坐标差，取正值；

通过坐标转换，将每秒内获取的f帧扫描数据在Y轴方向上按照记录顺序进行等间距排列，构建出相应皮带段落的三维点云模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于单线激光雷达的皮带纵向撕裂检测装置，其特征在于，皮带纵向撕裂检测包括如下步骤：

1)表面平滑度计算：针对皮带运行过程中单线激光雷达每秒采集的点云，按式(2)遍历计算以任一点为中心，统计直径为r的球形区域内的相邻点云到该点云的坡度均值k；当所有点云的坡度均值计算完毕后，将对应皮带段落的所有坡度均值进行降序排列，按式(3)计算出前n名坡度均值k的均值，记为P，并将P值定义为该段皮带的表面平滑度，用以反应坡度变化大的区域的光滑程度。

式中，m等于点云总数，h_i和s_i分别表示邻域内任意点与中心点间的高差和距离；

2)平滑度异常判断：当皮带表面没有裂痕、整体较为光滑时，平滑度的数值大小相对稳定，将其设置为P₀；当皮带撕裂时表面的光滑结构遭到破坏，出现坡度变化异常区域，通过设置合适的阈值u进行每一段皮带进行异常结构检测，当P-P₀＜u时，判断皮带处于正常工作状态，当P-P₀≥u时，判断该段皮带存在表面纵向撕裂现象，发出警报，提醒工作人员进行设备维护。

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