CN113640821A - 基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于包含以下步骤：S1.车辆信息采集及车辆信息数据库和物料信息库的建立，S2.测量设备的安装，S3.扫描参数设置，S4.车牌信息识别与激光雷达扫描，S5.背景分割，S6.初始物料顶部点云时态校正，S7.车斗模型匹配，S8.利用切片法对三维模型进行方量计算，S9.数据共享。本发明通过车辆信息数据库的建立，将二维点云数据三维化，仅使用一台单线激光雷达扫描仪便完成物料的三维点云建模，大幅度降低了硬件成本。将车辆信息系统与二维激光雷达数据相结合，矿车单次通过即可完成装载量计量，大幅度简化了工作流程。将摄像头车牌信息识别技术与激光雷达技术相结合，实现无人值守状态下的计量工作。
Description
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扫描仪扫描的矿车装载量计量方法。
背景技术
近年来，随着矿山开采技术的发展，开采量与日俱增，矿车称重计费工人工作量繁重，矿车开采称重计费往往由于人为的原因，出现错计、漏计的现象，影响矿山开采效益，现有矿车装载量计量方式难以满足矿山发展需求，现急需智能化矿车装载计量方法，实现矿山开采计量自动化。
传统的地磅称重是矿工程建设中应用最为广泛的计量方式，但其造价昂贵，且对于安装环境有着严格的要求。在由于环境限制无法进行地磅安装的情况下，无法对矿车装载量进行有效计算，矿车装载量核算的工作量繁重，且难以获得准确装载量，只能使用统一数据对所有车辆的物料运输情况进行估计，计量结果与实际情况存在较大偏差。
发明内容
本发明的目的是：针对在由于环境限制无法通过安装地磅来进行物料称重的情况下，设计一种基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，实现矿车装载量核算与记录的自动化，极大地解放劳动力，提高矿山生产效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.车辆信息采集及车辆信息数据库和物料信息库的建立：
车辆信息采集：针对不同类型车辆进行相关参数采集，其相关参数包括车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h以及车头高度、车身整体长度、每辆车的车牌信息和与之对应的车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h的参数；根据上述参数建立车辆信息数据库，
根据各类物料的名称和密度建立物料信息数据库；
S2.测量设备的安装：
测量设备包括单线激光雷达扫描仪、摄像头和控制系统，
所述的单线激光雷达扫描仪通过固定安装架安装在目标车辆装载物料时所行驶车道的正上方，单线激光雷达扫描仪垂直向下发射的扇形电磁波用于采集车辆轮廓信息，摄像头安装于车道一侧，用于识别经过的装载物料的目标矿车车牌信息，控制系统置于道路旁的操作室内，所述的单线激光雷达扫描仪和摄像头通过通讯与控制系统电性连接；
S3.扫描参数设置：
根据测量设备最终的安装姿态、车辆参数以及周边环境，设置单线激光雷达扫描仪角度α、扫描开始阈值Hstart、停止阈值Hstop和高度滤除阈值Hfilter，增强系统对于当前场景的适用性；
S4.车牌信息识别与激光雷达扫描:
摄像头识别出待测量的目标矿车车牌信息后，传输给单线激光雷达扫描仪，单线激光雷达扫描仪在接受到待测量的目标矿车车牌信息后开始扫描工作，获取目标车辆轮廓信息，车辆驶离后停止扫描，将目标车辆轮廓信息与车牌信息一一对应匹配，实现自动化扫描；
S5.背景分割：通过扫描开始阈值、自动停止阈值、高度滤除阈值和扫描角度的设置，识别出车辆顶部点云信息，剔除背景冗余点云数据，得到初始物料顶部点云；
S6.初始物料顶部点云时态校正：
针对运动状态下的扫描目标，结合车斗长度信息，对初始物料顶部点云坐标进行修正，得到校正后的物料顶部点云数据；
S7.车斗模型匹配：
通过车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h信息构建出长方体车斗模型，将校正后的物料顶部点云数据与车斗模型相结合，构建出物料的整体三维点云模型；
S8.利用切片法对三维模型进行方量计算；
根据单线激光雷达扫描仪获取的目标车辆轮廓信息，计算出各个单帧点云数据的面积，结合车斗模型参数得到单帧的物料截面，通过积分计算出第j个截面的面积Sj，若目标车辆的车斗部分单次通过后激光雷达共获取n帧点云数据，通过下式计算出所装载物料的总方量V：
试中：n表示物料点云数据总帧数，Lm表示矿车顶部沿行进方向的长度，Sj表示第帧点云数据的面积，V表示运载物料的体积。
S9.数据共享：
获得最终结果V后，软件中装载量信息可实时显示；车牌信息、测量时间、物料种类和方量信息将存储至数据库进行备份，同时自动打印单次装载记录的三联凭条，作为纸质记录进行保存；后续将数据上传至云端，供相关工作人员进行查询和统计操作。
所述的扫描开始阈值Hstart比矿车车头的顶部高度低0.5m-1.0m，当单线激光雷达扫描仪正下方的激光信号测量高度大于Hfilter，表示目标车辆从下方经过；
所述的停止阈值Hstop比车斗上部边缘高度低0.5m-1.0m，当激光雷达正下方的激光信号测量高度小于Hstop，表示目标车辆驶离，
车辆经过和驶离的这段时间内获得的扫描数据为目标车辆轮廓数据，高度滤除阈值Hfilter用于剔除行人、小轿车等冗余信息，为2.5米。
优选地，所述的初始物料顶部点云时态校正过程如下：
车辆匀速前进过程中，扫描位置沿Y轴逐步后移，校正后的精确点云整体旋转了β°，计算方法如式(1)所示。
其中，yi表示单帧数据中第i个扫描点的Y轴坐标，l是车斗长度，t是扫描车斗部分的耗时，f是单线激光雷达扫描仪的扫描频率，y0是起始坐标，ρ代表激光雷达的角分别率。
优选地，所述的构建出物料的整体三维点云模型是：获取校正后的物料顶部点云后，依靠车辆属性数据库中的车斗模型信息长为l，宽为w，满载时车斗底部距地面的高为h，计算出物料装载高度Hm、矿车顶部沿行进方向长度Lm及物料底面宽度Wm，从而以车斗底面为底，结合物料顶部轮廓数据构建出物料的三维点云模型:
Hm＝H-h (3)
Lm＝l (4)
Wm＝w (5)。
本发明的优点是：
1.本发明所提供的矿车装载量计量方法对环境的限制要求低，在绝大多数的矿山工作环境能进行使用。
2.仅使用一台单线激光雷达扫描仪便完成物料的三维点云建模，大幅度降低了硬件成本。
3.将车辆信息系统与二维激光雷达数据相结合，矿车单次通过即可完成装载量计量，大幅度简化了工作流程。
4.将摄像头车牌信息识别技术与激光雷达技术相结合，实现无人值守状态下的计量工作。
附图说明
图1基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量流程图。
图2矿车激光扫描侧视图。
图3单帧数据时态纠正。
图4物料三维点云模型展示图。
图5单线激光雷达扫描仪扫描二维截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
如图1-图5所示，本发明的一种基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.车辆信息采集及车辆信息数据库和物料信息库的建立：
车辆信息采集：针对不同类型车辆进行相关参数采集，其相关参数包括车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h以及车头高度、车身整体长度、每辆车的车牌信息和与之对应的车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h参数，根据上述参数建立车辆信息数据库；
根据各类物料的名称和密度建立物料信息数据库；
其中车斗的长度l、车斗宽度w、满载时车斗底部距地面的高度h和相对应的车牌号构成单辆矿车的信息集，通过车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h信息构建出车斗模型；将所有目标车辆的信息集录入数据库，构建完成车辆信息数据库，后续工作中若有新的目标车辆加入，及时将其信息录入数据库即可。
S2.测量设备的安装：
测量设备包括单线激光雷达扫描仪1、摄像头3和控制系统4，
所述的单线激光雷达扫描仪1通过固定安装架2安装在目标车辆装载物料时所行驶车道的正上方，单线激光雷达扫描仪1垂直向下发射的扇形电磁波用于采集车辆轮廓信息，摄像头3安装于车道一侧，用于识别经过的装载物料的目标矿车车牌信息，控制系统4安置于道路旁的操作室内，所述的单线激光雷达扫描仪1和摄像头3通过通讯与控制系统电性连接；
在固定安装架2的辅助下，单线激光雷达扫描仪1平稳的固定安装在固定安装架上，确保了准确获取车辆装载物料的二维轮廓数据，同时可防止激光头受到太阳光的直射，同时防止雨雪对设备的腐蚀；设备供电线及数据传输线外部需包裹塑料纤维管，防止太阳直射对线路的损坏，同时增强数据传输的稳定性。
S3.扫描参数设置：
如图2所示，根据测量设备最终的安装姿态、车辆参数以及周边环境，设置单线激光雷达扫描仪1角度α、扫描开始阈值Hstart、停止阈值Hstop和高度滤除阈值Hfilter，增强系统对于当前场景的适用性；
首先运行车牌识别软件和载量扫描软件，使得摄像头3和单线激光雷达扫描仪1处于工作状态，对路过车辆5进行实时监控。当矿车辆装载物料后向单线激光雷达扫描仪1下方驶来，首先经过摄像头3前方，识别出车牌信息后将发送信号，启动单线激光雷达扫描仪开始扫描，当激光雷达正下方点云高度H大于Hstart时，判断出目标车辆驶入，开始记录扫描数据，当H小于Hstart时，判断车辆已驶离，激光雷达停止扫描，将记录的数据与车牌信息进行绑定。
所述的扫描开始阈值Hstart比矿车车头的顶部高度低0.5m-1.0m，当激光雷达单线激光雷达扫描仪1正下方的激光信号测量高度大于Hstart，表示目标车辆从下方经过；
所述的停止阈值Hstop比车斗上部边缘高度低0.5m-1.0m，当激光雷达正下方的激光信号测量高度小于Hstop，表示目标车辆驶离；
车辆经过和驶离的这段时间内获得的扫描数据为目标车辆轮廓数据，高度滤除阈值Hfilter用于剔除行人、小轿车等冗余信息，为2.5米。
S4.车牌信息识别与激光雷达扫描:
摄像头识别出待测量的目标矿车车牌信息后，传输给单线激光雷达扫描仪，单线激光雷达扫描仪在接受到待测量的目标矿车车牌信息后开始扫描工作，获取目标车辆轮廓信息，车辆驶离后停止扫描，将目标车辆轮廓信息与车牌信息一一对应匹配，实现自动化扫描；
S5.背景分割：通过扫描开始阈值、自动停止阈值、高度滤除阈值和扫描角度的设置，识别出车辆顶部点云信息，剔除背景冗余点云数据，得到初始物料顶部点云；
单次扫描获取的点云数据中，小于Hfilter的部分被视为行人和周围障碍物这一类的背景冗余点云数据，进行剔除，通过计算车斗长度l在整体车身长度中的占比，只截取车斗部分的点云数据备用，删除车头部分，得到初始物料顶部点云。
S6.初始物料顶部点云时态校正：
针对运动状态下的扫描目标，结合车斗长度信息，对初始物料顶部点云坐标进行修正，得到校正后的物料顶部点云数据；
所述的初始物料顶部点云时态校正过程如下：
车辆匀速前进过程中，扫描位置沿Y轴逐步后移，校正后的精确点云整体旋转了β°，计算方法如式(2)所示。
其中，yi表示单帧数据中第i个扫描点的Y轴坐标，l是车斗长度，t是扫描车斗部分的耗时，f是单线激光雷达扫描仪的扫描频率，y0是起始坐标，ρ代表激光雷达的角分别率。
S7.车斗模型匹配：
通过车斗的长l、宽w、高h信息构建出长方体车斗模型，将校正后的物料顶部点云数据与车斗模型相结合，构建出物料的整体三维点云模型；
所述的构建出物料的整体三维点云模型6是：获取校正后的物料顶部点云后，依靠车辆属性数据库中的车斗模型信息长为l，宽为w，满载时车斗底部距地面的高为h，计算出物料装载高度Hm、矿车顶部沿行进方向长度Lm及物料底面宽度Wm，从而以车斗底面7为底，结合物料顶部轮廓数据构建出物料的三维点云模型:
Hm＝H-h (3)
Lm＝l (4)
Wm＝w (5)。
S8.利用切片法对三维模型进行方量计算；
根据单线激光雷达扫描仪获取的目标车辆轮廓信息，计算出各个单帧点云数据的面积，结合车斗模型参数得到单帧的物料截面，通过积分计算出第j个截面的面积Sj，若目标车辆的物料部分单次通过后激光雷达共获取n帧点云数据，通过下式计算出所装载物料的总方量V：
试中：n表示物料点云数据总帧数，Lm表示矿车顶部沿行进方向的长度，Sj表示第帧点云数据的面积，V表示运载物料的体积。
S9.数据共享：
获得最终结果V后，软件中装载量信息可实时显示；车牌信息、测量时间、物料种类和方量信息将存储至数据库进行备份，同时自动打印单次装载记录的三联凭条，作为纸质记录进行保存；后续将数据上传至云端，供相关工作人员进行查询和统计操作。
本发明通过单线激光雷达扫描仪和摄像头技术相结合，在复杂车况下对装载有物料的目标车辆进行准确识别和装载量计算，已经成为一种可靠的方式。其中，基于单线激光雷达的装载量计量方法具有成本低、精度高的优势，能够在各种限制环境下进行装载量计量工作。
Claims (4)
1.一种基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.车辆信息采集及车辆信息数据库和物料信息库的建立：
车辆信息采集：针对不同类型车辆进行相关参数采集，其相关参数包括车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h以及车头高度、车身整体长度、每辆车的车牌信息和与之对应的车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h的参数，根据上述参数建立车辆信息数据库；
根据各类物料的名称和密度建立物料信息数据库；
S2.测量设备的安装：
测量设备包括单线激光雷达扫描仪、摄像头和控制系统，
所述的单线激光雷达扫描仪通过固定安装架安装在目标车辆装载物料时所行驶车道的正上方，单线激光雷达扫描仪垂直向下发射的扇形电磁波用于采集车辆轮廓信息，摄像头安装于车道一侧，用于识别经过的装载物料的目标矿车车牌信息，控制系统安置于道路旁的操作室内，所述的单线激光雷达扫描仪和摄像头通过通讯与控制系统电性连接；
S3.扫描参数设置：
根据测量设备最终的安装姿态、车辆参数以及周边环境，设置单线激光雷达扫描仪角度α、扫描开始阈值Hstart、停止阈值Hstop和高度滤除阈值Hfilter，增强系统对于当前场景的适用性；
S4.车牌信息识别与激光雷达扫描:
摄像头识别出待测量的目标矿车车牌信息后，传输给单线激光雷达扫描仪，单线激光雷达扫描仪在接受到待测量的目标矿车车牌信息后开始扫描工作，获取目标车辆轮廓信息，车辆驶离后停止扫描，将目标车辆轮廓信息与车牌信息一一对应匹配，实现自动化扫描；
S5.背景分割：通过扫描开始阈值、自动停止阈值、高度滤除阈值和扫描角度的设置，识别出车辆顶部点云信息，剔除背景冗余点云数据，得到初始物料顶部点云；
S6.初始物料顶部点云时态校正：
针对运动状态下的扫描目标，结合车斗长度信息，对初始物料顶部点云坐标进行修正，得到校正后的物料顶部点云数据；
S7.车斗模型匹配：
通过车斗的长l、宽w、满载时车斗底部距地面的高h信息构建出长方体车斗模型，将校正后的物料顶部点云数据与车斗模型相结合，构建出物料的整体三维点云模型；
S8.利用切片法对三维模型进行方量计算；
根据单线激光雷达扫描仪获取的目标车辆轮廓信息，计算出各个单帧点云数据的面积，结合车斗模型参数得到单帧的物料截面，通过积分计算出第j个截面的面积Sj，若目标车辆的车斗部分单次通过后激光雷达共获取n帧点云数据，通过下式计算出所装载物料的总方量V：
试中：(各符号代表的含义)
S9.数据共享：
获得最终结果V后，软件中装载量信息可实时显示；车牌信息、测量时间、物料种类和方量信息将存储至数据库进行备份，同时自动打印单次装载记录的三联凭条，作为纸质记录进行保存；后续将数据上传至云端，供相关工作人员进行查询和统计操作。
2.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于，所述的扫描开始阈值Hstart比矿车车头的顶部高度低0.5m-1.0m，当单线激光雷达扫描仪正下方的激光信号测量高度大于Hstart，表示目标车辆从下方经过；
所述的停止阈值Hstop比车斗上部边缘高度低0.5m-1.0m，当激光雷达正下方的激光信号测量高度小于Hstop，表示目标车辆驶离，
车辆经过和驶离的这段时间内获得的扫描数据为目标车辆轮廓数据，高度滤除阈值Hfilter用于剔除行人、小轿车等冗余信息，为2.5米。
3.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于，所述的初始物料顶部点云时态校正过程如下：
车辆匀速前进过程中，扫描位置沿Y轴逐步后移，校正后的精确点云整体旋转了β°，计算方法如式(1)所示。
其中，yi表示单帧数据中第i个扫描点的Y轴坐标，l是车斗长度，t是扫描车斗部分的耗时，f是单线激光雷达扫描仪的扫描频率，y0是起始坐标，ρ代表激光雷达的角分别率。
4.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达扫描仪扫描的矿车装载量计量方法，其特征在于，所述的构建出物料的整体三维点云模型是：获取校正后的物料顶部点云后，依靠车辆属性数据库中的车斗模型信息长为l，宽为w，满载时车斗底部距地面的高为h，计算出物料装载高度Hm、矿车顶部沿行进方向长度Lm及物料底面宽度Wm，从而以车斗底面为底，结合物料顶部轮廓数据构建出物料的三维点云模型:
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