CN114296099A - 一种基于固态面阵激光雷达的仓料体积探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电探测技术领域，具体为一种基于面阵激光雷达的仓料体积探测方法。本发明探测方法包括：构建光学成像系统，包括：上位机、控制模块、面阵激光雷达、物料箱、软件算法模块、PC显示器；上位机发送指令给控制模块，控制模块控制面阵激光雷达进行工作，发射激光测量物料距离信息和对应角度信息，将接收到的信息转变为二维矩阵传输至软件算法模块进行处理，计算出物料体积传送至PC显示端显示。本发明方法提供了一种快速、便捷、准确的仓料体积检测手段，可有效缓解以往接触式体积测量仪器易损问题，降低成本。

Description

一种基于固态面阵激光雷达的仓料体积探测方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于固态面阵激光雷达分析的仓料体积探测方法。

背景技术

料仓是为了提高生产效率，提前将需要使用的物料进行配比的容器，是各种松散物料的贮存设备，是工业生产的重要组成部分。由于钢铁、煤粉等产业实际生产环境十分复杂恶劣、探测介质的易于损坏等原因，经常造成这些常规仪表不能正常工作，从而导致仓料体积不能正常检测，影响生产的正常顺利运行。迫切需要一种新的仓料体积测量方法来解决上述问题，以降低生产故障率，减少人工维护成本，达到提高生产效率和准确率的目的。

固态面阵激光雷达广泛用于各种测距场合，其通常采用固定视场角和固态面阵激光发射接收的成像方式进行目标距离的测量，固态面阵激光雷达视场角固定，其成像分辨率也固定。由于采用激光光束，自然带有激光所具有的优良特性。它分辨率高、抗干扰能力及穿透能力强，在粉层较多的空气环境中也能取得很好的测量效果。

与传统的仓料体积测量手段相比，面阵固态激光雷达测量手段能够不受物料粉层在空气中弥散的影响，实现快速、准确、高分辨率的距离测量以及角度测量，此外还能轻松实现无接触式测量，防止物料对测量计的腐蚀和污染，从而造成的测量工具不能正常工作。近年来，面阵固态激光雷达的制造工艺越来越成熟，配置一台面阵固态激光雷达的成本越来越低，利用面阵固态激光雷达来实现仓料体积的实时监测可以很好地解决仓料检测遇到的问题，从而更好地提高工业生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够快速、便捷、实时、准确的仓料体积探测方法。

本发明提出的仓料体积探测方法，是基于固态面阵激光雷达分析技术的，具体步骤如下。

（1）构建基于固态面阵激光雷达的深度成像光学系统；该深度成像光学系统包括：发送指令的上位机、发送控制信号的控制模块、面阵激光雷达、物料箱、软件算法模块以及PC显示器。

（2）运用构建的深度成像光学系统获取仓料的距离和角度参数；

首先，测量人员通过上位机发送起始信号给控制模块，控制模块随后发送控制信号给面阵激光雷达，面阵激光雷达接收到控制信号以后，发射激光照射到物料箱当中，激光雷达接收到反射信号形成二维距离矩阵和二维角度信息矩阵，并将这些二维矩阵信息传递给软件算法模块进行处理，得出体积信息，并传输至PC端，得以显示结果。

其中，软件算法模块接收到激光雷达传来的二维矩阵数据后，进行分析计算，具体包括：

首先，剔除干扰点：

以面阵激光雷达为原点建立直角坐标系，设水平面方向为X、Y轴，相下为Z 轴；如图4所示；设s是物料箱内反射点到激光雷达的距离，单位是cm；将激光雷达和反射点二者连线线段取名为线段1，线段1与z轴之间的夹角记α，单位是度，线段1投影到xy平面形成的线段取名为线段2，线段2与x轴的夹角记为β，单位是度；所述二维距离矩阵和二维角度信息矩阵分别对应所有的s和（α，β）；

利用角度α和β信息，可知道每一个s值对应一个p值和q值，p值是线段2投影到y轴上的距离，q值是线段2投影到x轴上距离。

通过比较，剔除p值和q值大于0.99倍物料箱一半边长（假设物料箱底面是正方形，激光雷达放在最上方正中央）所对应的那些距离矩阵元素，保留其它元素，二维距离矩阵的行列数减少，这样可以剔除物料箱内壁反射导致的干扰点。

其次，寻找s过小点，并将s过小点的矩阵元素赋值为0；

具体利用独立森林算法处理上一步得到的行列数减少的距离矩阵，独立森林算法是常见的滤除异常检测点的算法，s过大的矩阵元素上一步已经能够成功滤除，正常情况下，从激光雷达到反射点的距离都是一个正值，但是有时面阵激光雷达感光面被污染，只接受到激光雷达发射端的杂光，等效于反射点就是激光雷达自身，使得测量出来的s值过小，小于1%物料箱高度，这是不正常的，这时候就需要通过独立森林算法找到这些异常点。找到s值过小的矩阵元素以后，将其全部赋值为0，得到的行列数不变的距离矩阵。

然后，利用双线性内插法将上一步已经赋值为0的矩阵元素赋值，值的大小取决于该矩阵元素周围矩阵元素的值，是周围矩阵元素值得加权平均，得到所有矩阵元素都在合理区间的距离矩阵。

最后，对上一步得到的距离矩阵取余弦值scosα，得到深度矩阵，取深度矩阵的平均值，结合物料箱的底面积和高度计算物料的体积，算式为：

体积=底面积×（高度-深度平均值）。

本发明通过固态激光雷达测距技术，设计激光雷达测距光学系统，获得仓料与雷达的距离和相对角度信息，随后进行数据处理，从而达到仓料体积测量的目的。本发明的优点是：无接触式，准确度高；操作简单，响应速度快；成本低。

附图说明

图1是基于面阵固态激光雷达的料仓物料体积测量系统框图。

图2是软件算法模块的具体流程图。

图3是物料量过少时的测量原理图。

图4是测量物料时的三维结构图。

具体实施方式

基于固态面阵激光雷达（具体型号：深圳海伯森的HPS-3D160-U面阵激光雷达，160×60分辨率）的仓料体积测量系统如图1。利用该系统中面阵激光雷达对长5m宽5m高度10m的物料箱重复采样5次，将获取的高信噪比的仓料液面距离和角度信号形成二维点阵数据传至软件算法模块进行处理，首先剔除由物料箱内壁反射得到的干扰点，形成行列数稍有减少的二维点阵，然后利用独立森林算法对该二维点阵数据进行异常点检测，将找出来的异常矩阵元素赋值为0，随后用双线性内插法进行赋值，值的大小取决于异常矩阵元素周围矩阵元素值的大小，于是又可得到一个所有矩阵元素值都在合理范围内的二维距离矩阵，对该二维距离矩阵取余弦值scosα得到二维深度矩阵，然后取平均值，对5次采样信号处理得到的平均值取均值，利用这最后得到的均值求仓料体积，实时输出至PC显示端。激光雷达的小体积也使得测量更为便捷，测量数据准确度可达到99%，激光的无接触式测量以及激光的强抗干扰能力也使得测量的结果更为准确，并能够避免设备损坏频繁更换，从而有效节约成本。

Claims (2)

1.一种基于固态面阵激光雷达的仓料体积探测方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）构建基于固态面阵激光雷达的深度成像光学系统；该深度成像光学系统包括：发送指令的上位机、发送控制信号的控制模块、面阵激光雷达、物料箱、软件算法模块以及PC显示器；

（2）运用构建的深度成像光学系统获取仓料的距离和角度参数；

首先，测量人员通过上位机发送起始信号给控制模块，控制模块随后发送控制信号给面阵激光雷达，面阵激光雷达接收到控制信号以后，发射激光照射到物料箱当中，激光雷达接收到反射信号形成二维距离矩阵和二维角度信息矩阵，并将这些二维矩阵信息传递给软件算法模块进行处理，得出体积信息，并传输至PC端，得以显示结果。

2.根据权利要求1所述的基于固态面阵激光雷达的仓料体积探测方法，其特征在于，所述软件算法模块接收到激光雷达传来的二维矩阵数据后，进行分析计算，具体包括：

（1）首先，剔除干扰点：

以面阵激光雷达为原点建立直角坐标系，设水平面方向为X、Y轴，相下为Z 轴；设s是物料箱内反射点到激光雷达的距离；将激光雷达和反射点二者连线线段取名为线段1，线段1与z轴之间的夹角记α，线段1投影到xy平面形成的线段取名为线段2，线段2与x轴的夹角记为β；所述二维距离矩阵和二维角度信息矩阵分别对应所有的s和（α，β）；

利用角度α和β信息，可知道每一个s值对应一个p值和q值，p值是线段2投影到y轴上的距离，q值是线段2投影到x轴上距离；

通过比较，剔除p值和q值大于0.99倍物料箱一半边长所对应的那些距离矩阵元素，保留其它元素，二维距离矩阵的行列数减少，即剔除物料箱内壁反射导致的干扰点；

（2）其次，寻找s过小点，并将s过小点的矩阵元素赋值为0；

具体利用独立森林算法处理上一步得到的行列数减少的距离矩阵，通过独立森林算法，找出 s值过小的点，即s值小于1%物料箱高度的点，在距离矩阵中，对应于s值过小的点元素全部赋值为0，得到的行列数不变的距离矩阵；

（3）然后，利用双线性内插法将上一步已经赋值为0的矩阵元素赋值，值的大小取决于该矩阵元素周围矩阵元素的值，是周围矩阵元素值得加权平均，得到所有矩阵元素都在合理区间的距离矩阵；

（4）最后，对上一步得到的距离矩阵取余弦值scosα，得到深度矩阵，取深度矩阵的平均值，结合物料箱的底面积和高度计算物料的体积，算式为：

体积=底面积×（高度-深度平均值）。

Images