CN114646262A - 一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法，包括以下步骤：步骤1、将二维激光扫描仪安装在斗轮堆取料机上；步骤2、设置斗轮堆取料机走行的起始位置和结束位置，然后启动斗轮堆取料机，并借助于二维激光扫描仪对料场中对应的料堆进行扫描；步骤3、主机系统建立与二维激光扫描仪的TCP/IP通讯连接，用以获取二维激光扫描仪的料堆扫描数据，并完成解析料堆扫描数据；步骤4、主机系统建立与斗轮堆取料机走行、回转和俯仰机构PLC的OPC通讯，用以获取斗轮堆取料机实时运行的数据。本发明提供的方法将二维扫描仪与斗轮堆取料机运动相结合，对料场料堆进行扫描，生成三维点云数据，进而实现料场料堆数字模型建设。

Description

一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法
技术领域
本发明属于智能制造技术领域，尤其涉及一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法。
背景技术
在散料场信息化建设中，利用扫描仪对料场料堆进行扫描建模，完成料场料堆建模。操作人员在远程界面能够清晰看到料堆实时状况包括料堆长宽高、体积等数据。料堆数字化建摸为智能化&无人化堆取料提供了关键的数据，推进了斗轮堆取料机智能化&无人化，也进一步提高料场管理和生产效率。
对料堆扫描，往往第一时间考虑的是三维激光扫描仪，但是由于三维激光扫描仪长时间运行会影响寿命，此外三维激光扫描仪成本相较于二维扫描仪较高，因此采用二维激光扫描仪来完成料场料堆的扫描。二维激光扫描仪与三维激光扫描仪的扫描原理不同，三维激光扫描通过连续的发射激光，将空间信息以点云的形式记录，实现了所见即所得。
而二维激光扫描仪发射的激光处于一个平面，因此所扫描到的信息只能是空间中的一条线，并且是基于二维坐标系，无法直接获得空间信息用以料场料堆的建模。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法，包括以下步骤：
步骤1、将二维激光扫描仪安装在斗轮堆取料机上；
步骤2、设置斗轮堆取料机走行的起始位置和结束位置，然后启动斗轮堆取料机，并借助于二维激光扫描仪对料场中对应的料堆进行扫描；
步骤3、主机系统建立与二维激光扫描仪的TCP/IP通讯连接，用以获取二维激光扫描仪的料堆扫描数据，并完成解析料堆扫描数据；
步骤4、主机系统建立与斗轮堆取料机走行、回转和俯仰机构PLC的OPC通讯，用以获取斗轮堆取料机实时运行的数据，并根据实时运行数据计算出二维激光扫描仪的实时位置数据；
步骤5、主机系统将解析后的料堆扫描数据与二维激光扫描仪的实时位置数据相结合，得到实时的料场料堆点云数据；
步骤6、主机系统通过对获取的实时料场料堆点云数据进行下采样、滤波、平滑、三维重建处理，得到料堆数字化模型。
优选地，所述步骤1还包括：
步骤1.1、设置高度高于斗轮堆取料机大臂栏杆高度的竖立支架，并安装于大臂栏杆处；
步骤1.2、设置长度能够使二维激光扫描仪扫描时完全避开大臂平台的水平支架，并与竖立支架焊接安装；
步骤1.3、将二维激光扫描仪安装在水平支架下侧，并连接好二维激光扫描仪所需的电源线与通讯网线。
优选地，所述步骤3还包括：
步骤3.1、获取二维激光扫描仪的IP地址和端口号；
步骤3.2、根据二维激光扫描仪的IP地址和端口号，主机系统与二维激光扫描仪建立TCP/IP通讯连接；
步骤3.3、主机系统通过TCP/IP通讯控制二维激光扫描仪的进行扫描开始或结束；
步骤3.4、主机系统解析借助于TCP/IP通讯获取的料堆扫描数据，并将其中有效数据转化为十进制数据。
优选地，所述步骤4还包括：
步骤4.1、借助主机系统的OPC Server，在OPC Server中设定好斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的地址变量。
步骤4.2、斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC对OPC Server对应的地址变量进行读写；
步骤4.3、斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC通过Utgard实现与主机系统的OPC Server通讯，对设定好的地址变量进行读写，实现数据的获取和指令的下达；
步骤4.4、主机系统的OPC Server根据通讯获取的斗轮堆取料机走行、回转和俯仰数据、大臂长度、大臂平台高度以及扫描仪安装支架高度和长度，计算得出二维激光扫描仪的位置坐标数据。
优选地，所述步骤5还包括：
步骤5.1、主机系统获取同一时刻的二维激光扫描仪位置坐标和其对应的料堆扫描数据以及斗轮堆取料机的俯仰角度和回转角度；
步骤5.2、主机系统根据某一个激光束的角度、激光束的长度结合步骤5.1获取的料堆扫描数据以及斗轮堆取料机的俯仰角度和回转角度，计算得出该激光束扫描的点在三维坐标系中的三维坐标；
步骤5.3：主机系统根据步骤5.2计算过程，以此类推计算得到扫描过程中所有激光束扫描的点的三维坐标，最终得到料场料堆的点云数据。
优选地，所述方法还包括：
步骤7、主机系统对料堆点云数据分析，计算得到料堆模型的长、宽、高和体积。
优选地，所述步骤7还包括：
主机系统根据料堆点云数据计算Z轴方向最大值，得到料堆高度；
主机系统根据料堆点云数据计算Y轴方向最大值和最小值差值，得到料堆长度；
主机系统根据料堆点云数据计算X轴方向最大值和最小值差值，得到料堆宽度。
优选地，所述步骤7还包括：
主机系统根据料堆点云数据中每三个点构成一个三角形，每个三角形又对应一个不规则的三棱柱，通过计算所有三棱柱体积之和，得到料堆体积。
优选地，所述步骤6还包括：
采用均匀体素下采样法处理料堆点云数据；
采用半径滤波法处理料堆点云数据；
采用移动最小二乘法处理料堆点云数据；
采用贪婪性三角化法处理料堆点云数据。
优选地，所述步骤6还包括：
主机系统对料堆点云数据的点云进行法线估计，再将法线和平滑后的点云的Fields拼接在一起，最后进行贪婪性三角化法处理得到料堆模型的STL格式文件。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法，具有以下有益效果：
本申请根据二维激光扫描仪的安装位置来完成料场三维坐标系的建立；在斗轮堆取料机前进的过程中，同时对料场料堆进行扫描，扫描仪扫描数据与斗轮堆取料机运行的数据相结合，得到料堆的三维点云数据；通过对三维点云数据进一步的处理，最终得到料场料堆的数字化模型。
本申请将二维扫描仪与斗轮堆取料机运动相结合，对料场料堆进行扫描，生成三维点云数据，进而实现料场料堆数字模型建设。
通过本申请的方法能够实现长时间的扫描工作并降低建模成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法中的方法流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示：本实施例中公开了一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法，包括以下步骤：
步骤1、将二维激光扫描仪安装在斗轮堆取料机上；
详细地，本实施例中的步骤1还包括：步骤1.1、设置高度高于斗轮堆取料机大臂栏杆高度的竖立支架，并安装于大臂栏杆处。步骤1.2、设置长度能够使二维激光扫描仪扫描时完全避开大臂平台的水平支架，并与竖立支架焊接安装。步骤1.3、将二维激光扫描仪安装在水平支架下侧，并连接好二维激光扫描仪所需的电源线与通讯网线。
步骤2、设置斗轮堆取料机走行的起始位置和结束位置，然后启动斗轮堆取料机，并借助于二维激光扫描仪对料场中对应的料堆进行扫描；
在实际应用中，还需要设置需要扫描的范围。
在料场中料堆都会在规划好的固定区域进行堆积，扫描的范围即为这些规划好的区域。根据区域的起始位置和终止位置，计算斗轮堆取料机开始前进的位置和停止前进的位置。斗轮堆取料机的开始和停止的位置也分别对应扫描开始和结束的位置。
在实际应用中，还需要设置斗轮堆取料机回转角度和俯仰角度。
在扫描过程中，避免斗轮堆取料机的大臂与料堆碰撞，将其俯仰设置为最高。为了使扫描范围完全覆盖料堆，斗轮堆取料机将大臂回转，使斗轮位置处于料堆区域宽度的中心线位置。根据料堆区域的宽度计算得出斗轮堆取料机的回转角度。
步骤3、主机系统建立与二维激光扫描仪的TCP/IP通讯连接，用以获取二维激光扫描仪的料堆扫描数据，并完成解析料堆扫描数据；
详细地，本实施例中的步骤1还包括：步骤3.1、获取二维激光扫描仪的IP地址和端口号；步骤3.2、根据二维激光扫描仪的IP地址和端口号，主机系统与二维激光扫描仪建立TCP/IP通讯连接；步骤3.3、主机系统通过TCP/IP通讯控制二维激光扫描仪的进行扫描开始或结束；步骤3.4、主机系统解析借助于TCP/IP通讯获取的料堆扫描数据，并将其中有效数据转化为十进制数据。
在实际应用中，借助主机系统的OPC Server，在Server中设定好斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的地址变量。
斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC对OPC Server对应的地址变量进行读写。斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC通过Utgard实现与OPC Server通讯，对设定好的地址变量进行读写，实现数据的获取和指令的下达。通过Utgard与OPC Server通讯，对斗轮堆取料机走行机构对应的地址变量进行写入，控制斗轮堆取料机走行到开始扫描的位置。通过Utgard与OPC Server通讯，对斗轮堆取料机俯仰机构对应的地址变量进行写入，控制斗轮堆取料机大臂俯仰到扫描所需角度。通过Utgard与OPC Server通讯，对斗轮堆取料机回转机构对应的地址变量进行写入，控制斗轮堆取料机大臂回转到扫描所需角度。通过TCP/IP通讯，对二维激光扫描仪下达开始扫描指令。通过Utgard与OPC Server通讯，对斗轮堆取料机走行机构对应的地址变量进行写入，控制斗轮堆取料机开始前进，开始扫描。
关于获取扫描仪扫描数据并解析。主机系统通过TCP/IP通讯，获取二维激光扫描仪扫描数据。扫描数据均为16进制，将其转化为10进制。根据扫描仪操作手册，数据的第21位代表比例系数，将所有数据乘以该系数得到真实数据。数据的第23位代表一次扫描的起始角度。数据的第24位代表扫描的角度分辨率。数据的第25位代表一次扫描的数据量。从数据的第26位开始，为激光束到测量点的距离。
步骤4、主机系统建立与斗轮堆取料机走行、回转和俯仰机构PLC的OPC通讯，用以获取斗轮堆取料机实时运行的数据，并根据实时运行数据计算出二维激光扫描仪的实时位置数据；
本实施例中的步骤4还包括：步骤4.1、借助主机系统的OPC Server，在OPC Server中设定好斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的地址变量。步骤4.2、斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC对OPC Server对应的地址变量进行读写；步骤4.3、斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC通过Utgard实现与主机系统的OPC Server通讯，对设定好的地址变量进行读写，实现数据的获取和指令的下达；步骤4.4、主机系统的OPC Server根据通讯获取的斗轮堆取料机走行、回转和俯仰数据、大臂长度、大臂平台高度以及扫描仪安装支架高度和长度，计算得出二维激光扫描仪的位置坐标数据。
在实际应用中，主机系统对斗轮堆取料机走行机构对应的地址变量进行读取，获取斗轮堆取料机走行位置。对斗轮堆取料机回转机构对应的地址变量进行读取，获取斗轮堆取料机回转角度。对斗轮堆取料机俯仰机构对应的地址变量进行读取，获取斗轮堆取料机俯仰角度。
主机系统根据斗轮堆取料机大臂长度、回转角度、俯仰角度以及安装支架高度长度计算出扫描仪X轴坐标。
主机系统根据斗轮堆取料机大臂长度、走行位置、回转角度、俯仰角度以及安装支架高度长度计算出扫描仪Y轴坐标。
主机系统根据斗轮堆取料机大臂平台高度、回转角度、俯仰角度以及安装支架高度计算出扫描仪Z轴坐标。
步骤5、主机系统将解析后的料堆扫描数据与二维激光扫描仪的实时位置数据相结合，得到实时的料场料堆点云数据；
本实施例中的步骤4还包括：步骤5.1、主机系统获取同一时刻的二维激光扫描仪位置坐标和其对应的料堆扫描数据以及斗轮堆取料机的俯仰角度和回转角度；步骤5.2、主机系统根据某一个激光束的角度、激光束的长度结合步骤5.1获取的料堆扫描数据以及斗轮堆取料机的俯仰角度和回转角度，计算得出该激光束扫描的点在三维坐标系中的三维坐标；步骤5.3：主机系统根据步骤5.2计算过程，以此类推计算得到扫描过程中所有激光束扫描的点的三维坐标，最终得到料场料堆的点云数据。
详细地，主机系统根据解析的激光束的角度和长度、斗轮堆取料机回转俯仰角度、扫描仪坐标X值，计算出该扫描点的X轴坐标。主机系统根据解析的激光束的角度和长度、斗轮堆取料机回转俯仰角度、扫描仪坐标Y值，计算出该扫描点的Y轴坐标。主机系统根据解析的激光束的角度和长度、斗轮堆取料机俯仰角度、扫描仪坐标Z值，计算出该扫描点的Z轴坐标。综上，得到实时的料场料堆点云数据。
步骤6、主机系统通过对获取的实时料场料堆点云数据进行下采样、滤波、平滑、三维重建处理，得到料堆数字化模型。
采用均匀体素下采样法处理料堆点云数据；均匀体素下采样方法的原理为把点云装进网格，把每个网格内的点云做平均，取一个精确点。该方法不仅减少数据量，提高点云处理效率，还更好地保留了点云的形状。
采用半径滤波法处理料堆点云数据；采用半径滤波处理器去除采集点云的离群点，保证点云数据正确性。
采用移动最小二乘法处理料堆点云数据；移动最小二乘法在任意坐标点上计算出拟合函数及其取值，并且空间上相邻的两点的取值是平滑的，消除了斗轮堆取料机在运行过程中抖动带来的影响。
采用贪婪性三角化法处理料堆点云数据。主机系统对料堆点云数据的点云进行法线估计，再将法线和平滑后的点云的Fields拼接在一起，最后进行贪婪性三角化法处理得到料堆模型的STL格式文件。
本实施例中提供的所述方法还包括：
步骤7、主机系统对料堆点云数据分析，计算得到料堆模型的长、宽、高和体积。
详细地，主机系统根据料堆点云数据计算Z轴方向最大值，得到料堆高度；主机系统根据料堆点云数据计算Y轴方向最大值和最小值差值，得到料堆长度；主机系统根据料堆点云数据计算X轴方向最大值和最小值差值，得到料堆宽度。主机系统根据料堆点云数据中每三个点构成一个三角形，每个三角形又对应一个不规则的三棱柱，通过计算所有三棱柱体积之和，得到料堆体积。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于二维激光扫描仪的散料场料堆建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将二维激光扫描仪安装在斗轮堆取料机上；
步骤2、设置斗轮堆取料机走行的起始位置和结束位置，然后启动斗轮堆取料机，并借助于二维激光扫描仪对料场中对应的料堆进行扫描；
步骤3、主机系统建立与二维激光扫描仪的TCP/IP通讯连接，用以获取二维激光扫描仪的料堆扫描数据，并完成解析料堆扫描数据；
步骤4、主机系统建立与斗轮堆取料机走行、回转和俯仰机构PLC的OPC通讯，用以获取斗轮堆取料机实时运行的数据，并根据实时运行数据计算出二维激光扫描仪的实时位置数据；
步骤5、主机系统将解析后的料堆扫描数据与二维激光扫描仪的实时位置数据相结合，得到实时的料场料堆点云数据；
步骤6、主机系统通过对获取的实时料场料堆点云数据进行下采样、滤波、平滑、三维重建处理，得到料堆数字化模型。
2.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤1还包括：
步骤1.1、设置高度高于斗轮堆取料机大臂栏杆高度的竖立支架，并安装于大臂栏杆处；
步骤1.2、设置长度能够使二维激光扫描仪扫描时完全避开大臂平台的水平支架，并与竖立支架焊接安装；
步骤1.3、将二维激光扫描仪安装在水平支架下侧，并连接好二维激光扫描仪所需的电源线与通讯网线。
3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤3还包括：
步骤3.1、获取二维激光扫描仪的IP地址和端口号；
步骤3.2、根据二维激光扫描仪的IP地址和端口号，主机系统与二维激光扫描仪建立TCP/IP通讯连接；
步骤3.3、主机系统通过TCP/IP通讯控制二维激光扫描仪的进行扫描开始或结束；
步骤3.4、主机系统解析借助于TCP/IP通讯获取的料堆扫描数据，并将其中有效数据转化为十进制数据。
4.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤4还包括：
步骤4.1、借助主机系统的OPC Server，在OPC Server中设定好斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的地址变量。
步骤4.2、斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC对OPC Server对应的地址变量进行读写；
步骤4.3、斗轮堆取料机走行机构、回转机构和俯仰机构对应的PLC通过Utgard实现与主机系统的OPC Server通讯，对设定好的地址变量进行读写，实现数据的获取和指令的下达；
步骤4.4、主机系统的OPC Server根据通讯获取的斗轮堆取料机走行、回转和俯仰数据、大臂长度、大臂平台高度以及扫描仪安装支架高度和长度，计算得出二维激光扫描仪的位置坐标数据。
5.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤5还包括：
步骤5.1、主机系统获取同一时刻的二维激光扫描仪位置坐标和其对应的料堆扫描数据以及斗轮堆取料机的俯仰角度和回转角度；
步骤5.2、主机系统根据某一个激光束的角度、激光束的长度结合步骤5.1获取的料堆扫描数据以及斗轮堆取料机的俯仰角度和回转角度，计算得出该激光束扫描的点在三维坐标系中的三维坐标；
步骤5.3：主机系统根据步骤5.2计算过程，以此类推计算得到扫描过程中所有激光束扫描的点的三维坐标，最终得到料场料堆的点云数据。
6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
所述方法还包括：
步骤7、主机系统对料堆点云数据分析，计算得到料堆模型的长、宽、高和体积。
7.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤7还包括：
主机系统根据料堆点云数据计算Z轴方向最大值，得到料堆高度；
主机系统根据料堆点云数据计算Y轴方向最大值和最小值差值，得到料堆长度；
主机系统根据料堆点云数据计算X轴方向最大值和最小值差值，得到料堆宽度。
8.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤7还包括：
主机系统根据料堆点云数据中每三个点构成一个三角形，每个三角形又对应一个不规则的三棱柱，通过计算所有三棱柱体积之和，得到料堆体积。
9.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤6还包括：
采用均匀体素下采样法处理料堆点云数据；
采用半径滤波法处理料堆点云数据；
采用移动最小二乘法处理料堆点云数据；
采用贪婪性三角化法处理料堆点云数据。
10.根据权利要求9所述的建模方法，其特征在于，
所述步骤6还包括：
主机系统对料堆点云数据的点云进行法线估计，再将法线和平滑后的点云的Fields拼接在一起，最后进行贪婪性三角化法处理得到料堆模型的STL格式文件。
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