CN211653143U - 具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置，矿卡向前行驶，前进方向前方顶端横架上安装激光雷达，激光雷达扫面与矿卡垂直，保证在矿卡行驶过程中激光雷达光波始终能够扫描到矿卡车体正面。在道路一侧的两根立杆上分别安装一面反射镜，用来将激光雷达光束反射至矿卡后端，得到两帧之间的距离。激光雷达所获数据传至处理器，进行体积的相关计算，得到矿卡装载量，最终装载量数据通过无线通讯模块上传至服务器。该测量装置可以在不增加速度或其他传感器的情况下可测量帧间距，提高了装载量的测量精度，降低了设备成本。

Description

具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置

技术领域

本实用新型涉及矿车装载量检测装置，具体是一种具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置。

背景技术

矿卡是露天矿坑主要的运载工具。露天煤矿卡车考核中大多采用运载趟数作为考核指标，导致部分车辆装载量不足，存在拉不满现象，存在严重亏方问题，这严重影响了露天矿的运行效率，增加了运输成本。采用激光雷达进行方量测量，是有效解决露天矿卡车运载量问题的有效手段。目前，采用激光雷达装载量测量基本思路为获取车辆每帧截面面积，通过帧间距的估计，计算帧间体积，最后通过累加帧间体积获取车辆装载量总体积，进而进行后续重量估计。

例如，专利动态测量电机车车厢载重量的方法、系统及终端(CN 109506748 A)采用龙门架固定激光雷达阵列获取车厢截面轮廓，采用RFID限定车厢长度范围，在固定车速下，对车厢不规则货物体积测算。此装置龙门架安装不便携，且车辆速度固定，另外基于RFID的检测车厢边界检测，使得该数据与激光雷达数据时间上同步困难，将此应用到道路经常变动、车型多样、速度控制不稳定的露天矿卡上，严重影响计量准确性。

专利“基于激光扫描激光雷达的体积动态测量装置及测量方法”(CN 103411531A)使用三个激光雷达进行传送带体积的动态测量，该方法采用编码器控制传送带速度匀速，这在露天矿卡中同样无法精准控制，且设备成本太高。

专利“一种车辆三维轮廓扫描构建方法”(CN 108132050 A)采用激光雷达斜切扫描，根据车头两次扫描线差值计算速度，该方法对车头形状要求较高，不适用于多种车型的露天煤矿生产环境。为计算体积，需要空载车辆或车厢的基础数据，不适宜灵活推广。

因此，需要设计一种能够便于安装、适用各种车型的、不受速度限制的露天矿卡装载量精准计量装置。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出了一种具有帧间距自测功能的露天矿卡装载量测量装置，其核心是利用激光雷达和反射镜组合装置来准确获取帧间距，无需对车辆速度进行估计，无需辅助传感器，即可准确计算矿卡装载量体积。

为了实现上述技术目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置，包括：

设置在矿卡前进方向上方的激光雷达，所述激光雷达的扫面与矿卡垂直，保证在矿卡行驶过程中激光雷达光波始终能够扫描到矿卡车体正面；

设置在矿卡前进路面一侧的反射镜机构，用于将激光雷达光束反射至矿卡后端；

配电箱，用于设备供电；

处理器，位于所述配电箱内，与所述激光雷达以网线相连，用于接收并处理所述激光雷达数据，进行体积的相关计算，得到矿卡装载量；

存储器，与处理器相连，用于存储所有矿卡的激光雷达数据；

无线通信模块，与处理器相连，用于将计算结果传输到远程服务器；

远程服务器，用来接收激光雷达传输的数据，并进行展示。

所述反射镜机构包括：

第一立杆，竖直立于道路一侧，第一立杆的顶部设置所述激光雷达，第一立杆上位于所述激光雷达的下方安装第一反射镜；

第二立杆，竖直立于道路一侧，与所述第一立杆平行布置，第二立杆上安装第二反射镜；

所述激光雷达发射的光波依次经所述第一反射、第二反射镜后平行于地面反射至矿卡后端。

还包括横架，所述横架固定在第一立杆顶部，平行于道路平面，与车辆行进方向垂直，横架上安装所述激光雷达，激光雷达扫描平面垂直于地平面。

所述无线通信模块为SIM卡，在2G/3G/4G条件下接受或发送信号。

本实用新型的有益效果是：在不增加速度传感器和其他硬件设备的情况下，通过激光雷达数据自动完成帧间距的测量，提高了矿卡装载量的测量精度，降低了设备成本。本实用新型可以推广到其他类似作业环境。

附图说明

图1是具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置结构示意图；

其中，1、第一立杆；2、第二立杆；3、横架；4、激光雷达；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、配电箱；8、处理器；9、存储器；10、无线通信模块；11、远程服务器；

图2是激光雷达扫描获得的空车帧图；

图3是激光雷达扫描获得的装车帧图；

图4是具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置的正视图；

其中，α是每束激光与水平面的夹角；r代表每束激光雷达激光到车厢的距离；h为激光雷达4到地面的距离；

图5是具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置的俯视图；

其中，θ为第二反射镜与车辆后端的夹角；Z_i是当前帧数据下激光雷达到矿卡后端的距离；Z_i-1是前一帧数据下激光雷达到矿卡后端的距离；

图6是面积、体积计算图；

其中，S₁是第一帧截面面积；S₂是第二帧截面面积；ΔZ₁是第二帧与第一帧之间的距离。

具体实施方式

下面结合具体的实施例以及说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步介绍。

图1所示为本实用新型具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量系统的结构图。矿卡向前行驶，前进方向前方顶端横架上安装激光雷达，激光雷达扫面面与矿卡垂直，保证在矿卡行驶过程中激光雷达光波始终能够扫描到矿卡车体正面。

在道路一侧的两根立杆上分别安装一面反射镜，用来将激光雷达光束反射至矿卡后端，得到两帧之间的距离。

激光雷达所获数据传至处理器，进行体积的相关计算，得到矿卡装载量。最终装载量数据通过无线通讯模块上传至服务器。

本实用新型是利用激光雷达的测量原理进行测量的，原理如下：激光源发出激光波束，当波束遇到物体后，部分能量返回，激光接收器收到返回的激光波束，这样就可计算出激光雷达到物体的距离值。当激光波束以二维形式发射时，激光雷达可以扫描一个二维区域内的物体。利用激光波束反射的特性，检测扫描范围内物体表面与激光器的距离，根据物体上不同点到激光器的距离不同，可以测量、计算出物体在该扫描面上的位置和形状。

具体步骤如下：

步骤1、人为标记第一反射镜5与激光雷达4的角度，第二反射镜6和矿卡间的角度。激光雷达4的扫描频率是50Hz，激光光束角度分辨率为0.5度，激光光束扫描平面的的角度范围是-45°～225°，矿卡和第一反射镜5位于激光雷达4与地面垂线的两侧，第一反射镜5安装在雷达扫描角度的-45°～90°范围内，矿卡经过雷达扫描角度的90°～225°范围内。

步骤2、获取空车数据。

步骤2-1、判断有无车经过

激光雷达4扫描得到一帧数据，包括一组{(r₁，α₁)，(r₂，α₂)…(r_i，α_i)},r_i代表每束激光雷达激光到车厢的距离，α_i是每束激光与水平面的夹角。根据公式(1)和(2)得到一帧数据点{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_i,y_i),…,(x_n,y_n)}，如图2所示。

x_i＝r_i sinα_i (1)

y_i＝h-r_i cosα_i (2)

其中h为激光雷达4到地面的距离，r_i是激光雷达4每个光波到的矿卡到距离，α_i为激光雷达光波与水平面的的夹角，如图4所示。

在激光雷达-45°到90°的激光数据点集合中，若存在y_i<h-ε(ε为偏差值)认为此时有车经过，保留帧数据。

步骤2-2、提取车辆帧的点云数据

当一帧数据的y_i<h-ε时，此帧作为扫描车辆的第一帧，之后当第一次出现一帧数据的y_i>h-ε时,此帧作为扫描车辆的最后一帧。第一帧到最后一帧内的所有帧数据作为当前车辆的点云数据。

步骤3、标定空车体积。

步骤3-1、矿卡行驶，获得点云数据，得到一帧P₁，根据公式(1)和(2)得到一帧数据点{(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_i,y_i),…,(x_n,y_n)}。根据公式(3)计算此时的截面面积S₁，由图5所示。其中Δx_i＝x_i-x_i-1。

步骤3-2、激光雷达光波扫射到第一反射镜5，经过第二反射镜6光波到达矿卡后端。之后光波依次通过第二反射镜6和第一反射镜5到达激光雷达，得到此时刻的距离Z₁。

步骤3-3、获得激光雷达扫描的下一帧数据P₂，处理同步骤3-1得到截面面积S₂。

步骤3-4、通过第一反射镜5和第二反射镜6得到激光雷达到矿卡后端的距离Z₂。

步骤3-5、由公式(4)得到取ΔZ₁作为第一帧P₁的行进距离，即车辆相对于前一帧的移动量。

ΔZ_i＝(Z_i-Z_i-1)sinθ (4)

其中θ为第二反射镜6与车辆后端的夹角，如图5所示。

步骤3-6、由公式(5)计算得到空车车辆的体积V_空

其中S_i为每个帧截面面积，ΔZ_i为帧间距离。

步骤4、测量非空车体积。

装载车辆行驶经过激光雷达，使用步骤2的方法判断车辆是否经过，提取车辆帧的点云数据。使用步骤3的方法得到非空车体积V_载；

步骤5、将非空车体积与空车体积相减，得到实际装载量。

Claims (4)

1.一种具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置，其特征在于，包括：

设置在矿卡前进方向上方的激光雷达（4），所述激光雷达（4）的扫面与矿卡垂直，保证在矿卡行驶过程中激光雷达光波始终能够扫描到矿卡车体正面；

设置在矿卡前进路面一侧的反射镜机构，用于将激光雷达光束反射至矿卡后端；

配电箱（7），用于设备供电；

处理器（8），位于所述配电箱（7）内，与所述激光雷达以网线相连，用于接收并处理所述激光雷达数据，进行体积的相关计算，得到矿卡装载量；

存储器（9），与处理器（8）相连，用于存储所有矿卡的激光雷达数据；

无线通信模块（10），与处理器（8）相连，用于将计算结果传输到远程服务器（11）；

远程服务器（11），用来接收激光雷达传输的数据，并进行展示。

2.根据权利要求1所述的具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置，其特征在于，所述反射镜机构包括：

第一立杆（1），竖直立于道路一侧，第一立杆（1）的顶部设置所述激光雷达（4），第一立杆（1）上位于所述激光雷达（4）的下方安装第一反射镜（5）；

第二立杆（2），竖直立于道路一侧，与所述第一立杆（1）平行布置，第二立杆（2）上安装第二反射镜（6）；

所述激光雷达（4）发射的光波依次经所述第一反射镜（5）、第二反射镜（6）后平行于地面反射至矿卡后端。

3.根据权利要求2所述的具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置，其特征在于，还包括横架（3），所述横架（3）固定在第一立杆（1）顶部，平行于道路平面，与车辆行进方向垂直，横架（3）上安装所述激光雷达（4），激光雷达扫描平面垂直于地平面。

4.根据权利要求1所述的具有帧间距自测功能的矿卡装载量测量装置，其特征在于，所述无线通信模块为SIM卡，在2G/3G/4G条件下接受或发送信号。

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