专利名称：一种采用gps定位的激光测量系统及其方法
技术领域：
本发明涉及计算机激光测控技术领域，特别涉及一种采用GPS定位的激光测量系统及其方法。
背景技术：
传统的激光测量系统普遍通过光电编码器得到料堆测量点的方位信息，安装在斗轮机或者龙门吊等移动设备上的编码器通过滚动转轮测量移动设备和轨道间的相对运动。 无论绝对式光电编码器还是增量式光电编码器均存在诸多影响系统稳定性的隐患。如需要相应机械结构配合保护，编码器走线困难，编码器工作在露天环境中，防潮性能时常受雨雪等恶劣天气威胁，测量结果不够理想。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决现有的激光测量系统定位依靠光电编码器机械式测量引入的误差问题，从而提供一种采用GPS定位的激光测量系统及其方法。为实现上述目的，本发明提供了一种采用GPS定位的激光测量系统，包括激光扫描仪，用于提供料堆高度信息，其特征在于，该激光测量系统还包括一 GPS定位模块，用于提供激光扫描仪扫描时的实时方位信息；和一数据处理器，用于将其数据采集卡接收到的GPS定位数据和激光扫描仪扫描料堆的切面数据进行处理，形成料堆的立体轮廓数据帧，包括帧同步处理单元、数据均衡处理单元和数据滤波处理单元。所述的GPS定位模块通过RS232总线或者网络与数据处理器相连。所述的激光扫描仪采用截面式激光扫描仪。所述的激光扫描仪通过RS422接口或者以太网口与数据处理器相连。所述的帧同步处理单元，以激光扫描仪每扫描一个切面返回的数据为一原始帧， 结合同时刻返回的GPS定位数据，组合后形成新的数据帧，新数据帧的格式为“帧头+序号 +激光扫描仪切面轮廓数据+GPS定位数据”，其中，帧头为固定的常数，占用两个字节，起到标识帧的开始的作用；序号，用于标识数据帧形成的先后顺序。所述的数据均衡处理单元，以GPS的最小精度单位为一段，将数据帧按照序号前后均勻的安插在段内，，然后再对段内的数据帧按照序号先后依次排列，以使扫描仪切面数据均勻地对应到段内相应的位置上。所述的数据滤波处理单元，针对激光扫描仪的每一切面数据，按照中值滤波算法进行处理，取切面内目标点前后多个数据按大小进行排序，取中间值为当前目标点的有效值。边缘部分两列不进行滤波处理。为实现上述另一目的，本发明还提供了一种采用GPS定位的激光测量方法，该方法通过激光扫描仪和GPS定位模块分别获得激光扫描仪扫描点的料堆高度信息和实时方位信息；再由数据处理器根据其数据采集卡接收到的GPS定位数据和激光扫描仪扫描料堆
4切面数据，进行帧同步处理、数据均衡处理和数据滤波处理后，最终得到三维的测量数据， 形成料堆立体轮廓数据帧。如图2所示，该方法的具体步骤包括1)数据处理器，通过其数据采集卡接收RS422接口传送的500Kbps的激光扫描仪数据和9600波特率RS232接口传送的GPS模块定位数据；2)帧同步处理单元，所述的帧同步处理单元，以激光扫描仪每扫描一个切面返回的数据为一帧，结合同时刻返回的GPS定位数据，组合后的报文数据帧格式为“帧头+序号 +激光扫描仪切面轮廓数据+GPS定位数据”，其中，帧头为固定的常数，占用两个字节，起到标识帧的开始的作用；序号，用于标识数据帧形成的先后顺序；3)数据均衡处理单元，在GPS的最小精度内，将激光扫描仪的切面轮廓数据按照序号前后均勻的安插在精度范围内，报文数据归到相应的段内，然后再对段内的报文数据按照序号先后依次排列，以使扫描仪切面数据均勻地对应到段内相应的位置上；4)数据滤波处理单元，针对激光扫描仪返回的每一切面数据所包含的扫描距离值按照中值滤波算法进行处理，即取切面内待处理距离值前后多个数据按大小进行排序，取中间值为当前目标点的有效值，边缘部分的数据不进行滤波处理；5)处理的结果得到三维的测量数据，形成料堆立体轮廓数据帧。作为优选，所述的步骤3)GPS的最小精度取2米为一段，对整个被测料堆分段；所述的步骤4)采用的中值滤波的模板为1X5，处理每一切面内目标点前后五个数据按大小进行排序，边缘部分两列不进行滤波处理，取中间值为当前目标点的有效值。本发明的优点在于，本发明提供的采用GPS定位的激光测量系统，该激光测量系统定位采用GPS定位技术代替编码器的使用，通过GPS模块可以得到扫描仪扫描煤场时的绝对经纬度信息，经过本发明的系统及其方法处理后精度较高，工作稳定可靠，对料堆轮廓数据的测量可精确到0. 3%以内。而且，采用GPS模块对煤场的定位不需要添加机械结构， 不需要机械式接触，避免了焊接操作，还可减少布线工作量，简化系统结构，提高测量工作的精度和稳定性。 使用时，本发明的测量系统随机械行进装置前行过程中对被测对象进行俯视激光扫描，同时得到激光扫描仪的GPS方位信息。通过对这两种数据的处理，最终建模得到被测对象较精确的三维轮廓数据。本激光测量系统具有在目标现场测量和在远端通过无线网络远程实时测量的功能。应用在电厂，煤厂等企事业单位，实现对料堆轮廓数据的精确测量采集。
图1是本发明GPS定位激光测量系统结构图；图2是本发明GPS定位激光测量方法的流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
，对本发明进行进一步详细的说明。如图1所示，本发明是采用GPS定位的激光测量系统，基于GPS定位的激光测量系统中GPS定位模块通过RS232总线或者网络与现场数据处理器相连。现场数据处理器是本激光测量系统的关键设备，它融合GPS定位数据和激光扫描仪扫描料堆返回的料堆切面数据，并进行帧同步、数据均衡、数据滤波等数据处理，最终得到被测料堆的三维测量数据，形成料堆立体轮廓数据帧，具备开创性。不经过现场数据处理器处理，GPS的定位数据的精度是无法满足使用要求的。数据处理具体实现方法如下帧同步以激光扫描仪每扫描一个切面返回的数据为一原始帧，结合同时刻返回的GPS定位数据，组合后的数据帧格式为“帧头+序号+激光扫描仪切面轮廓数据+GPS定位数据”，帧头为固定的常数，占用两个字节，起到标识帧的开始的作用。序号的作用是标识数据帧形成的先后顺序。数据均衡按照GPS模块原始定位数据2米左右的精度，不能够满足系统对测量精度的要求，必须对采集到的报文数据进行数据均衡处理。在GPS的最小精度内，如2米， 将激光扫描仪的切面轮廓数据按照序号前后均勻的安插在精度范围内。由于测量过程中斗轮机或者龙门吊一般是勻速前行，这样的处理是合理的。处理由现场数据处理器完成。处理的过程是，以2米为一段，对整个被测料堆分段。将报文数据归到相应的段内，然后再对段内的报文数据按照序号先后依次排列，使扫描仪切面数据均勻地对应到段内相应的位置上，针对本激光测量系统，可将有效定位精度提高20倍左右。数据滤波数据均衡处理后，针对激光扫描仪返回的每一切面数据，包含361个扫描距离值，对这361个距离值，按照中值滤波算法进行处理，中值滤波的模板为1X5，即取切面内待处理距离值前后5个数据按大小进行排序，取中间值为当前目标点的有效值，边缘部分两列不进行滤波处理。数据滤波的有益效果是，降低数据的测量波动，剔除不合理的数据波动。处理的结果得到三维的测量数据，形成料堆立体轮廓数据帧。此激光测量系统中现场数据处理器具有独立接入的RS232，RS422接口和USB接口。现场数据处理器与GPS模块通过RS232接口连接，与激光扫描仪通过RS422接口(也可使用以太网口)相连。现场数据处理器具有独立完成现场料堆三维轮廓数据测量的功能，其特征如下 (1)使用内嵌的数据采集卡接收RS422接口的500Kbps的激光扫描仪数据和9600波特率 RS232接口的GPS模块定位数据，通过采集卡上FPGA硬件逻辑按照上述处理过程处理GPS 定位数据和激光扫描仪数据，形成的最终帧数据通过PCI接口上传给嵌入式操作系统。(2) 现场数据处理器使用嵌入式系统，运行数据采集软件，测量过程中接收PCI接口上传的帧数据，以RAW格式保存至本地存储介质或者外部便携式存储设备；(3)对激光扫描仪发送配置指令文件，对激光扫描仪工作模式，包括通信波特率，测量范围，精度，分辨率等参数，可以进行在线配置；(4)具备实时测量显示功能，发送开始采集指令给激光扫描仪，启动激光扫描仪工作，并对激光扫描仪返回的料堆垂直切面轮廓数据，GPS定位数据进行三维角度的数据融合，并分别实时显示数据变化；(5)具备局域网终端接入功能，允许被授权的局域网用户实时请求测量数据。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种采用GPS定位的激光测量系统，包括激光扫描仪，用于提供料堆高度信息，其特征在于，该激光测量系统还包括一 GPS定位模块，用于提供激光扫描仪扫描时的实时方位信息；和一数据处理器，用于将其数据采集卡接收到的GPS定位数据和激光扫描仪扫描料堆得到的切面数据进行处理，形成料堆立体轮廓数据帧，包括帧同步处理单元、数据均衡处理单元和数据滤波处理单元。
2.根据权利要求1所述的采用GPS定位的激光测量系统，其特征在于，所述的GPS定位模块通过RS232总线或者网络与数据处理器相连。
3.根据权利要求1所述的采用GPS定位的激光测量系统，其特征在于，所述的激光扫描仪采用截面式激光扫描仪。
4.根据权利要求1或3所述的采用GPS定位的激光测量系统，其特征在于，所述的激光扫描仪通过RS422接口或者以太网口与数据处理器相连。
5.根据权利要求1所述的采用GPS定位的激光测量系统，其特征在于，所述的帧同步处理单元，以激光扫描仪每扫描一个切面返回的数据为一原始帧，结合同时刻返回的GPS定位数据，组合后形成切面数据和GPS定位数据配对的数据帧；组合后的数据帧格式为“帧头+序号+激光扫描仪切面轮廓数据+GPS定位数据”，其中，帧头为固定的常数，占用两个字节，起到标识帧的开始的作用；序号，用于标识数据帧形成的先后顺序。
6.根据权利要求1所述的采用GPS定位的激光测量系统，其特征在于，所述的数据均衡处理单元，以GPS最小精度为一段，将激光扫描仪的切面轮廓数据按照序号前后均勻的安插在精度范围内，即将数据帧归到相应的段内，然后再对段内的数据帧按照序号先后依次排列，以使扫描仪切面数据均勻地对应到段内相应的位置上。
7.根据权利要求1所述的采用GPS定位的激光测量系统，其特征在于，所述的数据滤波处理单元，针对激光扫描仪的每一切面数据，按照中值滤波算法进行处理，即取切面内待处理目标点的前后多个数据按大小进行排序，取中间值为当前待处理目标点的有效值。
8.一种采用GPS定位的激光测量方法，该方法通过激光扫描仪和GPS定位模块分别获得激光扫描仪扫描点的料堆高度信息和实时方位信息；再由数据处理器将其数据采集卡接收到的GPS定位数据和激光扫描仪扫描料堆的切面数据，进行帧同步处理、数据均衡处理和数据滤波处理后，最终得到三维的测量数据，形成料堆立体轮廓数据帧。
9.根据权利要求1所述的采用GPS定位的激光测量方法，其特征在于，该方法的具体步骤包括1)数据处理器，通过其数据采集卡接收RS422接口传送的500Kbps的激光扫描仪数据和9600波特率RS232接口传送的GPS模块定位数据；2)帧同步处理单元，所述的帧同步处理单元，以激光扫描仪每扫描一个切面返回的数据为一原始帧，结合同时刻返回的GPS定位数据，组合后形成切面数据和GPS定位数据配对的数据帧，组合后的数据帧格式为“帧头+序号+激光扫描仪切面轮廓数据+GPS定位数据”，其中，帧头为固定的常数，占用两个字节，起到标识帧的开始的作用；序号，用于标识数据帧形成的先后顺序；3)数据均衡处理单元，以GPS最小精度为一段，将激光扫描仪的切面轮廓数据按照序号前后均勻的安插在精度范围内，即将数据帧归类到相应的段内，然后再对段内的数据帧按照序号先后依次排列，以使扫描仪切面数据均勻地对应到段内相应的位置上；4)数据滤波处理单元，针对激光扫描仪返回的每一切面数据所包含的扫描距离值按照中值滤波算法进行处理，即取切面内待处理距离值前后多个数据按大小进行排序，取中间值为当前目标点的有效值，边缘部分的数据不进行滤波处理；5)处理的结果得到三维的测量数据，形成料堆立体轮廓数据帧。
10.根据权利要求9所述的采用GPS定位的激光测量方法，其特征在于，所述的步骤3) GPS的最小精度取2米为一段，对整个被测料堆分段；所述的步骤4)采用的中值滤波的模板为1X5，处理每一切面内目标点前后五个数据按大小进行排序，边缘部分两列不进行滤波处理，取中间值为当前目标点的有效值。
全文摘要
本发明涉及一种采用GPS定位的激光测量系统及其方法，激光测量系统包括激光扫描仪，用于提供料堆高度信息，其特征在于，该激光测量系统还包括一GPS定位模块，用于提供激光扫描仪扫描时的实时方位信息；和一数据处理器，用于将其数据采集卡接收到的GPS定位数据和激光扫描仪扫描料堆的切面数据进行处理，形成料堆立体轮廓数据帧，包括帧同步处理单元、数据均衡处理单元和数据滤波处理单元。本发明定位采用GPS定位技术，可以得到激光扫描仪扫描煤场时的绝对经纬度信息，经过本发明的系统及其方法处理后精度较高，工作稳定可靠，对料堆轮廓数据的测量可精确到0.3％以内。而且，还可减少布线工作量，简化系统结构，提高测量工作的精度和稳定性。
文档编号G01B11/02GK102346019SQ20101024245
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者卞春江, 张伦, 张磊, 盛大鹏 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心