基于激光扫描雷达的体积动态测量装置及测量方法与流程

本发明属于体积动态测量技术领域，特别涉及基于激光扫描雷达的体积动态测量装置及测量方法。

背景技术：
在很多科学研究和工业生产中，常常需要获知相关物体的体积参数。但是当被测物体具有时变性、毒性、易爆性等特性时，为了安全起见，不方便人工直接进行测量。例如，在煤块的分选和分类过程中，需要动态的测量煤块的体积大小，从而能够自动的根据其体积对其进行分类或者结合质量计算其密度。目前根据体积对煤块进行分选的方法主要是振动筛选法，即根据煤块振动时的不同运动方向，筛选出体积相近的煤块。但是这种筛选方法只能粗略的对煤块进行分类，无法精确的获取煤块的体积大小，从而用于计算煤块的密度。另外，这种筛选方法也会使煤块造成破坏，大体积的煤块在振动下容易分裂成小体积的煤块。

技术实现要素：
本发明的目的在于提出基于激光扫描雷达的体积动态测量装置及测量方法。该体积动态测量装置投资费用少，测量速度快，便于实现自动控制，无需人工操作，能够方便的对被测物的体积进行动态测量。为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。技术方案一：基于激光扫描雷达的体积动态测量装置，包括传送带，所述传送带的上方、左侧和右侧对应安装有第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达，所述第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达位于同一竖直平面内；所述第一激光扫描雷达垂直朝向传送带平面，所述第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达均水平朝向传送带平面；所述传送带的驱动电机的转轴上固定安装有增量式旋转编码器；所述第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达均通过交换机电连接工控机，所述增量式旋转编码器通过数据采集卡电连接所述工控机。本技术方案的特点和进一步改进在于：所述第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达的型号均为UXM-30LX-EW；所述增量式旋转编码器采用E6A2-CW3C增量式旋转编码器。所述第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达具有相同的采样频率。技术方案二：基于激光扫描雷达的体积动态测量方法，基于上述基于激光扫描雷达的体积动态测量装置，包括以下步骤：激光扫描雷达标定：制作一个八面体形状的标定物，所述八面体具有两个底面和六个侧面，所述两个底面分别为两个正六边形，所述两个正六边形具有相同的边长，所述六个侧面均为矩形；将所述标定物放置在传送带上，所述标定物的六个侧面均与所述传送带的运动方向平行；使用传送带传送所述标定物，第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达对应采集标定物截面的三组点云数据，将其中两组点云数据的坐标转换至另一组点云数据所在的坐标系，确定所述两组点云数据对应的坐标转换的参数；采集传送带运转速度和被测物截面轮廓的点云数据：使用传送带传送被测物，利用增量式旋转编码器和工控机测量传送带的实时运转速度；第一激光扫描雷达按时间顺序依次采集第1被测物截面至第M被测物截面的上轮廓线的点云数据，M为大于1的自然数；第i被测物截面为：第一激光扫描雷达对被测物进行第i次采样所对应的被测物截面，i取1至M，第i被测物截面为竖直截面，并与传送带运动方向垂直；第二激光扫描雷达按时间顺序依次采集第1被测物截面至第M被测物截面的左轮廓线的点云数据，第三激光扫描雷达按时间顺序依次采集第1被测物截面至第M被测物截面的右轮廓线的点云数据；将采集到的点云数据通过交换机输入至工控机；坐标转换：工控机按照所述两组点云数据对应的坐标转换的参数，对第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达同一时间采集的点云数据进行对应的坐标转换，工控机根据坐标转换的结果构造出对应的被测物截面图像；被测物截面面积计算：根据所述被测物截面图像计算出对应的被测物截面面积；被测物采样距离计算：根据第一激光扫描雷达的采样频率，计算出第一激光扫描雷达的采样时间，所述第一激光扫描雷达的采样时间为第一激光扫描雷达采集相邻两个被测物截面的点云数据之间的时间间隔；将采集被测物截面轮廓的点云数据时传送带的实时运转速度与第一激光扫描雷达的采样时间相乘，得到每两个相邻被测物截面之间的采样距离；被测物截体体积计算：所述被测物截体体积指位于两个相邻的被测物截面之间的被测物的体积；根据每个被测物截面面积以及对应的两个相邻被测物截面之间的采样距离，采用棱台计算方法得出对应的被测物截体体积；被测物体积计算：所有被测物截体体积累加即为被测物体积。本技术方案的特点和进一步改进在于：在采集传送带运转速度和被测物截面轮廓的点云数据时，增量式旋转编码器将单位时间内记录的脉冲数据通过数据采集卡发送至工控机，工控机根据所述脉冲数据计算出传送带的实时运转速度。在进行激光扫描雷达标定时，将第二激光扫描雷达采集到的标定物截面的点云数据的坐标转换至第一激光扫描雷达的坐标系，得出对应的坐标转换的参数；将第三激光扫描雷达采集到的标定物截面的点云数据的坐标转换至第一激光扫描雷达的坐标系，得出对应的坐标转换的参数；第一激光扫描雷达的坐标系为第一激光扫描雷达采集到的标定物截面的点云数据所在的坐标系。本发明的有益效果为：该体积动态测量装置投资费用少，测量速度快，便于实现自动控制，无需人工操作，能够方便的对被测物体积进行动态测量。附图说明图1为本发明的基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量装置的机械结构示意图；图2为本发明的基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量装置的电路连接示意图；图3为本发明的基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量方法的流程图；图4为煤块截面的面积计算示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：（八面体）以煤块为例，说明基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量装置及测量方法。参照图1，为本发明的基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量装置的机械结构示意图。该基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量装置，包括用于传送煤块的传送带1，在传送带1的上方、左侧和右侧对应安装有第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4，第一激光扫描雷达2的激光头垂直向下，第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4的激光头均水平朝向传送带平面。三个激光扫描雷达（第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4）位于同一竖直平面内，分别固定在三个支架上；三个激光扫描雷达分别用于采集煤块截面的上轮廓线、左轮廓线和右轮廓线的点云数据。传送带1的驱动电机的转轴上固定安装有增量式旋转编码器5，增量式旋转编码器5用于测量传送带1的实时运转速度。参照图2，为本发明的基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量装置的电路连接示意图；第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4均通过交换机电连接工控机，增量式旋转编码器5通过数据采集卡电连接工控机。具体地说，工控机通过自身的网络接口连接交换机，并通过自身的串口连接数据采集卡。工控机设置在传送带的一侧（左侧或右侧）。本发明实施例中，第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4的型号均采用HOKUYO公司的UXM-30LX-EW激光测距仪。这种激光测距仪具有190°的测量范围、20Hz的采样频率、0.1～30m的测量距离。高性能的工控机接收增量式旋转编码器5发送的脉冲数据后，根据该脉冲数据计算得到传送带当前的实时运转速度。工控机接收第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4发送来的点云数据后，根据该点云数据采用图像拼接方法重构煤块截面的图像，并基于此，计算对应的煤块截面面积。本发明实施例中，增量式旋转编码器5采用OMRON公司的E6A2-CW3C增量式旋转编码器。E6A2-CW3C增量式旋转编码器采用双相测速方式，其分辨率为500P/R，它通过数据采集卡与串口线连接工控机的串口。参照图3，为本发明的基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量方法的流程图。该基于激光扫描雷达的煤块体积动态测量方法包括以下步骤：激光扫描雷达标定：由于激光扫描雷达所采集的点云数据对应的坐标系都是基于自身为原点而建立的，因此需要对三个激光扫描雷达进行标定，将点云数据转换至统一坐标系后，才能基于激光扫描雷达所采集的点云数据计算出对应的煤块截面面积。激光扫描雷达标定的具体过程为：制作一个八面体形状的标定物，该八面体具有两个底面和六个侧面，这两个底面分别为两个正六边形，两个正六边形的边长均为20cm，八面体的六个侧面均为矩形（长40cm，宽20cm）；然后将标定物放置在传送带上，标定物的六个侧面均与所述传送带的运动方向平行；使用传送带传送该标定物，由于第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4的采样频率均为20Hz，并且第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4位于同一竖直平面，所以在同一时刻，第一激光扫描雷达2、第二激光扫描雷达3和第三激光扫描雷达4可以对应采集到该标定物的一个截面的上轮廓线的点云数据、左轮廓线的点云数据和右轮廓线的点云数据。然后基于这些点云数据这三条轮廓曲线在工控机上描绘出来。然后以第一激光扫描雷达2的坐标系（第一激光扫描雷达采集到的标定物截面的点云数据所在的坐标系）为基准，固定该标定物截面的上轮廓曲线。根据标定物截面的上轮廓线、左轮廓线和右轮廓线的共有点，对该标定物截面的左轮廓线进行平移和旋转，并对该标定物截面的右轮廓线进行平移和旋转；使三条轮廓线拼接成一个正六边形的五个边。此时，记录下左轮廓线的平移量和旋转量以及右轮廓线的平移量和旋转量。左轮廓线的平移量和旋转量即为左轮廓线的点云数据对应的坐标转换的参数，右轮廓线的平移量和旋转量即为右轮廓线的点云数据对应的坐标转换的参数。上述标定物的截面为正六边形，可以较为精确地模拟煤块的截面形状，能够提高激光扫描雷达标定的精确度，从而能够提高煤块截面面积计算的精确度。本发明实施例中，还可以根据需要选择标定物的形状，例如选用截面为正八边形的十面体。本发明实施例中，还可以在标定物的位置向前移动5mm时，再进行如上激光扫描雷达标定，得到对应的平移量和旋转量数据。多次进行如上激光扫描雷达标定过程并对所有标定的平移量和旋转量求平均值后，确定出第二激光扫描雷达3所采集的左轮廓线的点云数据对应的平移量和旋转量，以及第三激光扫描雷达4所采集的右轮廓线的点云数据对应的平移量和旋转量。最终使第二激光扫描雷达3所采集的左轮廓线的点云数据的坐标和第三激光扫描雷达4所采集的右轮廓线的点云数据的坐标变换至第一激光扫描雷达2所在的坐标系，形成一个统一的坐标系。本发明实施例中，还可以在传送煤块前，预先设定传送带的运转速度。为保证煤块体积计算的实时性和高精度，设定煤块的采样距离D为5mm。由于激光扫描雷达的采样频率f为20Hz，因此设定传送带的运转速度v为：v=D*f=5′10-3*20=0.1ms然后采集传送带运转速度和煤块截面轮廓的点云数据：传送带刚启动时，传送带以设定速度0.1m/s运转。煤块随着传送带向前运动时，煤块的重量会使传送带的运转速度发生一定的变化，此时，增量式旋转编码器5启动对传送带运转速度的实时采集，同时三个激光扫描雷达启动对煤块的截面轮廓线的点云数据的实时采集。工控机利用串口实时采集来自增量式旋转编码器的脉冲数据，根据脉冲数据精确计算出传送带的实时运转速度。工控机利用网络接口实时采集来自三个激光扫描雷达的煤块截面轮廓线的点云数据，具体过程如下：第一激光扫描雷达按时间顺序依次采集第1煤块截面至第M煤块截面的上轮廓线的点云数据，M为大于1的自然数；第i煤块截面为：第一激光扫描雷达对煤块进行第i次采样所对应的煤块截面，i取1至M，第i煤块截面为竖直截面，并与传送带运动方向垂直；第二激光扫描雷达按时间顺序依次采集第1煤块截面至第M煤块截面的左轮廓线的点云数据，第三激光扫描雷达按时间顺序依次采集第1煤块截面至第M煤块截面的右轮廓线的点云数据；将采集到的点云数据通过交换机输入至工控机。然后进行坐标转换，工控机按照坐标转换的参数，对第一激光扫描雷达、第二激光扫描雷达和第三激光扫描雷达同一时间采集的点云数据进行对应的坐标转换（即进行对应的平移和旋转），工控机根据坐标转换的结果构造出对应的煤块截面图像；坐标转换的参数指：第二激光扫描雷达3所采集的左轮廓曲线的点云数据对应的平移量和旋转量，以及第三激光扫描雷达4所采集的右轮廓曲线的点云数据对应的平移量和旋转量。然后进行煤块截面面积计算：采用分割法计算每个煤块截面的面积，参照图4，为煤块截面的面积计算示意图。从坐标原点出发，沿x轴方向每隔Dx选取一条垂直于x轴的直线，从而将煤块的每个截面分割成N个小梯形。通过求取每条垂直于x轴的直线与煤块截面线段之间的两个交点yj和y'j，计算得到每个小梯形的边长值lj为：lj=|y'j-yj|则第i煤块截面的面积Si为：计算每个煤块截面对应的采样距离：在三个激光扫描雷达采集第i煤块截面轮廓线对应的点云数据时，测量得到的传送带的实时运转速度为v'i，由于三个激光扫描雷达的采样频率均为f，则三个激光扫描雷达的采样时间均为1/f，则第i煤块截面对应的采样距离Di为：煤块截体体积计算，煤块截体体积为位于两个相邻的煤块截面之间的煤块的体积。根据第i煤块截面的面积Si和第i煤块截面对应的采样距离Di，采用棱台计算方法得出位于两个相邻的煤块截面之间的煤块截体的体积Vi，计算煤块体积：所有煤块截体体积的总和即为煤块的实际体积大小。由于煤块截面的个数为M，则煤块截体的个数为M-1，所以煤块体积V为：本发明采用一种非接触式的、无破坏性的装置和方法对传送带上运输的煤块的体积进行动态测量。本发明的体积动态测量装置，采用激光扫描雷达、增量式旋转编码器和工控机，投资费用少，设计简单，可靠性高；本发明的体积动态测量方法，基于上述的体积动态测量装置，对煤块体积的计算由工控机自动完成，其智能化高，测量精度高，而且对煤块的测量结果直观、可靠。本发明不仅可用于测量煤块体积，还可以广泛应用于医药、化工、食品、建材等行业的相关物体的体积测量。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。