专利名称：一种基于激光雷达的装船机物位检测方法
技术领域：
本发明涉及港口码头设备技术领域，特别是涉及一种基于激光雷达的装船机物位检测方法。
背景技术：
港口散货装卸作业中，舱内物料的堆型分布、最大高度、最小高度、体积等都要进行实时监视，以确定后续落料点以及落料轨迹。目前，这些数据都是由船上的工作人员肉眼观测估计，或通过大车司机室安装的摄像机由司机进行辅助观测。但人工观测结果会受到工作人员经验、天气等多方面因素干扰，难以保证精度，工作人员稍有疏忽或计量精度失准，就很容易发生抛料铲埋没、翻船、沉船、舱壁损坏等事故。因此，港口散货作业中，应用物位检测技术，通过一定的规则计算出后续安全、高效作业所需的工作参数，具有重大的工程价值。 物位检测技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，是近十年来蓬勃发展起来的新兴研究领域。目前的三维检测技术可分为基于视觉的和基于测距原理的。基于视觉的三维检测系统需要采用双目系统或结构光加单目系统，双目视觉系统需要对双目图像进行匹配，算法复杂，目前研究中很少用在大尺度的实时三维测量上。结构光加单目系统一般被研究用于精细近距离测量上，对于散货大尺度测量，激光打到远距离低反射率的散货上成像差，另外图像处理复杂，因此不适于此环境应用。采用测距原理，受传感器物理特性影响，每次仅能进行单点或二维测量，进行三维测量一般采用二维测距仪加转动设备，目前研究三维测量系统集中于对被测物的三维重建，注重精度，消除测量仪器误差，测量时间长，同时测量系统在测量过程中位置不变。而散货装船过程中，需要对船型进行快速测量，并且测量系统要随装船设备移动，并且散货装船环境处于高粉尘，高振动的环境中，因此需要可靠快速的检测方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种需要的辅助设备少、识别精度高、可靠性高、安装维护方便、可在恶劣天气条件下使用的基于激光雷达的装船机物位检测方法。为实现本发明的目的所采用的技术方案是
一种基于激光雷达的装船机物位检测方法，其特征在于，包括下述步骤
(1)将二维激光雷达安装于两轴扫描驱动机构上组成激光雷达扫描装置，所述两轴扫描驱动机构带动所述二维激光雷达分别实现垂直方向旋转和水平方向旋转；
(2)二维激光雷达实时扫描，将采回的数据经过解码得到以激光雷达检测中心为极点的极坐标系中的长度值P，而后根据检测时所取的分度值得到角度值Θ，再利用转换公式x=P *cos Θ、y=p *sin Θ将极坐标系中的测量值转化到直角坐标系中，其中，X、y分别表示直角坐标系中某点在X轴和I轴的坐标值；(3)用高斯滤波器对图像f(xy)进行平滑滤波后为G〔x,y)=其中，
η ix,y)为一平滑函数，X、y分别表示直角坐标系中某点在χ轴和y轴的坐标值；
(4)通过差分算法、霍夫变换以及小波变换三者相结合的方法，得到图像在(x，y)点处的边缘强度为= 丄 Ej ,其中Ez = f(K1J) , Ey =|^* /(x,y);图像在(x, y)
点处的法向矢量为Θ = ArctanfJ),其中为二维高斯函数 、在χ方向上的一阶方
%*G(x,:y)
向导数，f为二维高斯函数_{ @在y方向上的一阶方向导数；
(5)为了确定边缘，利用梯度的方向，保留局部梯度最大的点；
(6)计算二维图像小波变换的模丨Msf(^y)丨和梯度方向编码CodeAs f(x,y),如果
lMsf(x,y)| T，且CodeAs f (x,y)达到模极大值，那么(x, y)就是一个边界点，重复此步，直
到完成边缘识别，其中T为阈值,T > O , χ = 0,1 …,m ( m e Z) ν = 0,1, .,n ( n e Z)
，Z为自然数；
(7)利用最小二乘法进行最终匹配，得到二维空间的点云；
(8)令二维激光雷达跟着移动的大车沿着堆场方向前进，进行多次检测，则得到物料在三维空间的点云；
(9)对获取的三维点云数据进行配准、去噪、修正，然后对离散的数据点云三角剖分，最终对三角化网格进行消隐变换生成物料三维曲面。所述二维激光雷达的扫描范围为180° ,选择O. 25分度进行扫描。将两组激光雷达扫描装置分别安装于溜筒方形维修平台的对角处，使得在任一方向上至少能有一台激光雷达进行完整扫描。所述两轴扫描驱动机构包括水平轴、垂直轴，所述水平轴带动所述二维激光雷达垂直翻转，所述垂直轴带动所述二维激光雷达沿水平方向翻转，所述水平轴和垂直轴分别通过伺服电机控制。与现有技术相比，本发明的有益效果是
I、本发明的方法通过激光雷达及一套两轴运动机构对舱内物料的轮廓进行扫描并重建，排除了因工作人员的疏忽或计量精度失准等因素而导致的抛料铲埋没、翻船、沉船、舱壁损坏等事故，需要的辅助设备少、识别精度高、可靠性高、安装维护方便、可在恶劣天气条件下使用。2、本发明基于激光雷达检测物位，代替了双目系统的复杂算法，解决了结构光加单目系统测量时间长、位置不变的问题，提高了系统效率。
图I所示为一种基于激光雷达的装船机物位检测方法中二维激光雷达安装示意图。图中1.溜筒，2. 二维雷达扫描装置，3. 二维雷达扫描装置，4、维修平台。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种基于激光雷达的装船机物位检测方法包括下述步骤
(O 二维激光雷达安装示意图如图I所示，将二维激光雷达安装于两轴扫描驱动机构上组成激光雷达扫描装置，所述两轴扫描驱动机构带动所述二维激光雷达分别实现垂直方向旋转和水平方向旋转。为了防止溜筒对激光雷达扫描射线的遮挡，无遮挡地覆盖整个落料区域，将两组二维激光雷达扫描装置2、3分别安装于溜筒I方形维修平台4的对角处，使得在任一方向上至少能有一台激光雷达进行完整扫描。开始扫描物料轮廓之前先要对二维激光雷达进行初始化设置，将二维激光雷达的检测范围设置为180°，检测分度设置为O. 25°，并约定每个扫描截面都要输出。初始化过程结束后，两组二维激光雷达开始对物料截面进行扫描。(2)激光雷达每完成一次检测后反馈回一个数据包，此数据包包含的信息有相应设备地址、数据包的长度、反馈指令、激光雷达的测量值、激光雷达的状态值、测量值的单位。(3) 二维激光雷达实时扫描，将采回的数据经过解码得到以激光雷达检测中心为极点的极坐标系中的长度值P，而后根据检测时所取的分度值得到角度值Θ，再利用转换公式X=P *cos Θ、y=p *sin Θ将极坐标系中的测量值转化到直角坐标系中，其中，X、乂分别表示直角坐标系中某点在X轴和I轴的坐标值；
(4)用高斯滤波器对图像.P进行平滑滤波后为G〔χ, y) = '<],其中，
η (.χ,ν)为一平滑函数，χ、y分别表示直角坐标系中某点在χ轴和I轴的坐标值；
(5)通过差分算法、霍夫变换以及小波变换三者相结合的方法，得到图像在(x，y)点处的边缘强度为 A(x,y) = —芍，其中& = f * f(x,y) , Ey;图像在(x，y)点处的法向矢量为Θ = Arctanf),其中#为二维高斯函数 、在乂方向上的一阶方
%a￡G(x,yj
向导数，f为二维高斯函数(^ 5 、|在y方向上的一阶方向导数；
(6)为了确定边缘，利用梯度的方向，保留局部梯度最大的点；
(7)计算二维图像小波变换的模IMsf(x,y)丨和梯度方向编码CodeAs f (x y),如果
|Msf(x,y)| T，JiCodeAs f(x,y)达到模极大值，那么(x, y)就是一个边界点，重复此步，直
到完成边缘识别，其中T为阈值,T > O , χ = 0,1,…,m ( m e Z)且y = 0,1, . ,n ( n e Ζ)，Z为自然数； (8)利用最小二乘法进行最终匹配，得到二维空间的点云。(9)令二维激光雷达跟着移动的大车沿着堆场方向前进，进行多次扫描检测，得到一系列平行的二维空间的点云，则得到物料在三维空间的点云。(10)对获取的三维点云数据进行配准、去噪、修正，然后对离散的数据点云三角剖分，最终对三角化网格进行消隐变换生成物料三维曲面。进而得到料堆最大高度，最小高度，体积等参数。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于激光雷达的装船机物位检测方法，其特征在于，包括下述步骤 (1)将二维激光雷达安装于两轴扫描驱动机构上组成激光雷达扫描装置，所述两轴扫描驱动机构带动所述二维激光雷达分别实现垂直方向旋转和水平方向旋转； (2)二维激光雷达实时扫描，将采回的数据经过解码得到以激光雷达检测中心为极点的极坐标系中的长度值P，而后根据检测时所取的分度值得到角度值Θ，再利用转换公式x=P *cos Θ、y=p *sin Θ将极坐标系中的测量值转化到直角坐标系中，其中，X、y分别表示直角坐标系中某点在X轴和I轴的坐标值； (3)用高斯滤波器对图像、进行平滑滤波后为G〔x V) = η (xy)f(x,y),其中，η (s y)为一平滑函数，X、y分别表示直角坐标系中某点在X轴和I轴的坐标值； (4)通过差分算法、霍夫变换以及小波变换三者相结合的方法，得到图像在(x，y)点处的边缘强度为
2.根据权利要求I所述的基于激光雷达的装船机物位检测方法，其特征在于，所述二维激光雷达的扫描范围为180°，选择O. 25分度进行扫描。
3.根据权利要求I所述的基于激光雷达的装船机物位检测方法，其特征在于，将两组激光雷达扫描装置分别安装于溜筒方形维修平台的对角处，使得在任一方向上至少能有一台激光雷达进行完整扫描。
4.根据权利要求I所述的基于激光雷达的装船机物位检测方法，其特征在于，所述两轴扫描驱动机构包括水平轴、垂直轴，所述水平轴带动所述二维激光雷达垂直翻转，所述垂直轴带动所述二维激光雷达沿水平方向翻转，所述水平轴和垂直轴分别通过伺服电机控制。
全文摘要
本发明公开了一种基于激光雷达的装船机物位检测方法，而提供一种识别精度高、可在恶劣天气条件下使用的方法。将二维激光雷达装于两轴扫描驱动机构上，二维激光雷达实时扫描的数据经过解码得到以激光雷达检测中心为极点的极坐标系中的长度值，根据检测时所取的分度值得到角度值，利用转换公式将极坐标系中的测量值转化到直角坐标系中，用高斯滤波器对图像进行平滑滤波，通过差分算法、霍夫变换以及小波变换三者相结合，得到图像的边缘强度为，利用梯度的方向保留局部梯度最大的点；进行边缘识别；利用最小二乘法进行最终匹配得到二维空间的点云；令二维激光雷达沿着堆场方向前进得到三维空间的点云；对离散的数据点云三角剖分。
文档编号G01F23/292GK102865903SQ20121035415
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者王超峰, 宓为建, 安国利, 张有旺, 董席亮, 宓超, 沈阳, 黄津津 申请人:天津港中煤华能煤码头有限公司, 上海海事大学