大型堆积物料体积绕行测量装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种大型堆积物料体积绕行测量装置和方法。该装置采用车载式的激光扫描器、惯性测量单元和车轮编码器相互配合同步采集料堆轮廓信息和测量小车姿态和位置信息。激光扫描器、惯性测量单元和车轮编码器被安装在遥控或者自主导航的小车上，在运动中激光扫描器不断扫描料堆轮廓信息，绕料堆一周进行全貌测量，多组传感器同步信息构成料堆的三维轮廓信息和小车姿态和位置信息。采集的料堆轮廓信息和小车姿态和位置被传递到PC机上进行处理，经坐标变换后获得料堆轮廓的点云数据，利用积分重构的方式重建料堆的外貌和体积，从而实现对大型堆积物料的体积测量。另外，被测得的数据被管理者接受到能够及时做出相应的决策，因此本发明将为企业管理大型堆积物料提供了技术支持。
【专利说明】大型堆积物料体积绕行测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大型堆积物料体积绕行测量装置和方法。具体设计一种车载式测 量装置，同步采集小车的运行轨迹坐标、小车姿态和车载测量装置扫描的料堆轮廓信息，采 用坐标转换的方式，在同一坐标系下建立料堆轮廓点云，进一步重建料堆轮廓，然后通过数 据处理可以求出料堆的体积和质量信息。
【背景技术】
[0002] -些粉料或粒料通常以堆积的方式存储，如煤、粮食、矿石、沙土等，这些堆积物料 的体积一般较大，而且随着存取操作的执行，库存量呈动态变化，用常规的测量方法很难准 确估计库存数量，在许多企业仍然采用人工去现场丈量的方式估算堆积物料的体积。人工 丈量方式误差较大，而且盘库周期较长，对于频繁进行存、取料操作的企业，由于进料出料 这个过程导致物料的料堆是动态变化的，从而需要对料堆的体积进行实时的监控，掌握实 时的数据，确定哪些物料还有，有多少，需要多少，为生产计划的安排做智能决策。而人工测 量方法盘库给出的信息不及时，不便于合理控制库存和利用仓库。也有一些企业拥有堆料 机、取料机等自动化设备和系统。但是仍然需要人工测量估算或盘点等物料的库存量，因 而，开发一种远距离实时测量物料体积的装置和方法是很重要的。本发明提出一种360度 范围内同步测量和重建的大型堆积物料体积测量方法和装置，通过车载式激光扫描信息和 小车坐标同步采集，通过坐标变换获取料堆的外形轮廓信息，根据采集的轮廓信息利用积 分重构方式重建堆积物料的形貌和体积，从而实现对大型堆积物料体积的测量。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种大型堆积物料体积绕行测 量装置和方法，实现对大型堆积物体积的测量。
[0004] 为达到上述目的，本发明的构思是： 为了实现对大型堆积物料体积测量，本发明采用激光扫描器、加速度传感器及陀螺仪 等传感器来测量大型料堆的轮廓点云信息和小车姿态及位置信息。为了获取有用的料堆轮 廓信息，本发明将激光扫描器装在小车上，在小车围绕料堆运动一周过程中，激光扫描器不 断的扫描料堆的轮廓信息，小车位置和姿态信息和扫描的轮廓信息同步返回。各个传感器 同步获取的信息经特定的传输方式和接口传递给处理器，其中小车位置和姿态信息可用来 建立相对坐标系，每个扫描点的空间信息经过坐标变换后在同一空间参考系下形成料堆的 轮廓信息点云，再用特定的算法模拟出料堆的外形三维信息，使用积分重构的方法可以计 算出料堆的体积。
[0005] 为了实现上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 一种自动快速扫描方式的大型料堆体积测装置。它包括激光扫描器、惯性测量单元、运 载小车、车轮编码器、PC机等。本发明的特点在于，将激光扫描仪安放在运载小车上，随小 车围绕料堆一周的运动而扫描采集料堆轮廓信息，与此同时小车上携带的惯性测量单元也 同步采集小车运行位移信息。由于要生成的料堆轮廓点云信息经过坐标变换，所以为了保 证测量结果的准确性，需要将返回小车位移信息的惯性测量单元稳定的固定在小车上，保 证运载小车姿态与传感器姿态相同。小车采用电力驱动，电机的平稳运转可保证小车的平 稳运行。整个工作过程可在PC机的控制界面下操作完成，例如启动激光扫描器进行工作、 启动运载小车、标定激光扫描器的位置、规划小车运动轨迹、采集和储存数据等。
[0006] 本发明利用无线技术使运载小车和控制PC进行通信，这样能够便利的进行测量 工作，同时也能够很好完成控制信息和测量数据的传递。由于测量系统的运载小车的活动 性，本发明尤其适合测量堆场不固定的料堆的测量，避免了安装固定测量装置的浪费。由于 本发明中实时返回小车姿态和位置信息，能够实时建立变换坐标系，根据这一测量原理，我 们可以知道小车能够很好的适应室外的料堆堆场地面。
[0007] 如上所述，本发明中激光扫描器可以测量料堆相对小车坐标的轮廓点信息，而运 载小车上的惯性测量单元和车轮编码器等传感器可返回小车的姿态和位移信息。根据最初 确定原点位置和以上测量数据，建立坐标系，经坐标变换后，得出在同一坐标系下的料堆点 云数据。根据点云数据模拟料堆轮廓，用积分重构的方式可以重建料堆外形并算出料堆的 体积和质量。
[0008] 所述激光扫描器，采用适用于室外型激光扫描测量系统的传感器，比如SICK品牌 的型号为LD-LRS系列产品，具有雾气矫正功能，能够适应户外恶劣的天气情况，而且具有 较大的工作范围，最大测距为250m，具有较高的分辨率（0. 125度)、大扫描角（270度)、低频 扫描（10Hz)。这些条件已经满足了大型料堆测量的需求。对于数据输出可采用PNP输出， 也可采用继电器输出，该系列产品均为以太网接口，能够很好的将数据传输给PC机。激光 扫描器被安装在运动的小车上，随着小车的运动逐行扫描料堆外形轮廓，实际上激光扫描 仪也是一个测距仪，将在料堆轮廓上根据其工作原理的采集距离信息，这一信息通过数据 传输装置传递给PC机处理作为重建出料堆轮廓的重要信息。理想状态下的激光扫描是垂 直于扫描器运动方向的，在非匀速直线运动的扫描中采集的信息是料堆表面的非线性轮廓 信息，这就需要在数据采集时同步采集不同传感器的信息，以正确建立转换坐标系，重建料 堆轮廓进而得出正确的料堆体积和质量。
[0009] 所述惯性测量单元主要包括陀螺仪和加速度传感器。
[0010] 所述陀螺仪，是被安装在运载小车上，用来获取小车姿态的一种装置。目前陀螺仪 技术已经相当成熟，被广泛应用于航海、航天、导弹以及一些手持设备上，发挥着重要的导 航和控制功能。陀螺仪在初始标定后，在运载小车前进过程中能够返回小车的姿态信息， 如：水平角度、侧转角度和侧翻角度。这些信息用来建立激光扫描器获取的点集信息到统一 坐标系下建立点云的转换坐标系。
[0011] 所述加速度传感器，和陀螺仪一起作为惯性测量单元的主要组成部分，来获取小 车相对位置信息。在小车启动之前，即测量系统开始工作之前，标定统一坐标原点，建立统 一坐标系。根据惯性测量单元可以获取小车的相对位置信息，这一信息用来建立转换坐标 系。安装惯性测量单元时候应注意将装置安装在小车的重心处，以保证测量的准确性。惯 性导航具有一定的误差，实际工作中，由于不可避免的各种干扰因素，而导致陀螺仪及加速 度计产生误差，从初始对准开始，其导航误差就随时间而增长，尤其是位置误差，这是惯性 导航系统的主要缺点。所以我们将惯性测量单元和车轮编码器综合使用，在获取的位置信 息时根据各自的测量特性附加不同的加权值，以期达到减小误差的效果。
[0012] 所述车轮编码器，用来获取小车运动信息，通过各个车轮的速度信息，积分可以得 出位置信息。这个过程是通过对左右两边车轮的速度、位移信息进行综合整合来确定出小 车的运行轨迹并计算出小车相对统一坐标系的位移。这一信息和由惯性测量模块确定的位 移信息在不同加权值的调和下共同确定小车的实际位移。
[0013] 所述运载小车，包括车轮、驱动装置、控制器、车板、电源等结构或装置。为了使小 车运行相对平稳，驱动装置采用马达驱动，经变速达到足够的驱动力矩和要求的运动速度， 这也是选择马达型号的依据。对于控制器，用来控制小车的运动和作为数据采集的接口和 暂存地，是一个信息中转站。整个小车及车载设备独立工作，因此本发明采用无线通信方式 来传递控制信号和测量数据，方便移动目标的数据和信号的传递。对于小车的周边结构，t匕 如遮阳遮雨棚等可以根据需要选用。
[0014] 所述PC机，具有远程控制功能和处理数据的功能。通过无线通信的方式和上述激 光扫描测量设备进行通信，可以将启动停止、小车运行轨迹、小车运动速度等信息传递给激 光扫描测量设备，也可将激光扫描设备采集的料堆轮廓信息传递给PC机。PC机的另一个重 要功能是将接收到的激光扫描测量设备和车载传感器并行采集得到的料堆轮廓信息和小 车位移和姿态信息进行并行处理，通过坐标变换，在统一坐标系下构建出料堆轮廓的点云 信息，利用积分重构方式重建堆积物料的形貌和体积，并根据人机界面输入的料堆比重可 以计算出料堆的质量。PC机处理数据的另一个方向是将计算得出的料堆体积或者质量信息 及时的传递给企业物流部门的上层监控平台，让物流部门能够及时的了解物料的实时数据 和及时按照生产计划做出智能决策。本发明将成为企业大型物料堆数字化管理的重要组成 部分。
[0015] 一种大型堆积物料体积绕行测量方法，采用上述装置进行测量，其特征在于：测 量操作步骤如下。系统初始化：控制运载小车运动到一个给定的位置，设置扫描频率和运 载小车运动速度；建立标准坐标系，开启各传感器开始获取数据；开启运载小车，绕行料堆 一周，各传感器同步采集信息；数据处理：将点云信息拟合成三维轮廓，对料堆进行积分重 建，得出料堆体积；完成测量：传感器和运载小车运动关闭，运载小车复位操作。
[0016] 测量系统启动后，首先建立一个固定坐标系，运载小车开始运动，各传感器也开始 工作，激光扫描器开始扫描料堆轮廓，惯性测量单元和车轮编码器配合测量运载小车到固 定坐标系原点的位移，惯性测量单元中的陀螺仪测量运载小车的姿态信息。根据以上传感 器的测量信息，可以建立多个空间变换坐标系，可以将激光扫描器测出的料堆轮廓信息转 换到统一的固定坐标系下；然后，在统一坐标系下我们就可以重建料堆三维轮廓模型，进而 根据数据处理得出料堆的体积信息；以上信息的采集和获取最大的特征在于，各传感器采 集信息的过程是同步的，然后将这些拼合成一组数据信息，为空间变换坐标系的正确建立、 数据的正确处理做准备。
[0017] 通过传感器收集的信息有：激光扫描器获得的料堆轮廓点信息、惯性测量单元获 得的小车位移信息和姿态信息、车轮编码器获得的车轮转动信息；测量信息通过无线的通 信方式传递给具有数据处理及控制功能的计算机；所述激光扫描器和惯性测量单元传感器 获得信息经处理后组成料堆的完整三维轮廓信息，通过计算机的处理模拟出料堆的轮廓模 型，进而通过积分重构的方式计算出料堆的体积。
[0018] 本发明与已有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
[K 少： 目前现有的大型料堆测量方法有人工堆型估测法和一般激光测量法。人工堆型估测法 不但费时费力，而且测量精度较低，这种方法通过人工将料堆堆积成类似金字塔形等规则 体，然后测量相应的边长和高度来计算料堆体积。一般激光测量法是将激光测量仪安装在 堆料机上，随堆料机转动来扫描料堆轮廓，这种方法存在扫描死角，堆料机移动后需要重新 标定扫描仪的坐标，因此这种方法测量效率存在缺陷，测量精度不高。本方法采用车载激光 扫描器绕行测量的方法，消除扫描死角，小车运载激光扫描器堆场中绕行料堆一周，扫描范 围灵活可控，测量自动化程度高，场地适应性好，具有较高的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1大型堆积物料体积绕行测量设备结构示意图 图2大型堆积物料体积绕行测量设备布局及测量原理示意图 图3大型堆积物料体积绕行测量系统原理框图 图4大型堆积物料体积绕行测量工作流程框图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明： 实施实例一： 参见图1和图2,本大型堆积物料体积绕行测量装置，包括一个激光扫描器（21)、一个 惯性测量单元（22)、一个小车控制器（23)、一个小车驱动器（24)、一台运载小车（10)、两个 车轮编码器、一台计算机（60)，其特征在于激光扫描器（21)、惯性测量单元（22)、车轮编码 器被安装在小车（10)上，通过小车（10)运动的带动，激光扫描器（21)动态的对料堆（30)进 行扫描，同时被安装在小车（10)重心位置的惯性测量单元（22)以及车轮编码器同步测量 小车（10)和激光扫描器（21)的姿态和位移信息，三组传感器的信息被采集后通过控制器 (23)与PC机（60)的无线通信被传递给PC机（60)，在PC机（60)上经坐标变换等处理后， 能够拟合出料堆（30)的完整轮廓信息。本发明另一特征在于将安装在运载小车（10)上的 激光扫描测量装置随小车（10)的运动围绕料堆扫描一周，经同步测量和重建，能够完整的 测量出整个料堆（30)的轮廓信息，进而可以求出我们期望的料堆（30)的体积。
[0021] 参见图2和图3所示，PC机（60)上可通过控制界面输入控制信息，启动激光扫描 测量设备，比如标定统一坐标原点、启动激光扫描器（21)、设置激光扫描器（21)的工作参 数、启动小车（30)、设置小车（10)运动参数等。激光扫描器（21)可以设定扫描角度、扫描 频率等信息，可根据被测量对象的具体位置和外形进行设定。根据料堆（30)的具体形状和 堆放环境设置运载小车（10)的运动速度和轨迹。通过控制界面可以设定小车（10)的运动 速度，这个参数需要被用来作为扫描点位置信息的补偿值，也关系到扫描效率，运动速度越 快扫描效率越高，轮廓信息保真度越小。
[0022] 当激光扫描测量设备运行时，激光扫描器（21)不断扫描料堆轮廓，以极坐标形式 返回被扫描点相对于激光扫描器（21)的角度和距离信息，被扫描的点被拟合成一条曲线， 再配合以惯性测量单元頂U (22)和车轮编码器返回同步测量信息，经过坐标变换后将建 立同一坐标系下的料堆轮廓点云数据，该数据被拟合成一个曲面。拟合成的曲面加以积分 重构在PC机（60)计算出料堆的体积和质量信息。同时这一信息可以通过PC机（60)与其 他监控平台进行数据共享，让这一数据能够及时反映到管理者那里并及时的做出相应的决 策，使这一数据发挥其在企业物流中的作用。
[0023] 实施实例二： 参见图4,本大型堆积物料体积绕行测量方法，采用上述装置进行测量，其特征在于： 测量操作步骤如下。系统初始化：控制运载小车（10)运动到一个给定的位置，设置扫描频 率和运载小车（10)运动速度；建立标准坐标系，开启各传感器开始获取数据；开启运载小 车（10)，绕行料堆（30) -周，各传感器同步采集信息；数据处理：将点云信息拟合成三维轮 廓，对料堆（30)进行积分重建，得出料堆（30)体积；完成测量：传感器和运载小车（10)运 动关闭，运载小车（10 )复位操作。
[0024] 测量系统启动后，首先建立一个固定坐标系，运载小车（10)开始运动，各传感器也 开始工作，激光扫描器（21)开始扫描料堆（30 )轮廓，惯性测量单元（22 )和车轮编码器配合 测量运载小车（10)到固定坐标系原点的位移，惯性测量单元（22)中的陀螺仪测量运载小 车（10)的姿态信息。根据以上传感器的测量信息，可以建立多个空间变换坐标系，可以将 激光扫描器（21)测出的料堆（30)轮廓信息转换到统一的固定坐标系下；然后，在统一坐标 系下我们就可以重建料堆（30)三维轮廓模型，进而根据数据处理得出料堆（30)的体积信 息；以上信息的采集和获取最大的特征在于，各传感器采集信息的过程是同步的，然后将这 些拼合成一组数据信息，为空间变换坐标系的正确建立、数据的正确处理做准备。
[0025] 通过传感器收集的信息有：激光扫描器（21)获得的料堆（30)轮廓点信息、惯性 测量单元（22)获得的小车位移信息和姿态信息、车轮编码器获得的车轮转动信息；测量信 息通过无线的通信方式传递给具有数据处理及控制功能的计算机（60);所述激光扫描器 (21)和惯性测量单元（22)传感器获得信息经处理后组成料堆（30)的完整三维轮廓信息， 通过计算机（60)的处理模拟出料堆（30)的轮廓模型，进而通过积分重构的方式计算出料 堆（30)的体积。
[0026] 实施实例三：沙子堆体积的测量 由于沙堆或者粮食堆不像工厂料堆堆场那样固定，堆放一段时间之后可能就会迁移。 所以本发明采用移动小车带动测量的方式更加适合这种料堆（30)的测量。参见图2所示， 沙子堆在堆场上堆放，运载小车（10)在堆场上沙堆周边的空地上绕沙堆进行运动。运载小 车（10 )带动激光扫描器（21)对沙堆进行快速扫描。运载小车（10 )上的惯性测量单元（22 ) 和车轮编码器同步采集小车（10)的位移和姿态信息。参见图2所示，小车运动到轨迹（40) 上任一测量点A点，在这里需要获取的数据有：A点相对标定原点0点的相对位移（50)，运 载小车（10)在A点的姿态信息，激光扫描器在改点扫描得到的料堆的轮廓点信息。
[0027] 具体操作过程如下： 将运载小车（10)放置在堆场上的料堆周边区域的合适位置，设置该起始点为统一坐标 原点，标记为〇点，并记录在PC机（60)上。操作人员通过使用PC机（60)的控制界面操作 激光扫描设备的工作。设置激光扫描器（21)的工作参数，向运载小车发出运动控制信息， 同时启动激光扫描器（21)、惯性测量单元（22)及车轮编码器工作。小车运行的轨迹设置可 以通过PC机（60)控制界面或者单独使用运动遥控器进行遥控，在技术成熟的情况下也可 以通过视觉智能判别料堆边界循迹前进。在运载小车（10)整个运行过程中，各传感器同步 返回测量值，经运载小车（10)车载控制器的无线通信方式传递给PC机（60)。
[0028] -次扫描结束后，PC机（60)对接收到的各个传感器返回的数据进行处理，由于采 集信息时采用的便是同步测量，经初步处理后，得到统一坐标系下的点云数据，然后重建料 堆的轮廓信息，通过积分重构计算出料堆的体积。
[0029] 实施实例四： 本实例与实施实例一基本相同，特别之处是： 激光扫描测量系统包括激光扫描测量装置、惯性测量单元和数据采集、处理和通信模 块。参见图1和图3,激光扫描器（21)、惯性测量单元（22)和车轮编码器采集的料堆轮廓 信息和小车姿态和位置信息通过数据传输电缆和接口以一定的通信协议传递给处理数据 的PC机（60)，得到的数据经过一系列坐标变换得出在统一坐标系下的点云数据，通过离散 点拟合曲面进而重建出料堆的轮廓模型，用积分重构的方法算得料堆的体积和质量信息。 这一信息可通过共享平台传递给管理层，管理层根据生产计划做出及时的决策。本发明适 用于大型料堆的体积和质量测量，尤其是对于料堆堆场不固定的物料的测量，当然对于像 煤炭企业的煤堆测量、冶金企业的矿石或者矿砂测量等也是非常的适合。本发明将为类似 上述企业在管理大型堆场中提升自动化、智能化水平。其次，本发明利用先进的激光测量技 术，具有较高的测量精度。整个过程实现自动化管理，大大简化了目前较为普遍的人工堆型 估测方法，节省了劳动力，提高了测量效率。
【权利要求】
1. 一种大型堆积物料体积绕行测量装置，包括一个激光扫描器（21)、一个惯性测量单 元（22)、一个小车控制器（23)、一个小车驱动器（24)、一台运载小车（10)、两个车轮编码器 和一台计算机（60)，其特征在于：所述激光扫描器（21)安装在运载小车（10)上，运载小车 (10 )绕料堆（30 )运行，通过运载小车（10 )的运动，激光扫描器（21)对料堆（30 )进行扫描， 同时，安装在运载小车（10)上的惯性测量单元（22)、车轮编码器和陀螺仪同步测量运载小 车（10)的位置信息和姿态信息，所述车轮编码器安装在小车的车轮旁，两组传感器的信息 传递到计算机（60)上经拟合后能够呈现出料堆（30)的完整轮廓信息。
2. 根据权利要求1所述，大型堆积物料体积绕行测量装置，其特征在于：所述运载小车 控制器（23 )和驱动器（24)安装在运载小车（10 )上；运载小车（10 )运载各传感器在被测量 的料堆（30)周边运动，以至于料堆（30)的轮廓信息都能够被传感器扫描测量到。
3. -种大型堆积物料体积绕行测量方法，采用根据权利要求1所述的大型堆积物料体 积绕行测量装置进行测量，其特征在于测量操作步骤如下： a) 系统初始化：控制运载小车（10)运动到一个给定的位置，设置扫描频率和运载小车 (10)运动速度； b) 建立标准坐标系，开启各传感器开始获取数据； c) 开启运载小车（10)，绕行料堆（30)-周，各传感器同步采集信息； d) 数据处理：将点云信息拟合成三维轮廓，对料堆（30)进行积分重建，得出料堆（30) 体积； e) 完成测量：传感器和运载小车（10)运动关闭，运载小车（10)复位操作。
4. 根据权利要求3所述大型堆积物料体积绕行测量方法，其特征在于：测量系统启动 后，首先建立一个固定坐标系，运载小车（10)开始运动，各传感器也开始工作，激光扫描器 (21)开始扫描料堆（30)轮廓，惯性测量单元（22)和车轮编码器配合测量运载小车（30)到 固定坐标系原点的位移，惯性测量单元（22)中的陀螺仪测量运载小车（30)的姿态信息。
5. 根据以上传感器的测量信息，可以建立多个空间变换坐标系，可以将激光扫描器 (21)测出的料堆（30)轮廓信息转换到统一的固定坐标系下；然后，在统一坐标系下我们就 可以重建料堆（30 )三维轮廓模型，进而根据数据处理得出料堆（30 )的体积信息；以上信息 的采集和获取最大的特征在于，各传感器采集信息的过程是同步的，然后将这些拼合成一 组数据信息，为空间变换坐标系的正确建立、数据的正确处理做准备。
6. 根据权利要求2所述大型堆积物料体积绕行测量方法，其特征在于：通过传感器收 集的信息有：激光扫描器（21)获得的料堆（40)轮廓点信息、惯性测量单元（22)获得的小车 位移信息和姿态信息、车轮编码器获得的车轮转动信息；测量信息通过无线的通信方式传 递给具有数据处理及控制功能的计算机（60);所述激光扫描器（21)和惯性测量单元（22) 传感器获得信息经处理后组成料堆（30)的完整三维轮廓信息，通过计算机的处理模拟出料 堆（30)的轮廓模型，进而通过积分重构的方式计算出料堆（30)的体积。
【文档编号】G01B11/00GK104154861SQ201410387351
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】孟庆栩, 赵其杰, 屠大维 申请人:上海大学