一种钢渣料场三维数据采集成像系统和方法与流程

本发明涉及钢渣处理回收领域，具体涉及一种钢渣料场三维数据采集成像系统和方法。

背景技术：

随着钢铁工业的发展，钢渣量也随之增加。目前，钢渣处理工艺有许多，最直接的就是热熔钢渣经过处理后，用装载机、电铲等设备进行挖掘装车，再运至弃渣场。而钢渣的堆存不仅占用大量耕地、污染环境，而且钢渣中还有可回收的7-15％的钢。通常需要加工再利用的钢渣，则通过粉碎、筛分、磁选等工艺处理后进行再利用。钢渣经过加工后可作冶炼溶剂、钢渣水泥、建筑骨料、农肥以及土壤改良剂等。因此，钢渣的处理和综合利用，可以产生巨大的经济和社会效益。

现有技术中冷钢渣处理方法中，冷却至常温的钢渣直接倒入格筛进行筛分，小于300mm的渣块落于输送机上，经带式除铁器出去表面含铁，进入滚筒筛进行筛选；大于50mm的渣块进入破碎机进行破碎，2050mm的送至振动筛筛选，小于20mm的渣块直接送走堆放掩埋。而大于300mm的渣块无法直接进行筛分，要先经过筛选落锤处理后循环回格筛。因钢渣料场面积较大，一般为1000平米左右甚至更大，工作人员凭肉眼无法准确了解钢渣表面形态，不便于对大尺寸钢渣块进行破碎处理。进入筛选程序的300mm以上的大块渣块处理成本呈几何倍数增加，只能堆放掩埋，这样的处理不但造成了浪费，且渣块中的金属物料和造渣剂无法充分地分离，为钢铁企业生产带来了很大的浪费。因此，如何及时准确快速获取钢渣料场表面结构形态，为破碎大块钢渣块破碎提供依据，是本申请亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对背景技术中所述的无法及时准确快速获取钢渣料场表面结构形态的问题，本发明设计了一种钢渣料场三维数据采集成像系统和方法。一种钢渣料场三维数据采集成像系统，设置在钢渣料场上方，包括计算器、控制面板、集成激光扫描仪、行车系统、通讯设备、数据存储器、三维建模系统、三维模型显示器；所述计算器与所述控制面板通讯连接，所述控制面板分别与所述集成激光扫描仪、行车系统控制连接，所述集成激光扫描仪和行车系统通过所述通讯设备分别与所述计算器数据连接；所述计算器还与数据存储器进行数据连通；所述数据存储器、三维建模系统、三维模型显示器依次数据连通；所述集成激光扫描仪固定在所述行车系统的小车上。

进一步地，所述集成激光扫描仪包括激光扫描仪，集成安装在激光扫描仪头部的竖向夹角编码器和水平夹角编码器，用于支撑所述激光扫描仪的转动支架，用于将所述转动支架固定在所述行车系统上的固定支架；安装在转动支架上的第一角度控制器和第二角度控制器，用于控制转动支架的转动。

进一步地，所述行车系统包括支撑架、大车、小车，所述大车上安装有大车控制器和y轴编码器，所述小车上安装有小车控制器和x轴编码器。

进一步地，所述集成激光扫描仪头部还安装了可拆卸防灰安全罩。

进一步地，所述行车系统安装在钢渣料场上方。

进一步地，所述第一角度控制器和第二角度控制器分辨率为0.125°～1.5°之间。

一种钢渣料场三维数据采集成像方法，包括以下步骤：

s1，建立三维坐标系，以激光扫描仪起始位置在地面的投影为原点(0，0，0)，激光扫描仪起始位置(0，0，h)，以小车行进方向(料场长度方向)为x轴，以大车行进方向(料场宽度方向)为y轴，以竖直向上方向为z轴，构建右手直角坐标系；所述激光扫描仪起始位置位于所述钢渣料场一侧宽度方向的正中间；行车系统安装在钢渣料场上方，行车高度为h；

s2，设定第一次小车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹：根据料场宽度w、料场长度l和要求的测量单位，计算出全部拟测量点位的平面坐标(x,y)，再根据小车运行速度、激光扫描仪单一点位工作时间计算出小车轨迹和激光扫描仪转动轨迹；将小车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹命令发送给控制面板；

s3，收集获取第一次任一数据测量点位的三维坐标(xa,ya,za)，此时，由x轴编码器获得天车系统的小车位移x天车，竖向夹角编码器获得传感器与z轴夹角θa，激光扫描仪测距sa，则按照xa＝x天车，ya＝-sa·sinθa，za＝h-sa·cosθa计算任一数据测量点位的三维坐标(xa,ya,za)；

s4，将获得的浓密测量点的点位三维坐标(xa,ya,za)存入数据存储器；

s5，根据获得点位三维坐标(xa,ya,za)数据，得到该点位坐标在水平面上投影坐标a(xa，ya，za)，其中，xa＝xa，ya＝ya，za＝0，即a(x天车，sa·sinθa，0)；所述a相邻点位为(a+1)，(b+1)；所述a，(a+1)，(b+1)在水平面投影构建直角对称三角形，以对应的a，(a+1)，(b+1)构建tin网(不规则三角网)；以a，(a+1)，(b+1)和a，(a+1)，(b+1)对应相连生成无缝连接的五面体(顶面为斜面，地面为平面的三棱体)；将有所相邻三个点依次生成无缝连接的五面体，进而生成钢渣料场的三维模型；

s6，显示三维图像，并按照料场总体积＝∑pi，i＝1，2，3，4，……n,计算钢渣料场的总体积；其中，pi＝∫∫zi(x,y)dxdy，n为三角形的总个数。

进一步地，所述要求的测量单位为0.05-0.2m。

进一步地，所述要求的测量单位为0.1m。

进一步地，在步骤s4和s5之间还包括：

步骤s4-2，设定第二次大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹：根据计算出全部拟测量点位的平面坐标(x,y)，再根据大车运行速度、激光扫描仪单一点位工作时间计算出大车轨迹和激光扫描仪转动轨迹；将大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹命令发送给控制面板；第二次数据采集时，所述激光扫描仪起始位置位于所述钢渣料场长度方向一侧的正中间；

步骤s4-3，收集获取第二次任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)，此时，由y轴编码器获得天车系统的大车位移y天车，水平夹角编码器获得传感器与x轴夹角激光扫描仪测距sa′，则按照ya′＝y天车，计算任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)；

步骤s4-4，数据合成；方法是：当任一点的za′大于za时；将(xa,ya,za)的数据替换为(xa′,ya′,za′)；

将获得的浓密测量点的点位三维坐标(xa′,ya′,za′)存入数据存储器。

进一步地，在步骤s5和s6之间还包括：

步骤s5-2，识别错误数据；在y轴方向背向激光投影仪的波谷会因波峰的阻挡而造成数据失真，根据生成的三维图像，识别y轴方向的波谷，并将波谷数据点发送给计算器，设定第二次大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹：根据波谷位置计算出拟测量点位的平面坐标(l/2,ya)，再根据大车运行速度、激光扫描仪单一点位工作时间计算出大车轨迹和激光扫描仪转动轨迹；将大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹命令发送给控制面板；第二次数据采集时，所述激光扫描仪起始位置位于所述钢渣料场长度方向一侧的正中间；

步骤s5-3，收集获取第二次任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)，此时，由y轴编码器获得天车系统的大车位移y天车，水平夹角编码器获得传感器与x轴夹角激光扫描仪测距sa′，则按照ya′＝y天车，计算任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)；

步骤s5-4，数据合成；方法是：当任一点的za′大于za时；将(xa,ya,za)的数据替换为(xa′,ya′,za′)；

将获得的浓密测量点的点位三维坐标(xa′,ya′,za′)存入数据存储器。

本发明的有益效果：

1、通过激光扫描仪与行车的结合，本发明钢渣料场三维数据采集成像系统和方法可以实现大范围钢渣料场的三维建模，为后续钢渣的破碎、回收做好了准备工作。

2、本申请通过设计第一角度控制器对激光扫描仪进行y轴方向的数据采集，通过小车控制器实现了全场数据的第一次采集；因激光扫描仪不具备穿透力，在背向激光扫描仪的波谷可能会因为波峰过高使波谷数据采集失真，本申请通过设计第二角度控制器对激光扫描仪进行x轴方向的数据采集，通过大车控制器实现了全场数据的第二次采集；数据真实、效率高，避免了因钢渣料场环境恶略影响现场操作人员的身体健康。综合评价本发明自动化程度高、实施效果好、造价低，有利于批量生产实施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种钢渣料场三维数据采集成像方法的流程示意图；

图2是一种钢渣料场三维数据采集成像系统的连接通讯数据传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

现结合附图说明对本发明进行进一步说明，旨在说明本发明所述装置中的适用范围和运行原理，并不对本发明所述的相关技术应用做出任何形式的限制，凡是基于本发明所述装置的技术原理进行的任何衍生技术均应当受到本发明的保护。

实施例1

如图1所示的一种钢渣料场三维数据采集成像系统，包括计算器、控制面板、集成激光扫描仪、行车系统、通讯设备、依次数据连通的数据存储器、三维建模系统、三维模型显示器；所述计算器与所述控制面板通讯连接，所述控制面板分别与所述集成激光扫描仪、行车系统控制连接，所述集成激光扫描仪和行车系统通过所述通讯设备分别与所述计算器数据连接；所述计算器还与数据存储器进行数据连通。所述集成激光扫描仪固定在所述行车系统的小车上。

进一步地，所述集成激光扫描仪包括激光扫描仪，集成安装在激光扫描仪头部的竖向夹角编码器和水平夹角编码器，用于支撑所述激光扫描仪的转动支架，用于将所述转动支架固定在所述行车系统上的固定支架；第一角度控制器和第二角度控制器用于控制转动支架的转动。

进一步地，所述行车系统包括支撑架、大车、小车，所述大车上安装有大车控制器和y轴编码器，所述小车上安装有小车控制器和x轴编码器。

进一步地，所述集成激光扫描仪头部还安装了可拆卸防灰安全罩。

进一步地，所述行车系统安装在钢渣料场上方。

进一步地，所述第一角度控制器和第二角度控制器分辨率为0.125°

～1.5°之间。

实施例2

如图2所示的一种钢渣料场三维数据采集成像方法，包括以下步骤：

s1，建立三维坐标系，以激光扫描仪起始位置在地面的投影为原点(0，0，0)，激光扫描仪起始位置(0，0，h)，以小车行进方向(料场长度方向)为x轴，以大车行进方向(料场宽度方向)为y轴，以竖直向上方向为z轴，构建右手直角坐标系；所述激光扫描仪起始位置位于所述钢渣料场一侧宽度方向的正中间；行车系统安装在钢渣料场上方，行车高度为h；

s2，设定第一次小车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹：根据料场宽度w、料场长度l和要求的测量单位，计算出全部拟测量点位的平面坐标(x,y)，再根据小车运行速度、激光扫描仪单一点位工作时间计算出小车轨迹和激光扫描仪转动轨迹；将小车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹命令发送给控制面板；

s3，收集获取第一次任一数据测量点位的三维坐标(xa,ya,za)，此时，由x轴编码器获得天车系统的小车位移x天车，竖向夹角编码器获得传感器与z轴夹角θa，激光扫描仪测距sa，则按照xa＝x天车，ya＝-sa·sinθa，za＝h-sa·cosθa计算任一数据测量点位的三维坐标(xa,ya,za)；

s4，将获得的浓密测量点的点位三维坐标(xa,ya,za)存入数据存储器；

s5，根据获得点位三维坐标(xa,ya,za)数据，得到该点位坐标在水平面上投影坐标a(xa，ya，za)，其中，xa＝xa，ya＝ya，za＝0，即a(x天车，sa·sinθa，0)；所述a相邻点位为(a+1)，(b+1)；所述a，(a+1)，(b+1)在水平面投影构建直角对称三角形，以对应的a，(a+1)，(b+1)构建tin网(不规则三角网)；以a，(a+1)，(b+1)和a，(a+1)，(b+1)对应相连生成无缝连接的五面体(顶面为斜面，地面为平面的三棱体)；将有所相邻三个点依次生成无缝连接的五面体，进而生成钢渣料场的三维模型；

s6，显示三维图像，并按照料场总体积＝∑pi，i＝1，2，3，4，……n,计算钢渣料场的总体积；其中，pi＝∫∫zi(x,y)dxdy，n为三角形的总个数。

进一步地，所述要求的测量单位为0.05-0.2m。

进一步地，所述要求的测量单位为0.1m。

实施例3

如图2所示的一种钢渣料场三维数据采集成像方法，在实施2的基础上在步骤s4和s5之间还包括：

步骤s4-2，设定第二次大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹：根据计算出全部拟测量点位的平面坐标(x,y)，再根据大车运行速度、激光扫描仪单一点位工作时间计算出大车轨迹和激光扫描仪转动轨迹；将大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹命令发送给控制面板；第二次数据采集时，所述激光扫描仪起始位置位于所述钢渣料场长度方向一侧的正中间；

步骤s4-3，收集获取第二次任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)，此时，由y轴编码器获得天车系统的大车位移y天车，水平夹角编码器获得传感器与x轴夹角激光扫描仪测距sa′，则按照ya′＝y天车，计算任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)；

步骤s4-4，数据合成；方法是：当任一点的za′大于za时；将(xa,ya,za)的数据替换为(xa′,ya′,za′)；

将获得的浓密测量点的点位三维坐标(xa′,ya′,za′)存入数据存储器。

实施例4

如图2所示的一种钢渣料场三维数据采集成像方法，在实施2的基础上在步骤s5和s6之间还包括：

步骤s5-2，识别错误数据；在y轴方向背向激光投影仪的波谷会因波峰的阻挡而造成数据失真，根据生成的三维图像，识别y轴方向的波谷，并将波谷数据点发送给计算器，设定第二次大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹：根据波谷位置计算出拟测量点位的平面坐标(l/2,ya)，再根据大车运行速度、激光扫描仪单一点位工作时间计算出大车轨迹和激光扫描仪转动轨迹；将大车运行轨迹和激光扫描仪转动轨迹命令发送给控制面板；第二次数据采集时，所述激光扫描仪起始位置位于所述钢渣料场长度方向一侧的正中间；

步骤s5-3，收集获取第二次任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)，此时，由y轴编码器获得天车系统的大车位移y天车，水平夹角编码器获得传感器与x轴夹角激光扫描仪测距sa′，则按照ya′＝y天车，计算任一数据测量点位的三维坐标(xa′,ya′,za′)；

步骤s5-4，数据合成；方法是：当任一点的za′大于za时；将(xa,ya,za)的数据替换为(xa′,ya′,za′)；

将获得的浓密测量点的点位三维坐标(xa′,ya′,za′)存入数据存储器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。