基于三維點(diǎn)云的散料料堆實(shí)時(shí)體積和堆頂位置計(jì)算

介紹了一種基于激光掃描儀技術(shù)的方法，用于實(shí)時(shí)測(cè)量散料料堆的體積和確定其堆頂位置。該方法通過(guò)在散料堆場(chǎng)內(nèi)的斗輪堆取料機(jī)的懸臂架前端設(shè)置激光掃描儀，實(shí)時(shí)采集散料堆場(chǎng)表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，僅依賴(lài)于激光掃描儀采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無(wú)須額外的輔助設(shè)備，具備高度自動(dòng)化和精確性，適用范圍廣泛，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)散料料堆的狀態(tài)和體積，具有廣泛應(yīng)用于散料料堆管理和控制領(lǐng)域的潛力。0、引言散料堆場(chǎng)廣泛存在于水泥廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)、散貨碼頭、發(fā)電廠(chǎng)、化工廠(chǎng)等大型工廠(chǎng)，其占地面積較大，給管理和監(jiān)控料場(chǎng)帶來(lái)不小挑戰(zhàn)。目前，應(yīng)用于我國(guó)的散料料場(chǎng)管理的測(cè)量系統(tǒng)主要有皮帶秤直接稱(chēng)重方法和基于光學(xué)測(cè)量的盤(pán)料儀方法。皮帶秤直接稱(chēng)重方法在大型料場(chǎng)管理中存在效率低、有誤差漂移、需要大量的周轉(zhuǎn)場(chǎng)地等缺點(diǎn)，造成皮帶秤并不能滿(mǎn)足大型料場(chǎng)的實(shí)時(shí)管理的需求；基于光學(xué)測(cè)量的盤(pán)料儀方法只能測(cè)量固定區(qū)域的料堆，存在掃描盲區(qū)，容易造成料場(chǎng)實(shí)時(shí)管理的偏差。1、項(xiàng)目背景為了實(shí)現(xiàn)散料堆場(chǎng)的自動(dòng)化改造，唐山分公司二廠(chǎng)采用了如圖1所示架構(gòu)的堆場(chǎng)智能管控系統(tǒng)。其中三維激光掃描儀是為了獲取各個(gè)散料堆的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)庫(kù)區(qū)邊界、高度和體積的精準(zhǔn)計(jì)算。其中，邊界和高度存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，由自動(dòng)堆取料模型調(diào)用，主要用來(lái)計(jì)算取料時(shí)的起止點(diǎn)和耙車(chē)的角度；體積數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，由前臺(tái)數(shù)字孿生程序讀取并展示，從而直觀(guān)地顯示每個(gè)庫(kù)區(qū)的庫(kù)存量。圖1取料機(jī)智能管控系統(tǒng)改造系統(tǒng)架構(gòu)所以，本項(xiàng)目采用基于三維點(diǎn)云的散料料堆實(shí)時(shí)體積和堆頂位置計(jì)算方法對(duì)原料堆場(chǎng)智能管控系統(tǒng)改造具有重大意義。該方法主要分為三項(xiàng)內(nèi)容：三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、堆場(chǎng)信息計(jì)算以及堆場(chǎng)信息展示。2、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取為了采集散料料堆表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目采用Quanergy公司的M8型號(hào)的三維激光掃描儀作為數(shù)據(jù)采集工具。2.1安裝位置通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況和工藝流程的分析，為了能夠準(zhǔn)確獲取堆場(chǎng)的最新數(shù)據(jù)，同時(shí)減小后期處理數(shù)據(jù)的難度，本項(xiàng)目選擇將掃描儀安裝在堆料機(jī)的懸臂上，安裝角度與懸臂垂直，如圖2所示。圖2三維激光掃描儀安裝示意這樣的安裝方式既可以保證在三維掃描儀的掃描范圍內(nèi)將堆場(chǎng)的料堆信息掃描完全，也可以減小取料機(jī)等非料堆信息對(duì)三維掃描數(shù)據(jù)的干擾。掃描儀的具體安裝效果如圖3所示。2.2數(shù)據(jù)采集與處理堆場(chǎng)中堆料機(jī)正常運(yùn)行是在東西走向水平按照設(shè)定的速度勻速移動(dòng)，在堆料的過(guò)程中，掃描儀同時(shí)掃描料堆的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，服務(wù)器上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理存儲(chǔ)到MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖3三維激光掃描儀安裝效果其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括兩部分：重采樣和坐標(biāo)變換。重采樣是為了在不損失采集精度的條件下降低存儲(chǔ)體積，從而減小服務(wù)器內(nèi)存的壓力；同時(shí)建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定期刪除機(jī)制，定期刪除自定義時(shí)間之前的數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器穩(wěn)定運(yùn)行。坐標(biāo)變換則是由于初始從掃描儀中獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)都是根據(jù)堆料機(jī)位置得到的相對(duì)坐標(biāo)，為了便于計(jì)算和整理整個(gè)堆場(chǎng)的位置信息，需要將所有的相對(duì)坐標(biāo)統(tǒng)一到以堆場(chǎng)的邊角作為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下，從而使獲得的數(shù)據(jù)都是統(tǒng)一的絕對(duì)坐標(biāo)。在坐標(biāo)變換中，主要包含平移變換和旋轉(zhuǎn)變換兩個(gè)操作。3、堆場(chǎng)信息計(jì)算在得到堆場(chǎng)完整點(diǎn)云信息的條件下，可以通過(guò)先拼接后計(jì)算的方法得到每一種堆形的邊界、體積以及堆頂位置。3.1計(jì)算流程首先，將預(yù)處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接：基于點(diǎn)云局部特征匹配的方法對(duì)所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，通過(guò)找到重疊的特征點(diǎn)為基準(zhǔn)，將有重疊區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加起來(lái)，來(lái)完成點(diǎn)云拼接操作，以獲得散料堆場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，將拼接完成后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云分割：通過(guò)預(yù)設(shè)定坐標(biāo)區(qū)間對(duì)拼接處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，分別保留對(duì)應(yīng)各料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。之后再將對(duì)應(yīng)各料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化處理：基于濾波的方式，將所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)迭代的過(guò)程來(lái)對(duì)噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)進(jìn)行魯棒性評(píng)估，通過(guò)所述評(píng)價(jià)結(jié)果去除所述噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)，從而得到符合精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)子集。最后在符合精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上計(jì)算每個(gè)庫(kù)區(qū)的邊界、體積以及堆頂位置。堆場(chǎng)信息計(jì)算的流程圖如圖4所示。圖4堆場(chǎng)信息計(jì)算流程示意3.2邊界和體積計(jì)算首先將細(xì)化處理后的各料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)：構(gòu)建一個(gè)含有所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)的最小凸多邊形，從凸殼的中央選擇任意一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將該數(shù)據(jù)點(diǎn)與凸殼中的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)連接，形成一個(gè)三角形網(wǎng)，根據(jù)建立網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)，將剩余的數(shù)據(jù)點(diǎn)依次插入，如此循環(huán)往復(fù)，直至所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都已經(jīng)加入到了三角網(wǎng)的建立當(dāng)中。然后計(jì)算三角形網(wǎng)格模型X、Y、Z方向的最大最小值，即為符合實(shí)際要求的邊界值。最后，通過(guò)對(duì)各料堆的三角形網(wǎng)格模型進(jìn)行體積計(jì)算：用一種增量式的方法來(lái)計(jì)算所述各料堆的三角形網(wǎng)格模型的凸包，并將其分解為上、下兩個(gè)三角形網(wǎng)格，再用正投影方法來(lái)計(jì)算兩個(gè)三角形網(wǎng)格的投影體積，將這兩個(gè)投影體積相減即為所述各料堆的體積。3.3堆頂位置計(jì)算首先將細(xì)化處理后的各料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間劃分，即將細(xì)化處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到同坐標(biāo)系下的XOY平面上，獲取二維點(diǎn)的坐標(biāo)；然后對(duì)所述二維點(diǎn)的X坐標(biāo)按照定值劃分區(qū)間；最后遍歷區(qū)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)，找到Y(jié)最大的數(shù)據(jù)，即為區(qū)間最高點(diǎn)，即堆頂位置。4、堆場(chǎng)信息展示為了方便自動(dòng)堆取料模型和前臺(tái)展示程序的調(diào)用，需要先將計(jì)算好的數(shù)據(jù)存入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。然后前臺(tái)讀取并顯示。4.1Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)如圖5所示，將計(jì)算好的數(shù)據(jù)存入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中，前兩列分別表示數(shù)據(jù)的更新時(shí)間和堆號(hào)。X_I和X_O分別表示當(dāng)前堆的東西走向的邊界，即X方向的邊界。X_L和X_H分別表示當(dāng)前堆南北走向的邊界，即Y方向的邊界。VOL表示當(dāng)前堆計(jì)算的體積。HIGH_V表示當(dāng)前堆計(jì)算的高度。圖5Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)4.2前臺(tái)展示效果前臺(tái)界面主要使用了Unity對(duì)堆場(chǎng)的各個(gè)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行建模，然后根據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的參數(shù)修改模型的參數(shù)。實(shí)際效果如圖6所示。圖6前臺(tái)展示效果圖5、結(jié)束語(yǔ)本文闡述了一種基于三維點(diǎn)云計(jì)算散料料堆的實(shí)時(shí)體積和堆頂位置的方法，