基于三维激光扫描的料场物料的建模方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法，利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；对第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；对第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；对第二点云数据中的空白区域进行填充获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；根据第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模。本发明专利技术还公开了基于三维激光扫描的料场物料建模系统。通过将三维激光扫描固定安装在料场上方，实现了全方位无死角快速扫描建模，数据真实准确。

Modeling Method and System of Material in Material Yard Based on Three-dimensional Laser Scanning

【技术实现步骤摘要】
基于三维激光扫描的料场物料的建模方法及系统
本专利技术属于三维激光扫描
,具体涉及一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法及系统。
技术介绍
发电企业的堆煤料场是存放各种煤炭燃料的场地，为锅炉燃烧提供重要的储存功能。现有技术中依靠大型机械行走带动扫描仪分段扫描料场，并对扫描后的图像进行建模拼接，然而这种方法在作业前是不能获知现场物料的堆体情况的，必须将大臂抬升到最高位置，并从堆体区域最边缘位置开始运转，并逐段地运行，即机械只扫描料场物料图像，但机械没有进行堆料或取料的实际作业，使机械发生空跑，因此这种方法的作业效率低，损耗严重。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法及系统，本专利技术利用固定在料场上方的一台或多台三维激光扫描仪实时地对料场物料进行快速扫描，并根据获得的料场点云数据及参考特征点对料场进行三维建模。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法，所述建模方法包括以下步骤：扫描步骤：利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；清洗步骤：对所述第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；拼接步骤：对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；去除步骤：在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；填充步骤：利用三线性插值算法或生长算法对第二点云数据中的空白区域进行点云填充以获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；建模步骤：根据所述第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模。进一步的，在扫描步骤之前还包括建立坐标系步骤：建立料场的空间三维坐标系，将料场的空间三维坐标系的空间分隔为多个立方体网格；其中，三维激光扫描仪每次扫描的区域都对应空间三维坐标系内的一组立方体网格；以及所述清洗步骤还包括：在所述料场的空间三维坐标系中并基于高斯分布的方法检测出第一点云数据中的离群点，并将该离群点从第一点云数据中去除，得到所述第二点云数据。进一步的，所述拼接步骤包括：将所述第二点云数据放入对应的立方体网格，对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据。进一步的，所述去除步骤获取料臂的点云数据包括：对于物料的落料堆积面上的每个第一点N0(x1,y1,z1)，寻找目标点N1(x1,y1,z2)，该目标点N1应满足点N1与原点O的距离d超过预设距离并且z2-z1是否大于预设高度差；获取N1点与x轴的夹角α1：其中，x0、y0是原点O的坐标值；判断α1是否小于预设角度，若α1小于预设角度，则将该点N1作为料臂上的点云数据；若α1不小于预设角度，则寻找下一个目标点。进一步的，所述填充步骤包括以下子步骤：统计每个立方体网格内部包含的第二点云数据的数据点数量，若数据点数量＝1，则直接获得立方体网格的唯一数据点的坐标；若数据点数量>1，则通过反距离权重法获得立方体网格的多个数据点的坐标；若数据点数量＝0，则将该立方体网格加入空白序列数组中，形成第二点云数据中的空白区域；进一步的，所述填充步骤还包括：对于数据点数量>1或＝1的立方体网格，根据该立方体网格内的所述数据点的坐标获得对应的局部表面法向量；根据所述局部表面法向量获取所述数据点的法向量变化值；根据所述数据点的法向量变化值的大小进行排序；获取数据点的法向量变化值中的最小值所对应的数据点，并将该数据点作为起始种子点P；基于所述起始种子点P，对空白区域进行填充。进一步的，所述基于所述起始种子点P对空白区域进行填充是通过三线性插值算法实现的。进一步的，所述基于所述起始种子点P对空白区域进行填充包括以下子步骤：对于每一个空白区域,获取与其相邻的数据量＞1或＝1的立方体网格中的数据点的法向量与起始种子点P的法向量之间的夹角，若该夹角小于预设的平滑阀值，则将所述起始种子点P加入到所述空白区域；执行以上步骤，直到所有的空白区域均被填充，从而获得填充点云数据。第二方面，本专利技术实施例提供了一种基于三维激光扫描的料场物料的建模系统，所述建模系统包括三维激光扫描仪、清洗模块、拼接模块、去除模块、填充模块和建模模块；利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；所述清洗模块用于对所述第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；所述拼接模块用于对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；所述三维激光扫描仪在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，所述去除模块用于从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；所述填充模块用于利用三线性插值算法或生长算法对第二点云数据中的空白区域进行点云填充以获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；所述建模模块用于根据所述第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模。进一步的，所述去除模块执行以下操作：对于物料的落料堆积面上的每个第一点N0(x1,y1,z1)，寻找目标点N1(x1,y1,z2)，该目标点N1应满足点N1与原点O的距离d超过预设距离并且z2-z1是否大于预设高度差；获取N1点与x轴的夹角α1：其中，x0、y0是原点O的坐标值；判断α1是否小于预设角度，若α1小于预设角度，则将该点N1作为料臂上的点云数据；若α1不小于预设角度，则寻找下一个目标点。进一步的，所述填充模块执行以下操作；统计每个立方体网格内部包含的第二点云数据的数据点数量，若数据点数量＝1，则直接获得立方体网格的唯一数据点的坐标；若数据点数量>1，则通过反距离权重法获得立方体网格的多个数据点的坐标；若数据点数量＝0，则将该立方体网格加入空白序列数组中，形成第二点云数据中的空白区域；对于数据点数量>1或＝1的立方体网格，根据该立方体网格内的所述数据点的坐标获得对应的局部表面法向量；根据所述局部表面法向量获取所述数据点的法向量变化值；根据所述数据点的法向量变化值的大小进行排序；获取数据点的法向量变化值中的最小值所对应的数据点，并将该数据点作为起始种子点P；基于所述起始种子点P，对空白区域进行填充。本专利技术的有益效果是：(1)通过将三维激光扫描固定安装在料场上方，实现了全方位无死角快速扫描建模，数据真实准确，扫描期间不需要大型机械配合运行、移动，即可实现高精度扫描，同时也提升了扫描的工作效率。(2)本专利技术根据物料的落料堆积面上的任意一点与原点的夹角判断落料堆积面上的数据是否为料臂的点云数据，并将该料臂的点云数据从拼接后的点云数据中去除，可以免除料臂上的点云数据对最终获得的料场点云数据的干扰；(3)根据立方体网格中的数据点数量获得清洗后的点云的局部表面法向量和法向量的变化值，并利用三线性插值算法或生长算法对清洗后的点云中的空白区域进行填充，使最终获得的点云数据完善，不会留有空白区域，从而使最终获得的料场的三维模型更加准确，通过三维扫描成像后的数据可以更加精确地控制堆、取料机，使堆、取料机的作业臂直接接触到作业面，而无需堆、取料机发生“空跑”。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于三维激光扫描的料场物料的建模系统的示意图。具体实施方式下面结合附图所示的各实施方式对本专利技术进行详本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法，其特征在于：所述建模方法包括以下步骤：扫描步骤：利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；清洗步骤：对所述第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；拼接步骤：对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；去除步骤：在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；填充步骤：利用三线性插值算法或生长算法对第二点云数据中的空白区域进行点云填充以获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；建模步骤：根据所述第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描的料场物料的建模方法，其特征在于：所述建模方法包括以下步骤：扫描步骤：利用固定安装在料场上方的三维激光扫描仪对料场物料进行扫描形成第一点云数据；清洗步骤：对所述第一点云数据进行清洗形成第二点云数据；拼接步骤：对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据；去除步骤：在物料的落料堆积面上获取料臂的点云数据，从第三点云数据中去除料臂的点云数据得到第四点云数据；填充步骤：利用三线性插值算法或生长算法对第二点云数据中的空白区域进行点云填充以获得填充点云数据，将第四点云数据与填充点云数据合并获得第五点云数据；建模步骤：根据所述第五点云数据及预设的参考特征点对料场物料进行三维建模。2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：在扫描步骤之前还包括建立坐标系步骤：建立料场的空间三维坐标系，将料场的空间三维坐标系的空间分隔为多个立方体网格；其中，三维激光扫描仪每次扫描的区域都对应空间三维坐标系内的一组立方体网格；以及所述清洗步骤还包括：在所述料场的空间三维坐标系中并基于高斯分布的方法检测出第一点云数据中的离群点，并将该离群点从第一点云数据中去除，得到所述第二点云数据。3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述拼接步骤包括：将所述第二点云数据放入对应的立方体网格，对所述第二点云数据进行拼接获得第三点云数据。4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述去除步骤获取料臂的点云数据包括：对于物料的落料堆积面上的每个第一点N0(x1,y1,z1)，寻找目标点N1(x1,y1,z2)，该目标点N1应满足点N1与原点O的距离d超过预设距离并且z2-z1是否大于预设高度差；获取N1点与x轴的夹角α1：其中，x0、y0是原点O的坐标值；判断α1是否小于预设角度，若α1小于预设角度，则将该点N1作为料臂上的点云数据；若α1不小于预设角度，则寻找下一个目标点。5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述填充步骤包括以下子步骤：统计每个立方体网格内部包含的第二点云数据的数据点数量，若数据点数量＝1，则直接获得立方体网格的唯一数据点的坐标；若数据点数量>1，则通过反距离权重法获得立方体网格的多个数据点的坐标；若数据点数量＝0，则将该立方体网格加入空白序列数组中，形成第二点云数据中的空白区域；进一步的，所述填充步骤还包括：对于数据点数量>1或＝1的立方体网格，根据该立方体网格内的所述数据点的坐标获得对应的局部表面法向量；根据所述局部表面法向量获取所述数据点的法向量变化值；根据所述数据点的法向量变化值的大小进行排序；获取数据点的法向量变化值中的最小值所对应的数据点，并将该数据点作为起始种子点P；基于所述起始种子点P，对空白区域进...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥伍，陈迟，
申请(专利权)人：北京中盛博方环保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11