一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法技术

本发明专利技术涉及堆料体积测量技术领域，具体公开了一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，包括：步骤S1：数据准备，利用激光雷达对堆料场进行三维扫描，保留轮廓整体形貌，旋转变换得到的堆料点云数据；步骤S2：轮廓处理，在轮廓点云的上方生成一个由粒子组成的平面网，粒子在重力的作用下往下落并被轮廓的点云托住，最终堆料的表面轮廓由其上方落下的粒子网来代替；步骤S3：体积计算，堆料完整的粒子网表面生成后，根据粒子对应的料堆高度，根据粒子覆盖区域的面积乘以粒子的高度计算出体积，所有体积相加则为堆料体积。本发明专利技术的目的在于解决传统的体积测算在轮廓缺失部分表面，轮廓拟合有误差，从而最后计算的堆料体积具有误差的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法


[0001]本申请涉及堆料体积测量
，具体公开了一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法。

技术介绍

[0002]随着电力需求的快速增长，煤矿、电厂等在煤炭开采和运输过程中形成了大量的煤堆，往往占用大量空间。建筑业需要大量的沙子，在港口和砂矿会有大量的沙子堆积。在粮仓或货运站也会堆放大豆、大米等粮堆。对煤堆、沙丘、粮堆、集装箱等物料堆进行定量测量是科学储存、运输管理和作业过程中安全库存维护的关键。
[0003]在堆料体积的测量上，现在激光雷达已经是一种常用的传感器，固定悬挂式激光雷达，滑轨式激光雷达装置都能对堆料表面进行扫描，但实际应用场景中，堆料常是高低不平的不规则表面，如果高的堆料对低的堆料有遮挡或者堆料有一部分凹陷进行，则堆料表面将扫不完整，往往表面轮廓的点云会有部分缺失。
[0004]对这种有缺陷的表面轮廓点云的体积测算，目前常用的方法是对该缺失部分结合附近探测点云进行插值拟合，如已授权中国专利技术专利中，公开号为CN111429504A的一种基于三维点云的物料堆自动提取和体积测量方法及系统，该专利基于附近探测点云进行三角面片的拟合，在拟合的基础上进行整体的体积测算，由于这些拟合往往类似于线性的插值拟合，但实际上堆料的表面形状是在重力和堆料内部间的摩擦力作用下形成的三维曲面，如果缺失部分表面轮廓拟合有误差，则最后计算的堆料体积也将有一定的误差，因此，专利技术人有鉴于此，提供了一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，以便解决上述问题。/>
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决传统的体积测算在轮廓缺失部分表面，轮廓拟合有误差，从而最后计算的堆料体积具有误差的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的基础方案提供一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，包括以下步骤：步骤S1：数据准备，利用激光雷达对堆料场进行三维扫描，保留轮廓整体形貌，旋转变换得到的堆料点云数据；步骤S2：轮廓处理，在轮廓点云的上方生成一个由粒子组成的平面网，粒子在重力的作用下往下落并被轮廓的点云托住，最终堆料的表面轮廓由其上方落下的粒子网来代替；步骤S3：体积计算，堆料完整的粒子网表面生成后，根据粒子对应的料堆高度，根据粒子覆盖区域的面积乘以粒子的高度计算出体积，所有体积相加则为堆料体积；其中：步骤S01：在步骤S1中，三维扫描得到点云数据，在保留轮廓整体形貌同时降低点云的数目；
步骤S02：在步骤S2中，每个粒子与周围最近的八个粒子有相互作用的牵引力，如果某部位轮廓缺失，此时周围八个粒子会有相互作用的牵引力拉住该粒子，阻止其下落。
[0007]进一步，在步骤S01中，首先对整个点云数据进行体素划分，并划分成一个个一定大小的体素，然后对每个体素立方体内的多个点求中心点。
[0008]进一步，所述多个体素立方体的中心点形成堆场地面的堆料轮廓点云P
c
，并对堆料轮廓点云P
c
做旋转变换处理：步骤Z1：对堆场地面点云进行粗提取，将堆料轮廓点云P
c
的数据按Z轴判断在
‑
H
±
d之间的点云为初始地面点云P
g
，H一般为传感器距离地面的高度，d为0.3m的经验值；步骤Z2：利用随机采样一致性方法对地面点云P
g
求拟合平面Ax+By+z=C；步骤Z3：求出A，B，C，得到拟合平面S，然后遍历地面点云P
g
所有点到平面S的距离，统计平面S内点的数目n，内点数n最多的那个平面S（Ax+By+z=C）即为拟合度最好的平面；步骤Z4：对步骤Z3中拟合度最好的平面进行旋转，使其跟地平面平行，利用两个平面平行的两个平面法向量平行，对降采样后的堆料轮廓点云P
c
按T进行旋转变换，使堆料场地面与z轴为0的水平面平行，得到新的堆料轮廓点云P
t
。
[0009]进一步，在步骤Z3中，首先取地面点云P
g
中的任意三个点：P
g1
（P
g1x
，P
g1y
，P
g1z
）、P
g2
（P
g2x
，P
g2y
，P
g2z
）、P
g3
（P
g3x
，P
g3y
，P
g3z
），建立三元一次方程求出A，B，C，遍历地面点云P
g
所有点到平面S的距离d
i
，如果，则该点为平面S的内点，统计平面S内点的数目n，然后重新在P
g
内取三个点进行平面求取和内点统计的迭代，经过一定的迭代次数后，得到区域内点数n最多平面S。
[0010]进一步，在步骤Z4中，通过平面S的法向量n
s
，地平面法向量为n
g
，此时得到整个旋转变换矩阵T(R
│
Rt)，其中。
[0011]进一步，在步骤S2中：步骤X1：对处理后的点云P
t
进行遍历，同时分析点云P
t
中属于g
(i，j)
所在网格的点云P
t(i，j)
的Z方向的均值，将g
(i，j)
的点云高度，如果P
t(i，j)
为空，则g
(i，j)
‑
p
=0，此时在点云P
t
上方z
max
处生成了一张有粒子组成的粒子网；步骤X2：为粒子设定竖直向下的加速度a(0,0,
‑
f)，f一般为0.5，同时为每个粒子设定临近关系点簇；步骤X3：设定一个值不大于0.5的时间步长t
step
，竖直向下的加速度a作用下，求出每个粒子g
(i，j)
位置发生了变化；步骤X4：判断每个粒子高度g
(i，j)z
与该粒子对应的点云高度g
(i，j)
‑
p
的大小，如果g
(i，j)z
大于g
(i，j)
‑
p
，则该粒子g
(i，j)
为可移动粒子，否则该粒子为不可移动粒子；步骤X5：每个粒子在临近点簇拉扯作用下发生位移，粒子g
(i，j)
为例，遍历其临近关系点簇C
(i,j)
，如g
(i+1，j)
，首先计算g
(i，j)
与g
(i+1，j)
的高度差，然后判断g
(i，j)
与g
(i+1，j)
是否为可移动粒子；其中步骤X3、步骤X4、步骤X5运行一次算一次迭代，迭代一定次数n自行终止，每次统计经过一次迭代后所有粒子z轴的位移量的最小值d
zmin
，如果d
zmin
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：数据准备，利用激光雷达对堆料场进行三维扫描，保留轮廓整体形貌，旋转变换得到的堆料点云数据；步骤S2：轮廓处理，在轮廓点云的上方生成一个由粒子组成的平面网，粒子在重力的作用下往下落并被轮廓的点云托住，最终堆料的表面轮廓由其上方落下的粒子网来代替；步骤S3：体积计算，堆料完整的粒子网表面生成后，根据粒子对应的料堆高度，根据粒子覆盖区域的面积乘以粒子的高度计算出体积，所有体积相加则为堆料体积；其中：步骤S01：在步骤S1中，三维扫描得到点云数据，在保留轮廓整体形貌同时降低点云的数目；步骤S02：在步骤S2中，每个粒子与周围最近的八个粒子有相互作用的牵引力，如果某部位轮廓缺失，此时周围八个粒子会有相互作用的牵引力拉住该粒子，阻止其下落。2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，其特征在于，在步骤S01中，首先对整个点云数据进行体素划分，并划分成一个个一定大小的体素，然后对每个体素立方体内的多个点求中心点。3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，其特征在于，所述多个体素立方体的中心点形成堆场地面的堆料轮廓点云P
c
，并对堆料轮廓点云P
c
做旋转变换处理：步骤Z1：对堆场地面点云进行粗提取，将堆料轮廓点云P
c
的数据按Z轴判断在
‑
H
±
d之间的点云为初始地面点云P
g
，H一般为传感器距离地面的高度，d为0.3m的经验值；步骤Z2：利用随机采样一致性方法对地面点云P
g
求拟合平面Ax+By+z=C；步骤Z3：求出A，B，C，得到拟合平面S，然后遍历地面点云P
g
所有点到平面S的距离，统计平面S内点的数目n，内点数n最多的那个平面S即为拟合度最好的平面；步骤Z4：对步骤Z3中拟合度最好的平面进行旋转，使其跟地平面平行，利用两个平面平行的两个平面法向量平行，对降采样后的堆料轮廓点云P
c
按T进行旋转变换，使堆料场地面与z轴为0的水平面平行，得到新的堆料轮廓点云P
t
。4.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，其特征在于，在步骤Z3中，首先取地面点云P
g
中的任意三个点：P
g1
（P
g1x
，P
g1y
，P
g1z
）、P
g2
（P
g2x
，P
g2y
，P
g2z
）、P
g3
（P
g3x
，P
g3y
，P
g3z
），建立三元一次方程求出A，B，C，遍历地面点云P
g
所有点到平面S的距离d
i
，如果，则该点为平面S的内点，统计平面S内点的数目n，然后重新在P
g
内取三个点进行平面求取和内点统计的迭代，经过一定的迭代次数后，得到区域内点数n最多平面S。5.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达点云数据的堆料体积测量方法，其特征在于，在步骤Z4中，通过平面S的法向量n
s
，地平面法向量为...

【专利技术属性】
技术研发人员：文驰，李攀，
申请(专利权)人：长沙空维激光技术服务有限公司，
类型：发明
国别省市：