一种原料场三维扫描系统及方法技术方案

本发明专利技术属于工业自动控制技术领域，提出了一种原料场三维扫描系统及方法，包括：激光雷达扫描仪、安装支架、工控机、全站仪和堆取料机；在堆取料机的大臂前端斗轮两侧通过安装支架分别安装所述激光雷达扫描仪，激光雷达扫描仪用于在堆取料机不同姿态下，对原料场进行扫描；全站仪用于获取激光雷达扫描仪上标记点A1、A2和A3和堆取料机上的标记点A4在全局坐标系下的坐标；工控机用于对标记点A1、A2和A3的三维位置数据、堆取料机的姿态数据以及标记点A4的坐标数据进行处理，建立坐标转换数学模型。本发明专利技术设计了激光扫描仪坐标实时转化处理的方法，为堆取料无人值守作业以及原料场三维重建提供原始数据支撑。重建提供原始数据支撑。重建提供原始数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种原料场三维扫描系统及方法


[0001]本专利技术属于工业自动控制
，尤其涉及一种原料场三维扫描系统及方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]原料场是原燃料储存、转运的中心，是钢铁企业生产作业正常运转的第一道保障工序。
[0004]原料场内粉尘较大，作业环境恶劣，一方面对现场操作人员身心健康极为不利；另一方面，因粉尘遮挡使得视线受限，堆取料作业过程中极易出现安全事故。且生产现场作业劳动强度较大，对现场操作人员极为不友好。
[0005]随着视觉硬件技术的发展，激光扫描仪因其扫描距离远等优点而被广泛应用于工业现场。为将操作人员从生产现场解放出来，激光扫描仪被引入原料场生产现场，通过三维扫描重建实现远程无人值守作业和可视化管理。而激光扫描装置及系统的设计及实现成为原料场智能化实现的关键。

技术实现思路

[0006]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种原料场三维扫描系统及方法，结合原料场内堆取料作业工艺，对激光扫描仪安装位置进行论证，专利技术设计了激光扫描仪安装支架；专利技术设计了云端边架构，边缘计算、云端存储、操作端查看；专利技术设计了激光扫描仪坐标实时转化处理的方法，为堆取料无人值守作业以及原料场三维重建提供原始数据支撑。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
[0008]本专利技术第一方面提供了一种原料场三维扫描系统，包括：激光雷达扫描仪、安装支架、工控机、全站仪和堆取料机；
[0009]在所述堆取料机的大臂前端斗轮两侧通过安装支架分别安装所述激光雷达扫描仪，并且激光雷达扫描仪的安装高度高于斗轮中心；所述激光雷达扫描仪用于在堆取料机不同姿态下，对原料场进行扫描，获取激光雷达扫描仪的原始扫描点云数据在激光雷达扫描仪测量坐标系中的三维位置数据；
[0010]在原料场上架设全站仪，所述全站仪用于获取激光雷达扫描仪本体上标记点A1、A2和A3以及堆取料机上的标记点A4在全局坐标系下的坐标；
[0011]所述工控机安装在堆取料机本体上，与激光雷达扫描仪以及全站仪通信连接，所述工控机用于对标记点A1、A2和A3的坐标数据、堆取料机的姿态数据以及标记点A4的坐标数据进行处理，建立坐标转换数学模型，将激光雷达扫描仪的扫描点云数据统一到全局固定坐标系中。
[0012]本专利技术第二方面提供了一种原料场三维扫描方法，包括：在堆取料机每改变一次
姿态后，利用激光雷达扫描仪对原料场进行一次扫描，获得在激光雷达扫描仪测量坐标系下的原料场的点云数据；
[0013]在激光雷达扫描仪本体上选取标记点A1、A2和A3，在堆取料机的大臂按照设定规则每改变一次姿态后，利用全站仪获取标记点A1、A2和A3在不同姿态下的三维位置数据；
[0014]分别利用标记点A1、A2和A3在不同姿态下的三维位置数据拟合出三个球面，利用最小二乘法对拟合出的球面方程进行求解，计算出每个球面的球心坐标和球半径；
[0015]改变堆取料机在x轴方向的位置，获取堆取料机在任意坐标位置下每个球面对应的球心坐标；
[0016]根据堆取料机的姿态数据以及球心坐标和球半径，计算得到全局坐标系下的标记点A1、A2和A3的坐标。
[0017]以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0018](1)本专利技术设计了激光扫描仪坐标实时转化处理的方法，为堆取料无人值守作业以及原料场三维重建提供原始数据支撑。
[0019](2)本专利技术采用云边端的结构。在堆取料机上部署一台工控机，进行边缘计算，可在生产现场实时对扫描的料堆点云数据进行处理，并根据实际作业需求调用不同策略，实现设备控制。在边缘计算端将处理后的点云数据直接上传到中央服务器，以减轻数据传输的负担以及中央服务器处理的压力。在集控中心设计操作端，可视化展示给操作用户。此种架构设计，系统负载更为合理，实时性更强，且系统安全保障也大大加强。
[0020](3)本专利技术设计了激光扫描仪安装支架，利用安装支架将激光雷达扫描仪安装在堆取料机大臂前端斗轮两侧，使得激光扫描仪安装高度高于斗轮中心，保证取料过程中实时扫描的完整性。
[0021]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0022]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0023]图1为第一个实施例的一种原料场三维扫描系统结构图。
[0024]图2为第一个实施例的安装支架结构图。
[0025]图3为第一个实施例的激光雷达测量坐标系示意图。
[0026]其中，1、延伸杆、2、固定杆、3、斜杆、4、横杆、5立杆。
具体实施方式
[0027]实施例一
[0028]如图1所示，本实施例公开了一种原料场三维扫描系统，包括：激光雷达扫描仪、位姿检测传感器、安装支架、工控机、全站仪、堆取料机、中央服务器和操作端；
[0029]在堆取料机的大臂前端斗轮两侧通过安装支架分别安装激光雷达扫描仪，并且激光雷达扫描仪的安装高度高于斗轮中心；
[0030]如图2所示，安装支架包括，延伸杆1、固定杆2、斜杆3、横杆4和立杆5，激光雷达扫
描仪采用螺栓连接固定在激光扫描仪安装支架前端的固定杆2上。安装支架中立杆5的底部通过焊接固定在堆取料机大臂前端，固定位置与斗轮中心水平距离控制在1m以内，以保证堆取料作业过程中激光雷达扫描仪能够实时扫描堆取料作业区域。
[0031]激光雷达扫描仪用于在堆取料机不同姿态下，对原料场进行扫描，获得激光雷达扫描仪的扫描的原始点云数据在激光雷达扫描仪测量坐标系中的三维位置数据；
[0032]激光雷达扫描仪工作时，随堆取料机运动实现扫描。在不同的时刻，堆取料机位姿的变化导致激光雷达扫描仪位姿发生变化，因此要在任意时刻下，采集堆取料机位姿变化状态，对激光雷达扫描仪的原始扫描数据实时转化，统一到全局固定坐标系中；
[0033]其中，以激光雷达扫描仪选取标记点的平面为XOZ平面，垂直于此平面向下为Y轴，建立所述激光雷达扫描仪测量坐标系。
[0034]在原料场上架设全站仪，全站仪用于获取激光雷达扫描仪本体上标记点A1、A2和A3以及堆取料机上的标记点A4在全局坐标系下的坐标；
[0035]工控机安装在堆取料机本体上，与激光雷达扫描仪以及全站仪通信连接，工控机用于对标记点A1、A2和A3的坐标数据、堆取料机的姿态数据以及标记点A4的坐标数据进行处理，建立坐标转换数学模型，将激光雷达扫描仪的扫描点云数据统一到全局固定坐标系中；
[0036]其中，堆取料机的姿态数据可利用位姿检测传感器获取。
[0037]工控机将处理后的点云数据直接上传到中央服务器，中央服务器用于基于处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原料场三维扫描系统，其特征在于，包括：激光雷达扫描仪、安装支架、工控机、全站仪和堆取料机；在所述堆取料机的大臂前端斗轮两侧通过安装支架分别安装所述激光雷达扫描仪，并且激光雷达扫描仪的安装高度高于斗轮中心；所述激光雷达扫描仪用于在堆取料机不同姿态下，对原料场进行扫描，获取激光雷达扫描仪的原始扫描点云数据在激光雷达扫描仪测量坐标系中的三维位置数据；在原料场上架设全站仪，所述全站仪用于获取激光雷达扫描仪本体上标记点A1、A2和A3以及堆取料机上的标记点A4在全局坐标系下的坐标；所述工控机安装在堆取料机本体上，与激光雷达扫描仪以及全站仪通信连接，所述工控机用于对标记点A1、A2和A3的坐标数据、堆取料机的姿态数据以及标记点A4的坐标数据进行处理，建立坐标转换数学模型，将激光雷达扫描仪的扫描点云数据统一到全局固定坐标系中。2.如权利要求1所述的一种原料场三维扫描系统，其特征在于，还包括中央服务器和操作端；所述工控机将处理后的点云数据直接上传到中央服务器，所述中央服务器用于基于处理后的点云数据对原料场进行三维建模；所述操作端与中央服务器通信连接，用于将原料场三维模型可视化展示给操作用户。3.如权利要求1所述的一种原料场三维扫描系统，其特征在于，全站仪获取激光雷达扫描仪本体上标记点A1、A2和A3在全局坐标系下的坐标，包括：堆取料机在走行位置100m处，堆取料机的大臂俯仰至3
°
，回转范围从
‑
90
°
至90
°
，在堆取料机的大臂每间隔5
°
回转一次后，利用全站仪测量一次标记点A1、A2和A3坐标位置并记录；仍保持堆取料机走行位置100m处，回转至45
°
，俯仰范围从
‑5°
至5
°
，在堆取料机的大臂每间隔1
°
俯仰一次后，测量一次标记点A1、A2和A3坐标位置并记录。4.如权利要求1所述的一种原料场三维扫描系统，其特征在于，对标记点A1、A2和A3的坐标数据进行处理，包括：分别利用标记点A1、A2和A3的坐标数据以及球面方程拟合出三个球面；利用最小二乘法分别求解得到每个球面的球心坐标。5.如权利要求4所述的一种原料场三维扫描系统，其特征在于，对堆取料机的姿态数据以及标记点A4的坐标数据进行处理，包括：利用标记点A4的坐标数据，建立堆取料机任意走行位置x与球...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡光，马志坚，高振涛，
申请(专利权)人：青岛东方融智数字科技有限公司，
类型：发明
国别省市：