（机械工程专业论文）基于激光扫描的料场测量系统的研究.pdf

摘要 全国约8 0 的电力来自火力发电，而火力发电厂核算其发电成本的重要经济 指标就是储煤量。传统盘煤的主要原理为：首先将堆积的煤炭通过斗轮堆取料 机将其整成比较规则的梯形或矩形。再通过人工用皮尺丈量得到体积再乘以密 度得出重量。该方法存在效率低、误差大、耗费人力、物力等缺点。因此，本 文提出一种新的盘存测量思想，该盘煤系统轻巧、实用且适用于任何煤堆形状。 本文从获取三维数据场、测量设备控制、体积算法等方面展开研究如下： 第一，火力发电厂堆积的煤堆表面数据是一个变化的曲面体积数据，通过激 光扫描仪扫描获取煤堆表面被测目标点的线距离、角度信息，然后通过一系列 的几何转换，得到断面二维坐标数据。并通过位移传感器、角度传感器确定扫 描仪实时位置信息，即每一个断面二维数据对应的第三坐标数据，将坐标进行 有效匹配就可以构建出三维数据场。 第二，激光扫描仪是高精密光学传感器。由于在煤场、矿场，粉尘大、日晒 高温、电磁干扰、潮湿结露等恶劣因素可能会影响测量精度及其工作的稳定性。 为此，有必要设计自动温控系统以便给激光扫描仪提供适宜的工作温度环境。 并且使用防灰密闭装置以达到保护扫描仪而避免灰尘弄脏镜头的目的。 第三，激光扫描仪硬件控制模块和编码器硬件控制模块的设计：编码器控制 板通过获取编码器脉冲数据，并判断脉冲值是否达到系统设定的阀值，即确定 激光扫描仪的位置，并发送串口指令让采集控制板触发激光扫描仪获取一帧断 面信息。然后，经过空间几何转换得到断面二维坐标数据。最后通过特定的组 合分析方法，整合同一时间的第三坐标数据及二维坐标数据，并通过特定的文 件格式存储数据，得到整个料场离散的三维坐标数据。另外，对于获取到的大 量离散三维坐标数据，用精确的数值积分算法进行切片体积计算，并通过误差 分析法，最大限度减小误差并提高测量精度。最后通过三维数据的体积与密度 的相乘计算出煤场的储煤量。 从工业应用的角度来看，利用本文所设计的体积测量系统，能够很大程度上 提高大型料场体积测量效率和测量精度，并降低人工测量成本。所提出的测量 分析系统具备实用性和前瞻性，具有一定的实用价值。 关键词：激光扫描，三维重建，曲面测量，数据采集 a b s t r a c t a b o u t8 0p e r c e n to fe l e c t r i c i t yc o m ef r o mt h e r m a le n e r g y , w h i l ef o rt h et h e r m a l p o w e rp l a n t ，t h ek e ye c o n o m i ci n d i c a t o r so ft h ec o s to fe l e c t r i c i t yi st h ea m o u n to f c o a ls t o r a g e t h em a i np r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a ls t a t i s t i c so fc o a lh a st h r e es t e p s f i r s to f a 1 1 1 e tt h es t a c k e dc o a ls h a p i n gb yt h eb u c k e tw h e e ls t a c k e ra n dr e c l a i m e rw h i c hi s u s e da sas t a c k e rc o a lc a r t i e r , a n dt h ef i g u r ei sa l w a y st ob er e g u l a rs h a p es u c ha s t r a p e z o i d a lo rr e c t a n g u l a r n e x t m e a s u r ea sa na r t i f i c i a lw a yu s i n gt a p e f i n a l l y , t h e r e s u l to fi t sv o l u m em u l t i p l i e db yt h ed e n s i t yi st h ew e i g h t t h em e t h o de x i s t ss o m e w e a k n e s ss u c ha sl o we f f i c i e n c y , i n a c c u r a c y , w a s t i n gm a n p o w e ra n d p h y s i c a l r e s o u r c e s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wi n v e n t o r ym e a s u r e m e n tt h i n k i n g ，1 1 1 e a d v a n t a g e so ft h es t a t i s t i c ss y s t e mi sl e g e r i t y , f u n c t i o n a la n da p p l i e st oa n yc o a lp i l e s h a p ea b o v e a 1 1 i nt h i sp a p e r , is t u d i e do ns e v e r a la s p e c t sa so b t a i n i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ld a t a f i e l d ，m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t , v o l u m es m o o t h i n ga n ds oo n f i r s t l y , c o a lp i l es u r f a c ed a t aa c c u m u l a t e do nt h e r m a lp o w e rp l a n ti sag r o u po f v a r y i n gc u r v e ds u r f a c ed a t a l i n ed i s t a n c ea n da n g l ei n f o r m a t i o no ft h em e a s u r e d t a r g e tp o i n to nc o a lp i l es u r f a c ec a nb eg e tb ys c a n n i n g 、析也l a s e rs c a n n e r a n dt h e n d oas e r i e so fg e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o nt og e tas e c t i o n a lt w o - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e d a t a a n dd e t e r m i n er e a l - t i m el o c a t i o ni n f o r m a t i o no ft h es c a n n e rb yd i s p l a c e m e n t s e n s o r s ，a n g l es e n s o r s ，t h a ti se a c hs e c t i o nt w o d i m e n s i o n a ld a t ac o r r e s p o n d i n gt ot h e t 1 1 i r dc o o r d i n a t e d a t a f i n a l l y , w i l l c o o r d i n a t e sb ee f f e c t i v em a t c h e dc a i lb u i l d t h r e e d i m e n s i o n a ld a t af i e l d s e c o n d l y , t h el a s e rs c a n n e r i sa h i g h p r e c i s i o no p t i c a ls e n s o r i nt h ec o a ly a r dt h e r e a r ea d v e r s ef a c t o r s ，s u c ha sq u a r r y , d u s t ，s u na n dh i g ht e m p e r a t u r e ，e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dm o i s t u r ec o n d e n s a t i o na n ds oo n ，s ot h a ti tm a ya f f e c tt h es t a b i l i t yo f t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h e i rw o r k t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e s i g na u t o m a t i c t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m f o rl a s e rs c a n n e rt o p r o v i d e as u i t a b l e w o r k i n g t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t a n du s ea nd u s t p r o o fa n do b t u r a t ed e v i c e st op r o t e c tt h e s c a n n e rt oa v o i dd u s td i r t yl e n s t h i r d l y , d e s i g na b o u tt h el a s e rs c a n n e rh a r d w a r ec o n t r o lm o d u l ea n de n c o d e r i i h a r d w a r ec o n t r o lm o d u l e e n c o d e rc o n t r o lp a n e lc a p t u r et h ee n e o d e rp u l s ed a t aa n d j u d g ew h e t h e rp u l s ev a l u ec o m eu pt ot h r e s h o l ds e ti nt h es y s t e mt od e t e r m i n et h e l o c a t i o no ft h el a s e rs c a n n e r a n di ts e n ds e r i a lc o m m a n d st ot r i g g e rt h el a s e rs c a n n e r t oo b t a i nac r o s s - s e c t i o ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nc o n t r o lp a n e l t h e n ，g e tas e c t i o n a l t w o - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ed a t aa f t e ras p a c ea n dt h eg e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n a n d t h e ni n t e g r a t et h i r dc o o r d i n a t ed a t aa n dt w o d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ed a t aa tt h es a m e t i m et h r o u g has p e c i f i cc o m b i n a t i o no fa n a l y t i c a lm e t h o d a n ds t o r ed a t at h r o u g ha s p e c i f i cf i l ef o r m a t ，t h a tg e td i s c r e t et h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ed a t aa b o u tt h e w h o l ey a r d i na d d i t i o n ，t ot h el a r g en u m b e ro fd i s c r e t et h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e d a t aa c c e s s e d ，u s ea c c u r a t en u m e r i c a li n t e g r a t i o na l g o r i t h mt od os l i c eo fv o l u m e c a l c u l a t i o n s a n dm i n i m i z ee r r o r sa n di m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yb yt h e m e t h o do fe r r o ra n a l y s i s f i n a l l y , c a l c u l a t et h ec o a ls t o r a g ev o l u m eo ft h ec o a lf i e l db y m u l t i p l i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a ld a t av o l u m ea n dd e n s i t y f r o mt h ep o i n to fv i e wo fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，u s i n gt h ev o l u m em e a s u r e m e m s y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nl a r g e l yi m p r o v es t o c kg r o u n dv o l u m em e a s u r e m e m e f f i c i e n c ya n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n d r e d u c ec o s t so ft h em a n u a lm e a s u r e m e m t h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mp r o p o s e dh a s p r a c t i c a la n df o r w a r d - l o o k i n g a n ds o m ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：l a s e rs c a n n i n g ，t h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n ， s u r f a c em e a s u r e m e m d a t a a c q u i s i t i o n i i i 武汉理工人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 目前我国的电力主要结构为：火力发电占约8 5 、水利发电约占1 2 、风能 发电、核能发电约占3 。由此我们可看出火力发电为我国目前主要的供电来源。 统计煤量一开始就是发电企业不可缺少的一个环节。随着社会的发展和科技的 进步，统计煤量的方式也从原始的人工皮尺测量演变成高科技测量，而传统盘 煤的主要原理为：首先将堆积的煤炭通过斗轮堆取料机( 用来堆取煤炭的载体) 进行整形，一般将其整成比较规则的梯形或矩形。再通过人工用皮尺丈量，根 据计算其体积再根据密度得出重量。如此实施测量，会受到如下问题困扰：1 一次测量就得调动多个部门的多名员工合力进行；2 测量之前的整形、皮尺测量 等等工作让每次盘存持续几个小时；3 在气候环境恶劣时，盘存工作不易实施； 4 高达5 以上的测量误差，使数以十万、百万计成本资金无法真实反映；5 落 伍的人工测量方式与先进的管理企业模式难以配合。 激光扫描测量系统原理为：利用高精度的二维激光扫描仪对料场表面进行 扫描，结合位移传感器和角度传感器的位置信息，进行位置信息匹配。运用数 值积分等精密算法进行建模并通过v c + + 工具得出三维体积模型，并计算出体积 值。 高科技的测量方式节省了数量可观的劳动成本。为煤炭精细化的管理工作 带来便利，为企业的生存和发展营造更好的环境。人工测量结果受人为的影响 较大，即科学的测量煤体积还能保证电厂存煤量的准确性，保障了企业财务的 透明性。 1 2 体积测量的研究现状和发展趋势 对于体积测量方式选择方面：目前国内、国外采用的测量方式有超声波测 量、三维激光扫描仪测量、二维激光扫描仪测量、双目立体摄影测量等测量方 式，但是各种测量方式都各自有其优缺点。 三维激光扫描技术：是在从激光无反射棱镜长位移快速测距以及空间点阵扫 武汉理工大学硕七学位论文 描技术的基础上发展成的新代测绘技术【5 1 。在欧美日等发达国家中，三维激光 扫描技术在测绘工程领域，结构测量方面，建筑、古迹测量方面，紧急服务业 以及娱乐业等等领域都成功地投入了实际应用。而我国对三维激光扫描的研究 主要专注于对扫描测量数据处理等等的研究。三维激光扫描技术的优点在于： 空间坐标点云信息，通过使用三维激光扫描得到。如此，可以将表面形状不规 则、构造复杂的料场进行三维建模。这些能力具有使用方便、节省时间的优势。 可以说是当前三维建模软件不可以替代的。缺点就是在数据采集方面，能够参 考的详细资料比较少；并且三维激光扫描仪价格不菲，不利于低成本测量场合。 同时，固定于一点的三维激光扫描仪测量范围有限，无法满足煤场、矿场等面 积非常大的场合。 双目立体视觉( b i n o c u l a rs t e r e o s i o n ) 是一种机器视觉川。它是指根据不同角 度拍摄的两幅或多幅图像，获取场景中物体三维集合信息的方法。我们可以通 过融合左右眼获取的图像及观察两个图像的差异，来获取显而易见的深度感。 还可以建立特征对应关系，即把空间同一个物理点在不同图像中的映像点分别 对应。双目立体视觉测量方法具有精度有保证、效率高、节省成本、装置构造 简单等优点【2 1 。然而，对于被测目标为非运动物体的测量，此方法显得有点多余。 并且，对于大型料场，由于面积巨大，也同样无法很好的使用双目立体视觉进 行体积的测量【3 】。并且，利用摄像机进行自标定会带来算法鲁棒性差的问题【4 1 。 这主要是因为自标定方法比较容易受噪声干扰，因此不太适合于复杂的非线性 系统的处理。 超声波测距，即通过时间差乘以超声波的传输速度得出距离的方法【6 j 。因为 超声波在介质中传播的距离较长，并且定向性好，能量损失迟缓。所以在距离 的测量场合经常会用超声波原理。比如物位测量仪和距离测量仪等等都是基于 超声波原理发明的f l4 1 。但是，对于时间的精确控制还是不够好。并且，超声波 的传播速度在不同温度条件下，变化比较大。因此，综合考虑还是不能达到测 量大型料场的应用要求。 目前，在测量应用中，较少采用单一传感器来完成测量任务，而是采用多传 感器集成的方法u 。本测量系统是选用二维激光扫描仪，来确定二维断面坐标 信息，位移传感器、角度传感器来实现第三坐标定位。匹配组合两者数据，即 可得出整个料场大量离散点的三维坐标信息，最后采用t i n 三角剖分等优化算 法，计算出料场体积值。 最后，从激光测量的行业需求进行分析。从测量过程本身来说，有如下好处： 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 提高效率并减少工作量；2 节约测量成本；3 降低测量误差。从企业发展角 度来说，有如下好处：1 准确地反映企业财务状况，有利于成本核算；2 提高 对燃料科学的管理，符合现代企业管理水平要求：3 企业提高竞争能力的需要。 1 3 多传感器集成的适用范围及特点 本文提出的“基于激光扫描的料场测量系统的研究实现的思想就是获取二 维数据的传感器与获取一维数据的传感器在相互之间进行配合下完成的。多传 感器集成技术在上世纪末主要用于军事领域，其应用领域有：车辆自主导航； 目标识别；遥感数据采集；g i s 空间数据更别19 】；战场监控：生产过程监控；威 胁识别；机器人等等。目前，在工程建筑等行业也实现了广泛的应用：比如室 外重型设备防撞及测量；散体物料轮廓及体积测量；安防追踪及区域防护等等【7 】。 还可用于数字化料场和无人化料场。 多传感器集成的概念： ( 1 ) 综合利用在不同时间序列上获得的多种传感器信息，并按一定规则进行综合 推理来帮助系统完成某项任务。这些任务还包括对各种传感器给出的有效信息 进行采集、传输、分析与合成等处理。 ( 2 ) 首先，恰当使用数个传感器硬件资源。然后，把获取到的检测数据进行合理 搭配和综合利用。再按照特定规则将传感器在时间或空间上的互补或冗余信息 进行融合【1 6 】。最后，获得传感器测量对象的物理特性及参数。 单传感器的缺点： ( 1 ) 信息量少，只提供某一种特定信息； ( 2 ) 观测值不确定或偶尔不正确； ( 3 ) 不能在不同的环境下提供相对应的信息； ( 4 ) 缺乏鲁棒性。 单传感器应用案例：移动机器人；物体的位移信息：超声测距、立体视觉、 激光扫描等等；自身定位定姿：g p s 、无线电、陀螺、i m u 等等；物体的属性： 成像光谱仪、视觉、c c d 等掣1 7 1 。 多传感器集成具备的优点： ( 1 ) 增大了场地空间覆盖面积和扩大了时间的范围，避免工作盲区： ( 2 ) 能实现系统在时间、空间的高分辨率； ( 3 ) 能实现系统高精度定位、导航、跟踪； 武汉理- t 大学硕十学位论文 ( 4 ) 能提高系统工作的稳定性、可靠性及容错性； ( 5 ) 降低了系统的成本； ( 6 ) 可以进行大范围、快速数据采集，提高空间数据效率。 多传感器集成技术要领在于： ( 1 ) 多传感器控制：控制是指对多个传感器进行统一地控制并让其协调工作；另 外，时间精度直接影响空间数据融合处理的精度和可靠性1 2 7 。 ( 2 ) 系统的标定：标定的作用是为实现各个传感器之间的快速转换【2 引。标定有图 像传感器的内部标定：内方位元素( 焦距、主点、像素大小) 、畸变；姿态传感 器的标定：惯性设备的漂移等；传感器之间相对位置姿态的标定；传感器的绝 对标定。 本文的思想即多传感器集成空间数据采集系统【2 9 1 。全方位高速、高精度空间 点阵扫描是通过多个空间数据获取传感器协调配合完成【3 0 1 。它为三维空间点阵 扫描和地理信息系统提出了全方位、效率高、可行性高的理论方法。 1 4 课题的主要研究内容 本文研究课题是来自国家“8 6 3 ”项目计划子课题，该课题获得了科技部火 炬计划项目、电子发展基金以及创新基金资助。结合目前工程界激光扫描仪的 研究现状和激光测距技术的应用情况，提出本文研究课题“基于激光扫描的料 场测量系统的研究”。首先，将二维激光扫描仪所获得的被测目标的空间位移信 息与位移、角度传感器所获得的位置信息相匹配，然后通过软件进行一系列的 处理，最终获得被测目标的表面形态和三维坐标数据，从而进行各种量算、建 模与显示。 研究内容如下： ( 1 ) 继承和吸收前人的研究成果，找出各自的优缺点，之后进行创新设计， 完成扫描仪、位移传感器、角度传感器硬件控制，及多传感器协调工作、数据 采集、匹配、存储的设计。 ( 2 ) 针对存在的问题，完成测量系统的温度自控装置的设计。 ( 3 ) 利用开发出的测量系统对料场表面三维坐标进行数据获取，根据获取的 大量离散坐标数据进行几何分析并运用数值积分算法得出料场体积。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 设计思想 第2 章料场测量方案的设计 目前，国内外在料场煤堆体积测量的方法的研究已经经历了很长一段时间 了，但至今取得的结果不是十分满意。 国内个电厂传统采用的方式是用堆料机将煤堆堆积成规则的形状，然后用米 尺和经纬仪人工丈量。该方法耗时、耗力且结果不准确。目前，由于测量仪器 技术的发展，一些高测量精度度仪器的参与似的测量体积更精确、省力。其中， 国内的研究概况如下： ( 1 ) 天津热能发电厂与东北电力学院共同研发的料场体积自动测量系统是利用 计算机测距和雷达测距技术，该方法利用对料场表面扫描测量及微体积分割计 算来实现对煤场贮煤量的自动测量【3 。该方法可以准确、快速的进行体积测量。 对电厂经济收支方案的定制提供了可靠的科学依据。 ( 2 ) 西安科技采样测试技术研究所研发的思想是利用红外线测量装备扫描整个 料场表面各个特征点的空间坐标，然后通过计算机进行数据处理。如此，可以 计算出料场体积，同时用计算机图像三维成形技术可以绘出料场三维模拟状态 图【3 2 】。 本文的设计思路为：激光自动扫描测量系统是通过多个传感器协同工作来达 到测量自动化的目的【3 3 】。采用二维激光扫描仪对料场表面进行高频率断面扫描 以获得被测目标的空间断面信息，与位移传感器和角度传感器获得的位置信息 相匹配，通过软件进行一系列的处理，最终获得被测目标的表面形态和三维坐 标数据，从而进行各种量算、建模与显示，而一体化数据采集控制器是其现场 采集处理数据的关键设备。整个系统的组成由采集控制板，激光扫描仪、位移 传感器、角度传感器、显示控设备、位置传感器控制模块、p c 运算模块组成。 其中激光扫描仪得到料场堆料断面的形状信息、位移传感器得到料场的长度信 息，角度传感器得到大臂的回转角度，通过这些参数和现场安装的参数，就可 以得到料场形状的三维坐标，从而在后台p c 上进行各种量算、建模与显示，各 种报表的生成和输出。本采集器的核心部件是采集控制板，它控制系统通过激 光扫描仪、位移传感器、角度传感器不断的实时同步采集料场断面、长度、大 武汉理丁大学硕十学位论文 臂的转动角度信息，并将数据存储在s d 卡中。而控制位置传感器采用的是工业 级的p i c 芯片，专业的抗干扰设计，确保能在工业现场恶劣的工况下稳定工作。 p i c 单片机获取编码器位置信息，通过判断脉冲值是否达到系统设定阀值，来决 定是否通过串口告知a r m 采集控制板来触发激光扫描仪获取二维断面测量数据。 整个系统各子模块如图2 1 所示： 同 ；上位机数 ：据处理 人机交互 上 掣 。 i 嚣i 。1 擤块 善 蹙 扫 噼 鼍 位移编码器 _ _ _ - - _ - _ _ ，￥h _ v _ _ _ _ _ 竺生苎躺僦板l r s 4 2 2 采集控制板 r s 4 7 2 = 雏捂擅扳 一 一 r “2 2 角度编码器 2 l v 一尘j “v _ c t 扫描仪采集控制盒 图2 1 系统整体架构 如上图所示，采集控制板通过获取位移传感器、角度传感器的脉冲数据，当 脉冲数据达到系统设定阀值的时候，控制板就给二维扫描仪发送获取数据指令， 并通过内部数据匹配处理程序，将位置数据同一时间的断面数据相匹配，存储 到s d 卡中，最后将s d 卡中数据输入到上位机进行数值建模及体积运算。 2 2 断面数据采集装置 2 2 1 扫描仪工作原理 本测量系统选用的是德国施克s i c k 室外型激光扫描仪，内部构成器件有激 光发射器、接收器、时间计数器、内部微处理器。首先，激光发射模块驱动激 6 武汉理工大学硕士学位论文 光二极管发射激光脉冲信号，然后被测目标的反馈的反射信号由接收透镜接收， 再根据时间计数器，即利用一稳定的石英时钟计算发射和接收的时间差，最后 测量数据交给内部处理器处理，即脉冲信号转换为数字信号存储或显示，并输 出测量结果1 1 i 。 图2 2 激光时间飞行原理图 区域扫描及轮廓测量系统的工作原理介绍： ( 1 ) 激光时间飞行原理- t i m eo ff l i g h t ：如图2 2 所示，在发射器发出激光 脉冲波的同一时刻，内部定时器即开始计时t l 。当激光脉冲波碰到物体后，部 分能量将返回。当激光接收器收到返回激光波时，停止内部定时器t 2 ，激光雷 达到物体的位移为：s = c ( 光速) 宰( t 2 t 1 ) 2 。 ( 2 ) 相位差原理p h a s es h i f t ：激光发射器发出激光脉冲时，记录此时激光 波的相位f 1 。当激光波碰到物体后，部分能量会返回。当激光接收器接收到返 回激光波时，同时记录激光波的相位位。在一定位移范围内，激光雷达到物体 的位移为：s = ( f 2 f 1 ) 3 6 0 * n ( n 为比例系数) 。 ( 3 ) 单次回波原理o n ep u l s e ：激光发射器发出激光脉冲波，当脉冲波遇到 被测物体后，会有部分能量返回。当激光接收器收到返回激光波时，且返回波 的能量足以触发门槛值，激光雷达计算它到物体的位移值，每次激光波只有一 个测量值。 ( 4 ) 多次回波原理m u t i p u l s e ：激光发射器发出激光脉冲波，当激光波碰 到物体后，部分能力返回，当激光接收器收到返回激光波时，且返回波的能量 足以触发门槛值，激光雷达计算它到物体的位移值；如果第一个物体是可以透 过的物体，例如玻璃。激光脉冲波会继续往前，当碰到第二个物体时，部分能 量将返回。当激光接收器收到返回激光波且其能力足以触发门槛值，激光雷达 计算它到物体的位移值。以此类推，激光雷达的一个雷达波可以给出多个测量 值，我们可以根据实际情况的需要，自己选择一个或多个测量值“。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 扫描二维区域有如下两个作用：1 在雷达的扫描范围内，设定特定形状 的保护区域，当有物体进入设定范围内，即进行警报提示；2 在雷达的扫描范围 内，雷达输出每个测量点的位移，根据此位移信息，可以计算物体的外型轮廓， 坐标定位等。 2 2 2 通信协议及接口 s i c k 激光扫描仪在配有p o w e r 和i o 引脚的基础上，提供的通讯接口有 r s 2 3 2o rr s 4 2 2 、c a n2 0 、e t h e m e t 2 4 】；其中，r s 2 3 2o rr s 4 2 2 传输的波特 率可以达到1 15k ，通信协议为8d a t ab i t s 、1s t o pb i t 、n o n ep a r i t y , c a n2 0 波 特率可以达到1 0 2 4k b i t s ；以太网在点对点的方式下速度可以达到1 0 m b i t s s 1 2 5 j 。 在本系统中，以a r m 为核心的控制板接口方式有u a r t 串口、c a n2 0 、 e t h e m e t 。系统采用的是以串口方式来控制激光扫描仪工作和发送数据。而用串 口通信的接线方式又有r s 4 2 2 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 三种。我们采用r s 4 2 2 接线方式， 因为r s 4 2 2 采用差模抗干扰，传输距离远，信号损失率低。 r s - 4 2 2 、r s - 2 3 2 、r s - 4 8 5 的定义和区别： r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s - 4 8 5 起初皆为e i a ( 电子工业协会) 规定使用串行数 据接口标准。当前，作为串行接口r s 2 3 2 是在通信中使用最多的一种。r s 2 3 2 是单端标准通讯，是因为它是以不平衡传输形式收发数据。r s 2 3 2 c 总线定义 了2 5 根信号线。其中包含一条主要通道和一条辅助通道。大多场合用的是主要 通道，只要几根信号线就能实现双工通信。该信号线由地线、接收线及发送线 各自一根组成。r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、 3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。r s 2 3 2 c 接口传输距离短 是因为通信距离受驱动器中的电容负载约束。另外一个原因就是它是单端信号 传输，会受到共地噪声干扰，并且无法解决共模干扰等等。所以，r s 2 3 2 通常 只用于二十米内的通信场合。 r s 4 2 2 、r s 4 8 5 运用差分方式传输数据信号。它采用两根双绞线a 和b ， 即平衡传输，这点与r s 2 3 2 是根本的区别。在通讯距离达到几十米或者一千米 的场合，就得使用该串行总线标准。平衡发送数据与差分接收数据可以抑制共 模干扰。因为收发器对m v 级低电压可以灵敏地检测出来，所以微弱信号可以 在长距离都能被恢复。因工作方式运用半双工，故仅有一方为发送方。而且通 过使能引脚控制发送电路。另外，在对于对点互相连接场合，能够减少使用相 8 武汉理工人学硕十学位论文 当多的信号线。因此，使用方便。 r s 4 8 5 和r s 4 2 2 都是采用差分形式收发数据，不接数字底线。并且两者电路 的设计理论差不多。r s 4 8 5 和r s 4 2 2 与r s 2 3 2 的根本的不同在于使用了差动方 式，因此r s 4 8 5 和r s 4 2 2 传输距离更长。r s 4 2 2 和r s 4 8 5 在1 9 k p b s 下能传输 1 2 0 0 米。r s 4 2 2 和i 峪4 8 5 不同在于：r s 4 2 2 用两组双绞线实现全双工收发数据。 相比之下，r s 4 8 5 只用一组双绞线，却只可半双工进行，即不可以同时收发数据。 r s 4 8 5 与r s 4 2 2 的很多电气规定相似，是因为前者是基于后者发展过来的。 例如，都在使用终端电阻接在传输线上面、都使用差分方式收发数据。两者也 有不同：比如共模输出电压是不一样的，r s 4 8 5 电压范围在7v 至u + 1 2v ，而 r s 4 2 2 在7v 至+ 7v 之间；r s 4 8 5 接收器最小输入阻抗为1 2k ，r s - 4 2 2 是4k 。 因为r s 一4 8 5 符合r s - 4 2 2 所有的规定。因此，r s 4 8 5 的驱动器能在r s 4 2 2 应用 场合中使用。 2 2 3 采集设备的性能分析 系统设计中选用单个l d l r s 3 1 0 0 扫描仪，性能参数如表2 1 所示。 扫描仪用于对被测目标表面进行动态线性快速扫描。系统被触发后，扫描 仪接受采集器发送的扫描指令，开始扫描。l d l r s 3 1 0 0 激光扫描仪测距范围： 8 0m ( 黑色物体) ，最大测距2 5 0 m ( 白色物体) 。 9 武汉理工人学硕士学位论文 表2 1l d l r s 3 1 0 0 性能参数表 类型l d l r s 3 1 0 0 图片 一、反射率1 0 的情况下 测距范围为：2 5m 到8 0 1 m 工作电压 测距范围二、反射率2 0 的情况下 工作电流 测距范围为：2 5m 到 1 1 0m 2 4v ( d c ) 1 a 三、最大测量2 5 0m 加热电压 测量有效角度 3 0 0 。无加热功能 加热电流 0 1 2 5 。，可选0 1 2 5 。3 6w ( 1 5a ) a t2 4 角度分辨率功率 1 5 。vd c ，峰值2 1a 铝材料以印模压 扫描频率 5 1 0 h z ( 5 h z )制造材料 铸 测量精确值 3 9 m i l l防护等级i p6 7 串行数据接口 r s 4 2 2 ， r s 一2 3 2重量大约9 1k g 4 ，8 0 0 ；9 , 6 0 0 ； 19 ，2 0 0 ； 数据传输率 3 8 ，4 0 0 ；5 7 ，6 0 0 ；115 , 2 0 0工作温度 5 t o + 4 5 b d c a n 数据传输率1 0b i f f s 一1m b i t s存放温度_ 2 5 t o + 8 0 e t h e r n e t 数据传输是否需要加 1 0m b i t s需要人工加热 室执 、 扫描频率：指扫描仪每秒钟扫描断面的次数。我们在处理时根据需要在间隔时 间内发送请求指令，例如每隔o 5 s 请求一次，软件自动完成。 测量精确值：例如3 9 m m 指测量精确误差为3 9 r a m 。 由上表我们可知选用的扫描仪具备的特点： 1 测量方式为非接触式，且采用飞行时间测量； 2 二维平面扫描，3 0 0 度扫描； 武汉理工大学硕十学位论文 3 能够通过滤波功能排除雨雪等干扰； 4 高分辨率，可达0 1 2 5 角度分辨率。 上述参数分析说明，选用的二维激光扫描仪完全能够胜任现场工业测量精度、 距离、抗干扰等要求。 应用场合：本系统选用的激光扫描仪已经在区域扫描及轮廓测量方面得到了 大量的应用。例如在港口应用中，可作为岸吊大梁防撞装置：一台岸吊装两台 二维激光，分别安装在大梁的两侧( 根部或中间) ，防止大梁与轮船上的烟囱、 天线等相撞。也可用于交通应用中，可测量货车体积：通过二维激光扫描仪的 轮廓测量功能，可测量过往车辆的设定点的高度，并计算车辆的体积。还可用 于高校机器人应用，船闸应用，核电、军队、博物馆等重要场合的安防应用， 当然还可以用于本系统所设计的料场体积测量系统了。 2 3 扫描仪位置坐标的获取 2 3 1 位置传感器的工作原理 工业控制需要定位一开始用接近开关、再后来就是光电开关1 2 0 1 。并且技术已 经比较成熟了，同时应用很方便。但是，工控业的技术持续发展有提出了新的 要求。因此，这个时候旋转编码器就显示出了绝对的优势： 信息化：定位之后，确切位置信息还可传送至控制中心； 柔性化：定位可以在控制室柔性调整； 现场安装的方便和安全、长寿：单个体积小巧的旋转编码器就可完成几微米 到几百米距离的测量。为解决光电开关、接近开关在检测地点机械安放的不方 便。以及被损坏、高温破坏、水气腐蚀等等问题。只需要使用到旋转编码器并 且安全安装即可解决上述所有问题。这是因为光电设备没有机械方面的磨损， 往往精确地安装就可让其稳定、可靠地工作很长时间k “。 多功能化：编码器不仅可以用于定位，也可以远距离传送实时位置数据； 也可以通过转换来测量运动速度；此外，在步进电机、变频器中是不可缺少的 组成部分。 经济化：单个旋转编码器就可以实现多个工位的控制。另外，维护安装、 使用时间长、损耗低等等都在很大程度上节约了成本。 综上所述，旋转编码器在各种工控场合得到了越来越多的应用。 武汉理工大学硕士学位论文 采集器位移和角度传感器是基于光电编码器特性实现其功能。位移和角度信 息的测量都是依赖光电编码器获得的，对于位移来说，光电编码器每转一周发 5 0 0 个脉冲，那么根据和光电编码器同步转动位移轮的半径和光电编码器所发脉 冲个数，就可算出位移。同理对于角度来说，光电编码器每发5 0 0 个脉冲对应 3 6 0 度，那么只要得到光电编码器的脉冲个数，就可得到编码器转过的角度。 由于位移、角度传感器的安装位移相对与控制器较远，为了抗工业现场的干 扰。需要连接成r s 4 2 2 的形式，所以光电编码器和采集控制器之间还需要进行一 下转换，将编码器产生的脉冲个数转成十六进制数据以r s 4 2 2 的形式发给采集控 制器。当编码器转动量达到协议定义的位移值或者角度值，采集控制器即向激光 扫描仪发送指令，以控制二维激光扫描仪获取二维断面坐标数据，并与实时的编 码器数据匹配整合成三维坐标数据。 2 3 2 传感器固定装置 位移传感器用于长形料场的测量场合，角度传感器用于圆形料场的测量。 图2 3 位置传感器结构固定实物图 位移传感器、角度传感器现场安装实物如图2 3 所示；位移传感器功能为获 得斗轮机行走距离，原理如图2 4 所示：通过与外配轮的同轴连接，外配轮转一 圈，编码器转一圈，外配轮的直径已知，5 0 0 p r 分辨率来计算，外配轮的周长除 以5 0 0 就是每个脉冲所代表的距离。角度传感器作用是获得斗轮机偏转的角度， 原理如图所示：通过与外配齿轮的同轴连接，外配齿轮转一圈，编码器转一圈， 以5 0 0 p r 的分辨率来计算，3 6 0 度除以5 0 0 ，就是每个脉冲所代表的角度。 位移编码器直接与在行车轨道滚动的小轮子相连，而扫描仪与该固定装置 是一个整体，所以由小轮行走的距离可以确定扫描仪行走的位移。同理，角度 武汉理工大学硕士学位论文 编码器与一个小齿轮直接相连，该齿轮与料场测量回转大臂中间固定的齿轮相 啮合，如此可以实时得到大臂旋转的角度值，即可以知道扫描仪的具体位置。 其中，长形料场现场模拟示意图如图2 4 所示： 7 图2 4 长形料场现场安装示意图 2 4 激光数据与位置数据的融合 2 4 1 坐标点测量原理 在现有大型料场盘存工作中，一般都使用如下几种盘存方式：1 、利用位移 测量仪器人工测点方式，这种方式费时费力，人为因素大，精度低；2 、利用半 自动方式，这种方式一般没有位移和角度参考数据，简单认为设备载体以匀速 方式运动，在测量过程中测量设备不产生任何角度变化，测量精度低，不宜操 作，在现场利用上位机进行数据接收和处理；3 、全自动方式，这种方式方式使 用位移和角度参数数据，设备载体允许进行非匀速和可变角度方式进行测量， 测量数据每个断面都包含位移和角度信息，在现场利用上位机接收并处理数据。 扫描仪获取的位移数