CN117557618A - 一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法及系统，所述方法为：使用扫描设备对堆料进行扫描采集三维点云数据，利用角点拼接方法进行三维建模，对三维模型中堆料进行物料识别，通过构网规则计算模型体积。本发明的测量方法是通过激光测量系统测量堆场的体积，计算准确率远高于传统和现有的化整为零的测量方法，满足商业计量要求，很大程度上提高堆料重量测量的效率，节省人力，降低了成本。

Description

一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法及系统

技术领域

本发明属于三维建模、测量测绘领域，具体涉及一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法及系统。

背景技术

在煤炭、冶金、港口等行业中，常存在大量的散装货物进行集散，为了把握运输量，传统方法工人经常使用尺子、皮带秤、轨道衡等方法进行动态计量，而目前国内外大多数生产厂家的计量工具都无法达到商业计量要求的误差范围(0.5-1.0％)。

现还有一种煤粉仓料位测量装置，由单片机、计数器、电机换向器、传感器等组成。料位计进行测量时，料位计中的浮标开始向下降，浮标接触介质表面的瞬间停止下降，而后将浮标收回，直接得到顶部无料空间距离，从而得出料位高度，来计算体积，但是，现有的检测装置无法检测煤粉仓内部煤粉情况，同时由于浮标接触范围较小，不能准确测量区域内具体高度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，从而提供一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法及系统，本申请提出的方法不会因为工具的局限性和测量空间的局限性导致无法测量或者精度不达标。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法，所述方法为：使用扫描设备对堆料进行扫描采集三维点云数据，利用角点拼接方法进行三维建模，对三维模型中堆料进行物料识别，通过构网规则计算模型体积。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1：数据采集；通过一种或多种扫描设备对堆料进行扫描采集三维点云数据；

步骤2：三维建模；利用角点拼接方法处理扫描设备获取的三维点云数据，得到堆料的三维模型；

步骤3：物料识别；通过识别特定角点来确定堆料物体；

步骤4：计算物料体积：按照构网规则将确定的堆料物体的三维模型转换成三角网模型，计算出模型体积。

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：

步骤5：测量参考密度：经过多次抽样测量得到堆料密度；

步骤6：计算堆料重量：使用模型体积乘以密度得到堆料重量。

作为上述方法的一种改进，所述扫描设备包括无人机、吊轨机器人或背包设备。

作为上述方法的一种改进，所述扫描设备支持数据无线传输。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：

步骤2-1：选取角点；具体包括：

步骤2-1-1：首先在某个点附近选取n个像素点；

步骤2-1-2：将n个像素点分为三类：更暗、相似和更亮；

步骤2-1-3：如果存在连续的n/2个以上的像素点均为更暗类或者均为更亮类则说明该点为角点；

步骤2-2：拼接三维模型；利用相同角点将三维点云数据叠加拼接在一起，再对数据进行孔洞修补、孤立点删除、消除噪声和偏差纠正，形成三维模型。

作为上述方法的一种改进，所述n为36。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3具体为：将数据输入到三维物体检测器PointRcnn进行物料识别。

本发明还提供一种基于三维建模的散装堆料在线测量系统，所述系统包括：

数据采集模块，用于对堆料进行扫描采集三维点云数据；

三维建模模块：用于利用角点拼接方法处理扫描设备获取的三维点云数据，得到堆料的三维模型；

物料识别模块；用于通过识别特定角点来确定堆料物体；

计算物料体积模块：用于按照构网规则将确定的堆料物体三维模型形成具有空间立体的三角网模型，计算出模型体积。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：

选择参考密度模块：用于测量堆料密度；

计算堆料模块：用于计算堆料重量。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明的测量方法是通过激光测量系统测量堆场的体积，计算准确率远高于传统和现有的化整为零的测量方法，满足商业计量要求，很大程度上提高堆料重量测量的效率，节省人力，降低了成本。

附图说明

图1所示为基于三维建模的散装堆料在线测量方法流程图；

图2所示为堆料的三维建模示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

三维模型：三维模型经常用三维建模工具这种专门的软件生成，但是也可以用其它方法生成。作为点和其它信息集合的数据，三维模型可以手工生成，也可以按照一定的算法生成。尽管通常按照虚拟的方式存在于计算机或者计算机文件中，但是在纸上描述的类似模型也可以认为是三维模型。三维模型广泛用任何使用三维图形的地方。实际上，它们的应用早于个人电脑上三维图形的流行。许多计算机游戏使用预先渲染的三维模型图像作为sprite用于实时计算机渲染。

角点：主要检测局部像素灰度变化明显的地方。它的思想是：如果一个像素与它领域的像素差别较大，那它更可能是角点。

本申请是基于三维建模技术的堆料在线测量方法，无人机、吊轨机器人、背包组成激光雷达扫描系统，该系统轻便灵活部署，整体设备移动设备箱携带方便。部署室外路线规划后，室内手动操作一键启动，对目标堆料进行全方位的扫描，设备采集堆料的三维点坐标后，进行数据离线处理，快速给出处理结果，实时反馈当前的煤堆体积情况。

本产品的扫描系统包括无人机、吊轨机器人、背包等设备。这三种工具可以相辅相成组合使用也可以单独使用，无人机激光雷达扫描可以从高空对目标物体进行扫描，对堆料很高的目标物体扫描有很大的优势，不会因为高度受限。并且当扫描物体存在有毒性时，或者炎炎烈日不适合作业的时候，都可以帮助工人在室内对外部的物体进行扫描。吊轨扫描比较适合在厂房内的堆料，方便安装吊轨激光雷达扫描设备，还有背包激光雷达扫描设备，测量使用比较灵活，只要工人背上这种背包，围绕着堆料走一圈，即可获得堆料的三维点云。当对测量精度极高的时候可以三个设备同时使用已达到全方位的，稠密的三维点云，然后通过WIFI、4G、5G、蓝牙等无线通信方式，与远程数据进行实时的通信，将采集的数据经过角点匹配，再通过角点拼接出完整的三维模型，通过点云数据计算出堆料的体积，再通过乘以考虑多因素的密度参数，从而获得比较精准的堆料重量。

具体工作步骤如下：

1)数据采集

通过扫描设备采集数据，扫描时间通常小于30min即可满足要求，数据离线处理小于10min，并支持通过WIFI、4G、5G、蓝牙等无线通信方式，与远程服务器进行实时的通信，支持与已有系统接口对接，实现数据的实时快速传输。根据现场扫描目标推料情况配置激光雷达设备，当料堆体积大，分布形状十分的不规则，则三种无人机、吊轨机器人、背包设备同时使用，以此获取更全面，更稠密的扫描点。

2)三维建模

通过角点拼接不同激光雷达扫描设备的三维点云，获得一个完整、清晰的堆料的三维点云模型。角点的选取方法如下：

(1)首先在某个点p附近画一个圈，选取36个像素点；

(2)将36个像素点分为三类：d(更暗)、s(相似)、b(更亮)；

(3)如果存在连续的18个以上的像素点均为d类或者均为b类则说明该点为角点。

拼接方法：首先找到不同设备扫描出的点云图中的角点，利用相同角点将点云图叠加拼接在一起，再经过点云数据去噪，考虑三维激光扫描仪仪器本身的精度、被测目标的反射情况、测站的布设以及气温环境等影响,需要对含有各类噪声的点云数据进行平滑处理。同时对扫描过程中因扫描盲区等从而造成数据缺失进行孔洞的修补、探寻孤立点并删除、消除噪声以及数据偏差纠正等。然后再进行点云数据精简。依据工程所需精度选择合适计算模型分辨率,对可视化表达的目标对象使用简化的模型对点云数据进行精简,提高计算速度和效率。最终形成一个完整，清晰的堆料三维模型如图1所示。

3)物料识别

初始的三维模型除了堆料还有其他的物体，在此过程中，通过识别特定角点来确定堆料物体，将数据输入到三维物体检测器PointRcnn，用于从原始点云中检测三维物体。网络Stage-1以自下而上的方式直接从点云生成3D方案，Stage-2网络将语义特征和局部空间特征结合起来，在规范坐标中对提案进行了优化，最终得到检测目标的点云。

4)计算物料体积

根据检测目标的点云的三维空间坐标，计算堆料的体积。将三维空间坐标投影至XOY平面上,利用X和Y坐标按照构网规则得到平面的不规则三角网,之后赋予平面三角网Z值,从而形成具有空间立体的三角网模型。对已经进行初步处理过的三维扫描数据进行模型的重新构建。在得到空间三角形后,将空间三角形投影至XOY平面,分别求出3个顶点Z坐标的平均值作为要求三棱柱的高,求出三棱柱的体积,对所有三棱锥体积求和就得到了模型总体的体积。

其中，构网规则可以为三角网算法：

A、遍历所有点，形成包围盒，得到初始三角形，放入三角形链表。

B、将散点加入，在三角形链表中判断这些三角形外切圆是否包含此点，把这些包含此点的三角形的公共边拆开，与此散点相连。这些三角形称为受影响的三角形。此时完成了一个三角链表的插入。

C、优化

对构网进行检查，即四个点构成两个三角形，如果一个三角形的外接圆包含第四个点，我们可以通过把四边形的对角线(两个三角形公共边)换成另外的两个点的连线。

5)选择参考密度

参考密度是由专家根据存放时间、空气湿度，经过多次抽样测量多得到的经验值参数。

6)计算堆料的重量

通过三维点云模型可以获得堆料的精确体积，再通过乘以考虑多因素的密度参数，从而获得比较精准的堆料重量。

本申请的测量方法是通过激光自动测量系统测量堆场的体积，然后通过输入参考密度，最后换算成为重量。参考密度是由专家根据存放时间、空气湿度，经过多次抽样测量多得到的经验值参数，体积测量值是由激光雷达扫描出的特征点所得，当换算为重量后，其最终精度误差可以保证小于0.5％。

本申请的测量方法是通过激光自动测量系统测量堆场的体积，计算准确率远高于传统和现有的化整为零的测量方法，满足商业计量要求，很大程度上提高堆料重量测量的效率，节省人力，降低了成本。该申请有助于工厂智慧赋能，降本增效。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于三维建模的散装堆料在线测量方法，所述方法为：使用扫描设备对堆料进行扫描采集三维点云数据，利用角点拼接方法进行三维建模，对三维模型中堆料进行物料识别，通过构网规则计算模型体积。

2.根据权利要求1所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1：数据采集；通过一种或多种扫描设备对堆料进行扫描采集三维点云数据；

步骤2：三维建模；利用角点拼接方法处理扫描设备获取的三维点云数据，得到堆料的三维模型；

步骤3：物料识别；通过识别特定角点来确定堆料物体；

步骤4：计算物料体积：按照构网规则将确定的堆料物体的三维模型转换成三角网模型，计算出模型体积。

3.根据权利要求2所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤5：测量参考密度：经过多次抽样测量得到堆料密度；

步骤6：计算堆料重量：使用模型体积乘以密度得到堆料重量。

4.根据权利要求2所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述扫描设备包括无人机、吊轨机器人或/和背包设备。

5.根据权利要求2所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述扫描设备支持数据无线传输。

6.根据权利要求2所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2-1：选取角点；具体包括：

步骤2-1-1：首先在某个点附近选取n个像素点；

步骤2-1-2：将n个像素点分为三类：更暗、相似和更亮；

步骤2-1-3：如果存在连续的n/2个以上的像素点均为更暗类或者均为更亮类则说明该点为角点；

步骤2-2：拼接三维模型；利用相同角点将三维点云数据叠加拼接在一起，再对数据进行孔洞修补、孤立点删除、消除噪声和偏差纠正，形成三维模型。

7.根据权利要求6所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述n为36。

8.根据权利要求2所述的基于三维建模的散装堆料在线测量方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将数据输入到三维物体检测器PointRcnn进行物料识别。

9.一种基于三维建模的散装堆料在线测量系统，所述系统包括：

数据采集模块，用于对堆料进行扫描采集三维点云数据；

三维建模模块：用于利用角点拼接方法处理扫描设备获取的三维点云数据，得到堆料的三维模型；

物料识别模块；用于通过识别特定角点来确定堆料物体；

计算物料体积模块：用于按照构网规则将确定的堆料物体三维模型形成具有空间立体的三角网模型，计算出模型体积。

10.根据权利要求9所述的基于三维建模的散装堆料在线测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

选择参考密度模块：用于测量堆料密度；

计算堆料模块：用于计算堆料重量。