[发明专利]一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法

权利要求书

1.一种基于单线激光雷达与测距仪装备的仓储矿堆扫描方法，其特征在于，包括主体支架(1)，两个传感器固定云台：分别为第一云台(2)、第二云台(3)，一台测距仪(4)，两台单线激光雷达：分别为第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)，一台控制终端(7)，一块光学反射板(8)，两条平行滑轨：分别为第一滑轨(9)、第二滑轨(10)；

主体支架(1)架设在两条平行滑轨之上，通过两端的滑轮实现左右方向上的水平滑动；测距仪(4)固定在第一云台(2)的上面，第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)分别固定在第一云台(2)和第二云台(3)的下面，配有防护罩，可防止传感器受到矿物粉尘的干扰；测距仪(4)和第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)在第一云台(2)、第二云台(3)上的相对位置固定，安装在主体支架(1)上，沿两条平行滑轨水平移动；第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)并排安装，通过调节第一云台(2)、第二云台(3)的调平和旋转装置对测距仪(4)和第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)进行姿态校正，确保第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)的扫描截面共面且垂直于两条平行滑轨的延伸方向，测距仪(4)脉冲发射方向与主体支架(1)的滑动方向平行，并垂直照射于前方远端的光学反射板(8)；控制终端(7)可使用多种类型的电脑，放置于行车驾驶室中方便人员操作，通过三条数据传输线与测距仪(4)、第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)进行数据传输；

仓储矿堆扫描包含以下几个步骤：

1)坐标转换：为第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)构建局部坐标系，具体地，分别以第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)的脉冲发射口为原点O’、O”，平行于主体支架(1)的放置方向为X’、X”轴，平行于第一滑轨(9)、第二滑轨(10)的延伸方向为Y’、Y”轴，垂直于地面向下为Z’、Z”轴，构建右手坐标系O’-X’Y’Z’和O”-X”Y”Z”；为点云三维模型构建左手坐标系O-XYZ，X轴和Y轴的方向与坐标系O’-X’Y’Z’相同，垂直于地面向上为Z轴，坐标原点位于光学反射板所处平面与地面的交线上，取第一单线激光雷达(5)脉冲发射口的X轴坐标为0，确定为坐标原点，X和Z坐标通过第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)获得，Y坐标通过测距仪(4)获得；

2)参数预设：将第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)的架设高度设置为0，扫描范围设置为180°，进行测试扫描，获取到地面点的高度为-h，从而得到两台单线激光雷达的准确架设高度h，同时可获取两台单线激光雷达间的相对距离以及各自与仓库边缘的距离，以此为依据设置它们实际工作时的扫描角度α₁、α₂以及分界线x₁、x₂和x₃，其中x₁＜x₂＜x₃，为垂直X轴的三条直线；

3)坐标计算：对于空间中一点A，按式(1)所示将两台单线激光雷达的极坐标系转换到空间直角坐标系O-XYZ，其中，s'和s分别为第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)的脉冲发射中心到目标点的距离，d为测距仪(4)获取的行车到墙壁的距离；

4)数据配对：实际测量过程中，两台单线激光雷达和测距仪都被设置为50hz的工作频率，由于反射物材质的影响和传感器自身的不稳定性，每秒的原始数据获取数量在50至55帧之间浮动，采用硬耦合的方法对两台单线激光雷达和测距仪获取的原始数据进行匹配，按每0.5秒对两台单线激光雷达获取的数据帧数f₁、f₂以及测距仪获取的数据帧数f₃进行统计，以f₁、f₂中的较小者作为该0.5秒时间段内的基准频率f，对另一台数据量高于基准频率的单线激光雷达和测距仪的数据进行内插修整，使得测距仪(4)、第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)在相同时间段内获取的数据帧数均等于f，按照数据记录顺序对测距仪(4)、第一单线激光雷达(5)、第二单线激光雷达(6)采集的信息一一对应；

5)点云拼接：由于两台单线激光雷达的相对位置保持固定，数据融合采用拼接的方式进行，不需要进行点云匹配处理，大幅度提升数据处理效率，具体的拼接方式为：根据之前设置好的分界线x₁、x₂和x₃对两台单线激光雷达各自获取的位于O-XZ平面的二维轮廓数据进行裁剪，对第一单线激光雷达(5)的数据保留区域为[x₁，x₂]，第二单线激光雷达(6)的数据保留区域为[x₂，x₃]；裁剪后，按照数据记录顺序，以测距仪(4)的一个距离数据搭配第一单线激光雷达(5)和第二单线激光雷达(6)各一条点云数据的格式进行数据融合，构建出矿堆的三维模型。