发布时间：2023-07-20 05:35:22 人气：
2.在工农业生产过程中，主要包括煤炭、矿石和粮食等类型的大宗散料。散料是经济发展的基础，随着国民经济的快速发展，储运装系统在国内获得广泛应用。借助大宗散料的储存、运输与装载系统，数以千吨、万吨计的散料被装载至车厢等受限空间内，且需保证散料装载堆积的均匀性。
3.目前在散料储存、装车等过程中，传统上一般依靠人眼等方式观察散料高度、体积、形貌等性质，人工判断易产生较大偏差，导致散料装车作业中出现偏载问题，严重威胁散料的储存、运输安全，有发生重大安全事故的风险。随着社会发展和技术进步，智能化全自动无人作业的要求越来越普遍。激光雷达具有检测精度高、点云数据量大等特点，通过激光雷达可以感知散料形态替代传统人工判断，plc控制器具有执行效率高、接口广泛、工作稳定可靠等特点，因此一但散料形态出现偏差时用plc控制器控制执行部件可以迅速的纠正，但由于装载的过程是短暂的，因此激光雷达的感知信息传输到plc控制器的时间就要求尽可能的短，使用传统的数据处理以及通讯方式，激光雷达数据处理器与plc控制器之间进行数据通信需要增加中间环节和额外接口，导致数据通信延时、中断丢包，而且故障排查极为困难，无形中增加了应用障碍。因此，如何减少中间环节和额外接口，如何解决数据通信延时、中断丢包使其可以迅速做出反应是我们需要解决的问题。
4.本发明的目的在于提供一种用于散料装车的激光雷达数据实时处理与通信方法，通过进行二维或三维点云数据的采样与处理，计算得到指定检测区域内的高度特征数据，再实时发送至主控系统plc控制器的特定标签变量，用udp数据通信协议算法，实现激光数据处理器到plc控制器的直接通信，为智能检测传感器与通用plc控制器间通信提供了新方法。
5.为了实现上述目的，本发明的方案是：一种用于散料装车的激光雷达数据实时处理与通信方法，用于散装车行进中的装料监控，在散装车经过装车作业区域的装料溜槽的溜槽口上方设置激光雷达，一个信息处理服务器控制激光雷达的扫描并实时获取散装车厢行进中的装料高度信息，信息处理服务器将高度信息传送至plc控制器，plc控制器根据高度信息调整装料溜槽口开度大小，所述高度信息是车厢装料横向面平均高度信息， 信息处理服务器端口与plc控制器端口之间采用udp协议进行实时数据通信，其中：所述车厢装料横向面平均高度信息的形成过程步骤是：一，确定激光雷达的安装信息和扫描检测区域，所述安装信息包括激光雷达距离地面的垂直高度与激光雷达扫描垂直角度，所述检测区域为溜槽口下料点向散装车前进方
向的一段距离和散装车厢的宽度形成的区域；二，获取激光雷达扫描激光点云数据，根据极坐标与直角坐标转换关系由激光雷达扫描的极坐标原始数据确定扫描点云直角坐标数据；三，根据激光雷达扫描点云直角坐标数据提取车厢内散料检测区域，得到扫描检测区域各数据点的装料高度；四，对检测区域内各数据点的装料高度取平均值得到车厢装料横向面平均高度信息。
6.方案进一步是：所述检测区域为料溜槽口下料点向散装车前进方向的一段距离，是向散装车前进方向距离料溜槽口下料点10cm再向前的20cm至最多100cm的一段距离。
7.方案进一步是：当激光雷达垂直于地面安装时，所述激光雷达扫描的极坐标与直角坐标转换的公式是：其中：r为激光雷达距离扫描点的直线距离；ω为扫描激光的垂直角度；α为扫描激光的水平旋转角度；x为激光雷达距离扫描点的水平横向距离；y为激光雷达距离扫描点的水平纵向距离；z为激光雷达距离散料数据点的垂直高度；在步骤三中所述得到扫描区域各数据点的装料高度，是通过激光雷达距离车厢底部的垂直高度与激光雷达距离散料数据点的垂直高度z相减获得。
8.方案进一步是：所述提取车厢内散料检测区域，是通过对点云坐标数据进行滤波、降采样、分割、聚类处理后提取出所述检测区域，其中：滤波用于删除离群点数据；降采样用于将数据量降低至原始数据量的20~30%。
9.方案进一步是：所述激光雷达置于装料溜槽上方距离溜槽口的距离小于1米。
10.方案进一步是：所述激光雷达扫描垂直角度是通过在激光雷达安装位置设置的姿态传感器获取的，通过姿态传感器获取的激光雷达安装面与水平地面夹角将所述直角坐标的数据转换为以地面为基准的直角坐标数据，并根据夹角和激光雷达与地面的扫描距离确定激光雷达距离地面的垂直高度。
11.方案进一步是：所述信息处理服务器采用linux操作系统在ros开发环境下处理所述车厢装料横断面平均高度信息的形成过程。
12.方案进一步是：所述激光雷达是单线.方案进一步是：所述实时数据通信的频率至少为50hz。
14.本发明与现有技术的对比其优点是：通过进行二维或三维点云数据的采样与处理，计算得到指定检测区域内的高度特征数据，再实时发送至主控系统plc控制器的特定标签变量，用udp数据通信协议算法，实现激光数据处理器到plc控制器的直接通信，实时数据
通信的频率可以到50hz以上，与行车速度配合反应迅速，散料装箱高度一致，真正做到了实时控制，为智能检测传感器与通用plc控制器间通信提出了最有效的方法，应用前景广阔。
16.图1本发明激光雷达安装位置示意图；图2本发明检测区域位置示意图；图3为垂直于地面安装时的激光雷达扫描与数据点坐标关系示意图。
17.一种用于散料装车的激光雷达数据实时处理与通信方法，用于散装车行进中的装料监控，如图1所示，在散装车经过装车作业区域的装料溜槽1的溜槽口101上方设置激光雷达2，激光雷达2安装在定位板3上，所述激光雷达2置于位于列车行进方向上摆动溜槽的前方和车厢位置的正上方，激光雷达2在装料溜槽上方距离溜槽口的距离小于1米，以有效减小散料高度特征数据测量相对于实际落料时间的滞后时间；所述激光雷达是单线或多线激光雷达，可以对扫描检测区域进行二维或三维点云数据的采样；一个信息处理服务器（未示出）控制激光雷达的扫描并实时获取散装车厢4行进中的装料高度信息，信息处理服务器将高度信息传送至plc控制器（未示出），plc控制器根据高度信息调整装料溜槽口101开度大小，调整溜槽口101开度大小使散装车厢4的装料高度达到预设高度，所述高度信息是车厢装料横向面平均高度信息， 信息处理服务器端口与plc控制器端口之间采用udp协议进行实时数据通信，所述实时数据通信的频率至少为50hz；其中：所述车厢装料横向面平均高度信息的形成过程步骤是：一，确定激光雷达2的安装信息和扫描检测区域7，所述安装信息包括激光雷达2距离地面5的垂直高度与激光雷达扫描垂直角度，所述检测区域为溜槽口下料点向散装车如箭头6所示前进方向的一段距离和散装车厢的宽度形成的区域，并由此得到扫描激光的垂直角度和扫描激光的水平旋转角度；二，获取激光雷达扫描激光点云数据，根据极坐标与直角坐标转换关系由激光雷达扫描的极坐标原始数据确定扫描点云直角坐标数据；三，根据激光雷达扫描点云直角坐标数据提取车厢内散料检测区域，得到扫描检测区域各数据点的装料高度；四，对检测区域内各数据点的装料高度取平均值得到车厢装料横向面平均高度信息。
18.其中：由于落料区域位置物料正在下落，对下方物料有一定遮挡，且落料导致粉尘较大，所计算的坐标数据误差在10~20cm，数据误差很大、不可用，所以检测区域选在车厢行进方向上的落料区域前部位置；即：所述检测区域7为料溜槽口下料点向散装车前进方向的一段距离，是向散装车前进方向距离料溜槽口下料点10cm再向前的20cm至最多100cm的一段距离。其中，散料指定检测区域的位置、尺寸与形状可调，适应不同散料装车作业现场的数据采集需求。
19.实际的操作中：按照上述约定，物料平均高度的计算误差在1cm内。（检测区域越靠
近落料区域误差越大，若完全不包含落料区域，误差在1cm内；若落料区域有小部分包含在检测区域中，误差可达2cm甚至更大。
20.其中的所述提取车厢内散料检测区域，是通过对点云坐标数据进行滤波、降采样、分割处理后，最后用聚类算法提取出所述检测区域，其中：滤波用于删除离群点数据；降采样用于将数据量降低至原始数据量的20~30%。
21.基于分割和聚类算法，并根据物料、车厢的反射率数据，对点云数据进行高度特征分组，分离出物料数据和车厢数据；再根据x、y坐标限制数据范围，从而获得上述指定的检测区域。
22.由于大量的数据点数导致计算时间长，因此采用滤波和降采样可有效降低所计算的数据点数。
23.其中的滤波和降采样、分割和聚类算法是图像数据处理常用技术，将其用于点云处理过程可快速提取出上述的物料指定检测区域，降低物料高度特征数据的计算时间，为提高实时数据通信的频率创造了条件。
24.如图3所示，在当激光雷达垂直于地面安装时，所述激光雷达扫描的极坐标与直角坐标转换的公式是：其中：r为激光雷达2距离扫描点8，即：散料数据点的直线距离；ω为扫描激光的垂直角度；α为扫描激光的水平旋转角度；x、y、z为笛卡尔坐标，其中：x为激光雷达距离扫描点的水平横向距离；y为激光雷达距离扫描点的水平纵向距离；z为激光雷达距离散料数据点的垂直高度；由此，在步骤三中所述得到扫描区域各数据点的装料高度，是通过激光雷达距离车厢底部的垂直高度（这一高度是已知的，通过提供的车厢数据得到）与激光雷达距离散料数据点的垂直高度z相减获得。
25.如果激光雷达不垂直于地面安装，其上述极坐标与直角坐标转换的公式还要按照实际的安装角度进行调整。
测量范围的激光雷达，以获取更佳的测量效果。激光雷达采用垂直测量区域斜向下方的安装方式，以尽可能保证每一线激光均采集到有效的散料形态点云特征数据。根据不同散料装车现场的实际工况和作业需求，确定单线或多线激光雷达的具体安装位置和角度。
27.其中：所述激光雷达扫描垂直角度是通过在激光雷达安装位置设置的姿态传感器获取的，通过姿态传感器获取的激光雷达安装面与水平地面夹角将所述直角坐标的数据转
换为以地面为基准的直角坐标数据，并根据夹角和激光雷达与地面的扫描距离确定激光雷达距离地面的垂直高度。
28.作为信息的快速传递，所述信息处理服务器端口的ip地址与plc控制器端口的ip地址处于同一网段中。
29.已提取的点云高度特征数据由udp协议在局域网中发送，以实现高频率的数据发送与接收要求。udp通信程序附加在点云数据采集与处理程序中，发送如散料平均高度数值等特征数据，且高度特征数据的发送频率可调，可调最大发送频率不低于50hz。本实施例所述信息处理服务器采用linux操作系统在ros开发环境下处理所述车厢装料横断面平均高度信息的形成过程。
30.在散料自动化装车plc控制程序中附加udp通信程序。为实现udp通信，在plc主控系统中选用支持udp协议的、占用资源消耗小、处理速度快的数据传输模块。以ab罗克韦尔的plc主控系统为例，对应可选用en2t模块。此附加程序实现点云数据处理程序向plc控制程序的点云特征数据发送功能，并实现udp协议下的通信连接、消息创建、消息发送与接收功能，所发送或接收的点云数据类型可调。发送端与接收端的网络地址与端口号均可设置，本地网络地址以十六进制形式设置。plc端数据接收速率与数据发送速率均可设置，以适应不同后端控制程序的运行效率。
31.所引入的udp通信程序具有以下功能：可实现处理程序端与控制程序端直接点对点的双向通信，既可以将上述高度特征数值由信息处理服务器发送至plc控制器，也可以将plc控制器的其它数据发送至信息处理服务器端，用于辅助完成数据处理分析；控制器端数据接收频率与数据发送频率至少可达到50hz以上，两者速率均可设置，以适应不同后端控制程序的运行效率；该控制器udp程序可反向发送控制变量至处理器端，以实时传递处理器端算法进行数据处理所需的参数；发送端与接收端的ip地址及端口号均可调；发送端和接收端均可发送或接收布尔型、字符型、整型、浮点型等类型的数据信息。
32.通信程序具有plc控制器端向linux散料点云处理器端发送数据的功能，传递列车实时位置、运行速度等数据处理程序中可用的数据，可用于后续散料特征点云数据处理方法的改进升级。此模型可进一步用于单节车厢散料装车堆积均匀性的衡量，分析是否存在前后偏载等安全问题，判断此节车厢的实际装车效果。
33.本实例方法通过进行二维或三维点云数据的采样与处理，计算得到指定检测区域内的高度特征数据，再实时发送至主控系统plc控制器的特定标签变量，用udp数据通信协议算法，实现激光数据处理器到plc控制器的直接通信，实时数据通信的频率可以到50hz以上，与行车速度配合反应迅速，散料装车高度一致，真正做到了实时控制，为智能检测传感器与通用plc控制器间通信提出了最有效的方法，应用前景广阔。开云体育 开云平台开云体育 开云平台开云体育 开云平台
