王 勇,楊支海,姜 智,張?jiān)?姜 勇

(1.云南馳宏鋅鍺股份公司會(huì)澤冶煉分公司,云南 會(huì)澤 654211;2.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266404;3.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160)

礦山機(jī)械裝備的自動(dòng)化、智能化控制是實(shí)現(xiàn)智慧礦山的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而地下鏟運(yùn)機(jī)的自主鏟裝則是實(shí)現(xiàn)智慧礦山采礦自動(dòng)化的重要一步[1]。如何高效實(shí)現(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)自主鏟裝功能是目前各大礦山企業(yè)和科研院所都在專(zhuān)研的技術(shù)方向,而自主鏟裝功能實(shí)現(xiàn)的首要環(huán)節(jié)是要完成對(duì)礦石料堆的有效識(shí)別[2]。

本文基于三維激光掃描技術(shù),利用三維激光傳感器對(duì)礦石料堆進(jìn)行掃描并實(shí)時(shí)處理其輪廓點(diǎn)云信息,再用PCL 庫(kù)在Ubuntu 系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、配準(zhǔn)、點(diǎn)云分割及高效存儲(chǔ)等一系列處理,從而進(jìn)一步得到礦石料堆的三維深度信息。之后利用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行礦石料堆的輪廓處理;利用料堆輪廓三維信息,結(jié)合某鏟運(yùn)機(jī)鏟裝特性,完成鏟運(yùn)機(jī)鏟裝軌跡規(guī)劃,從而得到鏟裝點(diǎn)和目標(biāo)鏟裝曲線,為實(shí)現(xiàn)自主鏟裝提供理論參考和技術(shù)支持。

1 礦石料堆鏟裝機(jī)構(gòu)及料堆輪廓

鏟運(yùn)機(jī)礦石堆料鏟裝機(jī)構(gòu)為正轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)(如圖1 所示),由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸等結(jié)構(gòu)組成[3]。整個(gè)鏟裝機(jī)構(gòu)鉸接在車(chē)架上,鏟斗通過(guò)連桿和搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接,用于裝卸物料,動(dòng)臂與車(chē)架及動(dòng)臂油缸鉸接,用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的升降均采用液壓操縱。鏟斗斗尖軌跡的運(yùn)動(dòng)控制由動(dòng)臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸及車(chē)輛的前進(jìn)位移控制,實(shí)際工作裝置控制過(guò)程中直接控制對(duì)象應(yīng)為兩油缸驅(qū)動(dòng)及車(chē)輛前進(jìn)位移。

圖1 礦石料堆鏟裝機(jī)構(gòu)示意圖

受礦石類(lèi)型、場(chǎng)地、處理工藝等因素影響,料堆輪廓形狀不一,如圖2 所示。通常情況下料堆輪廓大致分為以下幾種情況:C1曲線礦石料堆因礦石堆積方式的特殊性造成曲線外凸,料堆外擠。C2曲線為正常狀態(tài)下的料堆輪廓,可近似認(rèn)為坡度是料堆安息角。C3曲線表示料堆因粒度太小而造成下滑導(dǎo)致的曲線凹陷[4]。

圖2 礦石料堆輪廓曲線示意圖

鏟裝礦石物料過(guò)程示意圖如圖3 所示。

圖3 鏟裝礦石物料過(guò)程示意圖

2 基于三維激光掃描技術(shù)的車(chē)載系統(tǒng)建模

2.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)并投入實(shí)際應(yīng)用化的一種非接觸主動(dòng)空間信息獲取技術(shù)。其工作原理為:激光掃描儀在其內(nèi)部自裝電動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下,由激光器以高速等角度發(fā)射激光束并通過(guò)反射物折返后接收激光束,通過(guò)計(jì)算飛行時(shí)間(或相位差)獲得掃描儀中心到地物表面的距離,再通過(guò)一系列空間坐標(biāo)變換獲得高精度密集點(diǎn)云[5]。

按照維度主要可以分為線陣激光掃描儀和面陣激光掃描儀[6]。線陣激光掃描儀所發(fā)射的激光束限制在一條掃描線上,只有與地物保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下才能獲取必要的三維信息,其適用方法主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是固定傳感器,對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè);另一類(lèi)是搭載在移動(dòng)平臺(tái)上,在行進(jìn)過(guò)程中獲得地物的三維坐標(biāo)。面陣三維激光掃描儀借助水平和豎直兩個(gè)伺服馬達(dá)等角度運(yùn)動(dòng),能在保持自身靜止的情況下,獲得周?chē)匚锩芗c(diǎn)云,也可搭載在移動(dòng)載體上,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取周?chē)匚锶S點(diǎn)云。

2.2 車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定與轉(zhuǎn)換

把車(chē)載激光掃描系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)剛體,車(chē)輛在行進(jìn)的過(guò)程中,其自身的絕對(duì)位置和姿態(tài)是時(shí)刻變化的,相應(yīng)的載體坐標(biāo)系的位置和方向也是時(shí)刻變化的,但載體坐標(biāo)系和激光傳感器坐標(biāo)之間的關(guān)系是固定的。激光傳感器坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系不重合,存在三個(gè)距離偏移量Δx,Δy,Δz以及三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)偏移量Δα,Δβ,Δγ。要把激光傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到其他坐標(biāo)系,需進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,里面涉及到這六個(gè)參數(shù)變量的標(biāo)定[7]。

假設(shè)有兩個(gè)三維空間直角坐標(biāo)系O-XYZ和O1-X1Y1Z1,如果把O-XYZ坐標(biāo)系下的一點(diǎn)A轉(zhuǎn)化為O1-X1Y1Z1坐標(biāo)系下的A1,則需要進(jìn)行空間坐標(biāo)變換。一般流程是先旋轉(zhuǎn)變換,再平移變換,在這里定義X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)角為Δα,Δβ,Δγ,平移量為Δx,Δy,Δz,可進(jìn)行以下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:

根據(jù)式(1)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理,先把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到激光傳感器坐標(biāo)系下,再由激光傳感器坐標(biāo)系進(jìn)行載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化,逐一有序轉(zhuǎn)化,可以得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)在任一坐標(biāo)系下的位置信息。

2.3 車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)的搭建

車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)是將車(chē)輛作為搭載平臺(tái),集成三維激光傳感器、IMU、GPS 等裝置,在車(chē)輛行駛過(guò)程中采集掃描目標(biāo)地物的三維信息[8]。結(jié)合某地下鏟運(yùn)機(jī),三維激光掃描器安裝方式如圖4所示,激光掃描儀為水平放置,利用其水平方向360°、垂直方向30°掃描范圍對(duì)礦石料堆進(jìn)行掃描。

圖4 車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)示意圖

車(chē)載三維激光掃描試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示:鏟運(yùn)機(jī)在行駛過(guò)程中,首先通過(guò)SLAM 全局定位與建圖后由IMU 記錄車(chē)輛的俯仰、偏航等相對(duì)姿態(tài)信息得到其相對(duì)位置信息;車(chē)載三維激光傳感器獲取地物到激光傳感器中心的距離,實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)地物表面的幾何信息[9]。之后利用三維激光傳感器對(duì)礦石料堆進(jìn)行掃描并實(shí)時(shí)編碼處理信息,通過(guò)PCL 庫(kù)在Ubuntu 系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、配準(zhǔn)、點(diǎn)云分割及高效存儲(chǔ)等一系列處理[10],進(jìn)一步得到礦石料堆的三維深度信息。

圖5 車(chē)載三維激光掃描試驗(yàn)系統(tǒng)

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用

激光傳感器獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為一系列散亂,無(wú)序的空間點(diǎn),相互之間沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)的空間拓?fù)潢P(guān)系,并且點(diǎn)云數(shù)據(jù)量達(dá)到上百萬(wàn)個(gè),因此需要對(duì)其進(jìn)行空間存儲(chǔ)方便調(diào)用。采用空間八叉樹(shù)建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系,方便點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效利用[11]。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用,這里利用PCL(Point Cloud Library)C++編程庫(kù)。PCL 中包含了與點(diǎn)云處理有關(guān)的通用算法和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu),在PCL 中有專(zhuān)門(mén)的autofcore 模塊可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理,PCL框架如圖6 所示。

圖6 PCL 架構(gòu)圖

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理分析

三維激光傳感器對(duì)礦石料堆及其周邊環(huán)境掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行空間管理后需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、濾波、配準(zhǔn)等處理,保證數(shù)據(jù)有效實(shí)用性更強(qiáng)。

先利用坐標(biāo)變換的方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行位置信息處理,采用曲線檢查法和體素濾波法對(duì)礦石料堆進(jìn)行點(diǎn)云噪點(diǎn)和失真點(diǎn)的剔除,并保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑。同時(shí)利用點(diǎn)云配準(zhǔn)ICP 算法對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接匹配[12]。之后為了分離礦石料堆和地面點(diǎn)云信息,利用基于邊界的點(diǎn)云分割算法把地物信息分離出來(lái),為后續(xù)自動(dòng)鏟裝軌跡的規(guī)化作準(zhǔn)備。

某地下礦山巷道礦石料堆實(shí)景如圖7 所示,鏟運(yùn)機(jī)搭載的三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)該礦山巷道進(jìn)行掃描測(cè)試,獲得巷道地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后的輪廓圖如圖8 所示。

圖7 地下巷道地物信息分割圖

圖8 地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割圖

4 結(jié)論

(1)提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的礦石料堆點(diǎn)云識(shí)別與分析方法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石料堆的有效識(shí)別,為自主鏟裝軌跡規(guī)劃提供理論參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2)基于三維激光掃描技術(shù),搭建了某型號(hào)鏟運(yùn)機(jī)的車(chē)載激光掃描系統(tǒng),為后續(xù)礦石料堆的數(shù)據(jù)采集和處理分析提供依據(jù),也為最終的巷道試驗(yàn)提供支撐。

(3)針對(duì)礦石料堆進(jìn)行三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與分析。由于料堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)的海量特點(diǎn),為了保證能其時(shí)效性,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行管理存儲(chǔ),采用空間八叉樹(shù)建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系,實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效利用;運(yùn)用坐標(biāo)變換的方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行位置信息處理,采用曲線檢查法和體素濾波法對(duì)礦石料堆進(jìn)行點(diǎn)云噪點(diǎn)和失真點(diǎn)的剔除,保證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑;同時(shí)利用點(diǎn)云配準(zhǔn)ICP 算法對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接匹配。通過(guò)對(duì)真實(shí)巷道礦石料堆掃描試驗(yàn),獲得了礦石料堆和地面點(diǎn)云信息,利用基于邊界的點(diǎn)云分割算法把地物信息分離出來(lái),驗(yàn)證了該技術(shù)的準(zhǔn)確性。