基于汽车载体进行大型露天料场体积的自动测量设备及方法

摘要

一种基于汽车载体进行大型露天料场体积的自动测量设备及方法，本发明使用汽车作为设备移动的载体和动力，并使用伸缩杆将激光扫描仪升高的离地大约10米的高度，通过2D扫描仪和云台旋转实现三维扫描效果，且实现了GIS平台和激光测量技术的完美结合，本发明结构简单，使用方便，提高系统采集效率，提高系统精度，减少系统的测量难度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型料场体积的自动测量设备及方法，尤其是涉及一种 基于汽车载体进行大型露天料场体积的自动测量设备及方法。

背景技术

目前，对于大型露天料场或料坑的测量，市场上尚无同类产品，大多采 用全站仪等其它便携式设备，人工测量大型露天散堆体积。现有技术主要有 以下三个方面的缺点：

第一：测量精度差，全站仪等便携式设备仅仅是获取大型堆体表面具备 特征的个别点，从而计算大型堆体的三维形态，造成堆体表面图形失真，体 积测量精度差；全站仪只能获取比较有限的特征点坐标数据，实际的堆体外 形尺寸复杂，少量的数据点不能准确的表现堆体的轮廓，只能计算出堆体的 近似体积

第二：测量效率低，全站仪在测量时，需要跑镜员在每个测点放置测镜， 现场环境越恶劣，实施则越困难；测量员需要完成搜寻测镜、对焦、打点、 读数、建站、定向等系列动作，也比较耗费时间，此外还需要绘图员绘制地 图、描绘特征点、记录数据，一个300m*100m的大型料场需要测量一天；

第三：传统的测量方式一般需要四个人配合完成、测量员需要熟悉全站 仪的使用、绘图员需要掌握绘图方面的知识、跑镜员需要到达每个被测量点， 人员素质要求高，技术培训难度大。设备本身操作复杂，需要进行一系列的 培训，一旦操作失误，会造成测量误差很大。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长 期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于汽车载体进行大型 露天料场体积的自动测量设备及方法，以克服上述缺陷。

本发明方案中，使用汽车作为设备移动的载体和动力，并使用伸缩杆将 激光扫描仪升高的离地大约10米的高度。主要涉及如下几种核心传感器及方 法，包括但不限于下述几种传感器。

第一：2D激光扫描仪是一种具备高速旋转的点扫描仪，最高可以达到 100Hz的数据采样频率。由于其具备高速旋转的特性，在载体移动或者旋转 速度较慢时，可以认为是线扫描，系统配合旋转云台，可以获取大型堆体表 面的三维数据。当然，3D激光扫描仪可以直接输出物体几何表面的点云坐标 而无需云台支持。

第二：高精度差分GPS是一种利用实时载波相位动态差分测量技术获取 测点GPS坐标的设备，其定位精度达到2cm+1PPM(1PPM表示基准站与移动站没 相隔10公里，误差增大1cm)，同时可以输出航向信息，从而将扫描仪获取的 三维数据按照大地坐标进行拼接，获取整个料场的三维数据。

第三：倾角传感器可以获取设备二维姿态信息，从而减少车辆倾斜、地 面不平坦等对测量结果的影响。

本发明方案中，还涉及一种大型露天料场的测量方法，本方法适合于大 型料场或料坑的体积测量。该方法基于GIS平台，对于大型料场采用多点测 量、单独解算、数据合并的计算方法，并三维成图。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于汽车载体进行大型露天料场体积的自 动测量设备及方法，其结构简单，使用方便，提高系统采集效率，提高系统 精度，减少系统的测量难度。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于汽车载体进行大型露天料场体 积的自动测量设备，其包含汽车载体、控制系统、供电系统、升降装置及测 量系统，其特征在于：

该控制系统包含设置于汽车载体上的控制箱，该控制箱内设置有采集工 控机以接收信号和发送信号，该控制系统还包含通过无线或有线网络与采集 工控机连接的计算机；

该升降装置包含固定于汽车载体上的底板和从底板向上延伸的升降杆， 底板上安装有驱动升降杆进行升降的驱动机构；

该测量系统包含罗经天线、转接板、云台、托板、扫描仪和倾角传感器， 该罗经天线设置于汽车载体的适当位置，该转接板可拆卸的固定于升降杆的 顶部以随之升降移动，该云台固定于该转接板上，该托板可旋转的固定于该 云台上，该扫描仪和倾角传感器固定于该托板上，该扫描仪为二维激光扫描 仪。

其中，该供电系统置于汽车载体上，其包含电池、逆变器、充电机、及 综合电源等，以为其他装置提供电力。

其中，该供电系统还可包含备用发电机以确保电力供给，该备用发电机 为手提式便携式发电机。

其中，该云台内置有驱动托板进行旋转的驱动装置，该驱动装置包含电 机、驱动齿轮、从动齿轮，该电机设置于云台上，驱动齿轮位于电机的输出 轴上以随之转动，该从动齿轮位于托板的中心轴上，该驱动齿轮与从动齿轮 啮合传动。

还公开了这种自动测量设备的测量方法，其特征在于测量步骤为：

测量准备：使用设备前，需打开RTK基准站和车载设备电源进行供电；

料场边界：采集料场数据前，首先需要获取料场边界，以便剔除料场外 的无效数据；

数据采集：边界采集完毕后，选择相应料场进行采集中，实时显示当前 能扫描仪到的区域，该帧数据采集完毕后，计算该帧数据实际覆盖的区域；

数据计算：数据采集完毕后，将数据转换为料场表面点云数据进行三维 计算。

其中，料场扫描完成之后，需要对所有单点数据进行转换及数据拼接， 利用GPS坐标信息和卫星罗经的航向信息，将所有测量点转换到大地坐标系 中，测量基点A的坐标是（X1，Y1，Z1），以A点为“原点”，测量得到的P 点坐标为（X2，Y2，Z2），则转换到基准站O为原点的统一坐标系中的坐标 为

$\left(\begin{array}{c}{X}_{\Delta }=x_1+x_2\\ Y_{\Delta }=y_1+y_2\\ Z_{\Delta }=z_1+z_2\end{array}\right).$

通过上述结构，本发明的汽车载体进行大型露天料场体积的自动测量设 备及方法能实现如下技术效果：

1、高效率

本发明采用多传感器集成技术，通过扫描仪可以直接获取被测点坐标、 并且扫描仪的本身坐标位置可以使用高精度差分获取，姿态信息可以通过倾 角传感器获得，因此点坐标数据的获取可以自动完成、并自动存储，效率高。

2、高精度

本发明使用高精度扫描仪获取点坐标数据，精度达到毫米级，可以对堆 体表面进行连续的密集扫描，能得到大量的点坐标数据，可以更加近似的模 拟出堆体的外形轮廓。

3、操作简单

本发明中不但包含系统硬件，还包含完善的系统软件，本发明设备只需 要在现场控制伸缩杆起降、在软件界面点击开始测量、结束测量，即可完成 对料场数据的采集。

本发明将通过下面的具体实施例进行进一步的详细描述，且进一步结合 对附图的说明将得到更加清楚和明显的了解。

附图说明

图1显示了本发明的基于汽车载体进行大型露天料场体积的自动测量设 备的结构示意图。

图2显示了本发明3D扫描示意图。

图3显示了本发明的扫描区域示意图。

图4显示了本发明覆盖测量示意图。

图5显示了本发明的坐标转换示意图。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的基于汽车载体进行大型露天料场体积的自动 测量设备的结构示意图。

该自动测量设备包含汽车载体1、控制系统、供电系统4、升降装置及测 量系统，其中该汽车载体1可以为图1所示的皮卡类车辆，也可以是越野车等 便于安装的各种车辆。

其中，该控制系统包含设置于汽车载体1上的控制箱2，该控制箱2内设 置有采集工控机以接收信号和发送信号，该控制系统还包含计算机3，该计 算机3通过无线或有线网络与控制箱2内的采集工控机连接以进行数据读取 和测量操作，在图1中，该计算机3设置于汽车载体1上，也可将该计算机3设 置于它处已进行远程监控，优选的是，该计算机3可以为笔记本。

其中，该供电系统4设置于汽车载体1上，其包含电池、逆变器、充电机、 定位传感器及综合电源等，以为其他装置提供电力，该供电系统还可包含备 用发电机以确保电力供给，该备用发电机优选为手提式便携式发电机。

其中，该升降装置包含固定于汽车载体1上的底板和从底板向上延伸的 升降杆6，底板上安装有驱动升降杆6进行升降的驱动机构，优选的是，该驱 动机构包含固定于底板上的直线电机、连接于电机输出轴的变速箱、位于变 速箱输出轴的驱动部件，可选的是，各种机械上的升降驱动机构均可应用于 本发明，该驱动机构连接于采集工控机，由采集工控机接收升降信号并进行 升降杆6的升降驱动。

优选的是，该升降杆6降低后高度为1.9m，最大可升至10m，其升高后可 通过斜拉绳进行固定。

其中，该测量系统包含罗经天线5、转接板9、云台10、托板7、扫描仪8 和倾角传感器11，该罗经天线5设置于汽车载体1的适当位置以接收整个设备 的定位信号，该罗经天线5于采集工控机连接以传输定位信号，优选的是， 该罗经天线为GPS天线，其获得GPS信号数据，包括经度、纬度、航向角等。

该转接板9可拆卸的固定于升降杆6的顶部以随之升降移动，以方便进行 拆装，从而在运输时无需安装，方便了存储。

该云台10固定于该转接板9上，该托板7可旋转的固定于该云台10上，该 云台10上设置有可驱动托板7进行旋转的驱动装置，优选的是，该驱动装置 包含电机、驱动齿轮、从动齿轮，该电机设置于云台上，驱动齿轮位于电机 的输出轴上以随之转动，该从动齿轮位于托板7的中心轴上，该驱动齿轮与 从动齿轮啮合传动，由此，通过电机的驱动，托板7可随之在云台10上旋转。

可选的是，各种机械上的驱动装置均可应用于本发明，该驱动装置连接 于采集工控机，由采集工控机接收托板7的旋转信号并进行托板7在云台10上 的旋转驱动。

该扫描仪8和倾角传感器11固定于该托板7上，该扫描仪8为二维激光扫 描仪，由此，该扫描仪8和倾角传感器11可随托板7在云台10上旋转，故通过 托板7的旋转以及扫描仪8的二维扫描，实现对料场体积的三维扫描，由此， 可克服现有3D扫描仪适应性差的局限，利用2D扫描技术结合旋转云台，将一 个2D扫描设备变成一个扫描方式、范围和速度皆可控制的3D扫描，在2D逐帧 扫描过程，控制系统利用云台带动扫描仪旋转，扫描面也随之变化，最终形 成和3D扫描仪一致的效果。

其中，该扫描仪8和倾角传感器11均连接于采集工控机以传输信号，该 扫描仪8可为二维激光扫描仪，该倾角传感器11输出该托板7的倾斜角度信号 以避免汽车载体对扫描图像的角度影响，该倾角传感器11获得X轴倾角、Y轴 倾角、温度等数据。

下面介绍帮本发明的基于汽车载体进行大型露天料场体积的自动测量 方法。

本发明的操作顺序如下：

测量准备：使用设备前，需打开RTK基准站和车载设备电源，用于个各 种测量传感器、升降杆、采集工控机、笔记本供电。

料场边界：采集料场数据前，首先需要获取料场边界，以便剔除料场外 的无效数据。

数据采集：边界采集完毕后，选择相应料场，开始采集。采集过程中， 会实时显示当前可能扫描仪到的区域，该帧数据采集完毕后，根据预设的算 法，计算该帧数据实际覆盖的区域。

数据计算：数据采集完毕后，软件会自动将数据转换为料场表面点云数 据，进行三维计算。

其中数据采集的步骤包含：

第一步：料场边界采集，车辆围绕料场周围行走一圈即可，同时针对特 殊情况，支持手动编辑。采集边界的同时，同时采集边界海拔高度，以修正 由于料场基面不平，造成的测量误差。采集边界的目的是为了踢出料场以为 的无用数据。

第二步：建立相应的料场名称，并选择对应的料场边界，即可进行数据 采集。数据采集过程中，可以实时显示各种传感器的工作状态以及完成状态。

如图2所示，该自动测量设备在每个测量基点进行测量时，扫描仪的电 机轴沿X轴转动，扫描面竖直向下，辅助转动机构（如云台）带动扫描仪转 动，转轴沿Z轴方向。扫描仪形成的扫描区域如图3所示，根据精度要求的需 要，只选取其中一个矩形框内的数据作为有效数据。单点数据测量完毕，即 可知道该点测量可以覆盖的范围，并进行标记，车辆移动过程中，可以实时 现在当前位置采集可以覆盖的范围。

如图4所示，小矩形框为扫描仪在单点测量能覆盖的测量区域（实际测 量区不一定是矩形）。为完成对整个料场的测量，需要对一个大型露天料场 进行多次测量（图中A、B、C、D、E等），在每个测量基点，首先通过定位 设备获得测量基点位置坐标（相对于基准站O.0）及航向（相对于地球南北 极），再通过云台的转动，可以扫描到一定范围内料场的外形轮廓数据，即 相对于当前测量基点的相对坐标。完成一个测量基点的扫描工作，移动测量 车移动到下一个基点进行扫描，直至覆盖料场所有范围。测量完成之后，通 过坐标换算，就可以将图中所有测量点的坐标都转换到以基准站O为原点的 统一坐标系中。

为方便用户对测量基点进行选择，在采集控制器上设计测量基点辅助选 择程序。对于一个新的料场，需要通过全站仪或高精度GPS，获得料场的边 界坐标数据，将该坐标数据输入到采集软件中，即设定料场边界。每个料场 只需要进行一次边界测量和设定操作，设定完成之后，采集软件可以显示料 场边界地图，并动态显示扫描仪在当前位置能覆盖的测量区域。用户根据该 地图提示，并结合料场道路情况，可以选择合适的测量基点完成扫描任务。 完成一个基点的测量后，采集控制器对已测区域进行标记，防止用户对料场 数据的重复测量，也能防止漏测，用户借助该程序可以高效的完成整个料场 的测量。

参见图5，料场扫描完成之后，需要对所有单点数据进行转换及数据拼 接，利用GPS坐标信息和卫星罗经的航向信息，将所有测量点转换到统一到 大地坐标系中，以便于进行三维建模。测量基点A的坐标是（X1，Y1，Z1）， 以A点为“原点”，测量得到的P点坐标为（X2，Y2，Z2），则转换到基准站 O为原点的统一坐标系中的坐标为

$\left(\begin{array}{cc}{X}_{\Delta }=x_1+x_2& ······\left(3\right)\\ Y_{\Delta }=y_1+y_2& ······\left(4\right)\\ Z_{\Delta }=z_1+z_2& ······\left(5\right)\end{array}\right)$

优选的是，本发明采用了GIS系统，既地理信息系统（Geographic  Information System），地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算 机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析 具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单 的说，GIS是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统，是以测绘测量 为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全 球空间分析即时技术。

本发明充分利用GIS的优势，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理 数据，为系统提供管理、决策等所需信息的技术系统。

本发明有大地坐标系为参考坐标系，以GPS坐标为参考坐标，根据获取 的GPS位置坐标，实时现在当前位置进行数据采集，可能覆盖的料场范围。 为系统进行数据采集提供可参考的依据。

本发明的优点如下：

本发明解决了大型料场多点测量，单独解算，数据合并计算方法问题， 推导演算了数据合并公式。

本发明以GIS平台为基础，实现数据采集过程的动态管理。

本发明解决了测量效率低下问题。系统采用全自动化的传感器设备及配 套采集、监控、处理软件，人工干预少。操作简单，采集效率高，单点数据 采集不超过100秒，单点覆盖范围可以达到直接100米的范围。

本发明解决了测量精度差的问题。系统采用高精度激光扫描仪，精度达 到毫米级，对料场表面进行密集采集。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的 公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实 施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳 模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明 书和所附的权利要求的任何实施例。