CN102410834B - 三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，主要包括：机械单元、激光数据采集单元、控制驱动与反馈单元、通信及上位机单元。该装置运用激光数据采集单元获取尾矿坝体表面的场景极半径信息，运用控制驱动与反馈单元带动激光数据采集单元进行水平和竖直维度的旋转，对尾矿坝体表面大场景匀速扫描并实时获取水平和竖直维度的角度信息，运用通信及上位机单元将获取的距离及角度信息通过高速数据采集卡传输给上位机，上位机软件处理场景极半径与水平和竖直维度旋转角度信息恢复场景的真三维图像，建立理想状态下的尾矿坝体标准点云模型，存入数据库，用作智能监测的对比模板，在装置动态扫描过程中，利用动态监测算法，通过与模板的对比，对突发灾害进行定性和定量估算。便于操作管理人员及时实施启动相应的应急预案，避免灾害进一步扩大。

Description

三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置

技术领域

本发明涉及非接触测量技术，具体地涉及三维激光扫描尾矿坝体的非接触动态在线监测***装置。

背景技术

国家安全生产“十二五”发展规划中对三等及以上尾矿库限期全部安装在线监测***装置提出了明确要求。三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置作为尾矿坝体在线监控***的典型样机，适应时代关于安全稳步发展的需要，对保护国家和人民的生命财产安全具有重要意义。

国外在尾矿库安全运行监测上已形成了包含现场实时数据采集、数据资料综合分析和安全警报等功能的监测预警***。而国内的尾矿坝体监测主要包括人工测量、光纤监测及全站仪监测等方法，人工采用传统仪器到现场进行测量，易受环境和现场条件的影响，且采集精度不高、信息滞后，同时还存在人员的人身安全问题；运用光纤监测安装复杂，干扰施工，成本高，不适于远距离测量，且误差较大；运用全站仪需要在多个位置进行测量，采样点稀疏且费时。目前尾矿坝体监测开始转向以自动化、网络化和信息管理智能化为手段的数字监控，迫切需要一种高精度、低成本和高效率的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，满足国家关于安全生产的要求。

发明内容

本发明的解决的技术问题：克服现有在线监测技术的不足，提供一套三维激光扫描尾矿坝体的非接触动态在线监测装置，实现非接触在线定时监测，单次扫描速度快，测量精度高，成本低；本发明有效地解决了国家关于安全生产的要求，且装置适用于不同场景的尾矿坝体监测。

本发明的技术方案：三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于包括：机械单元、激光数据采集单元、控制驱动与反馈单元、通信及上位机单元，其中

机械单元，用于连接激光数据采集单元与水平方向电机和竖直方向电机，实现激光数据采集单元的水平和竖直方向扫描；水平方向旋转变压器与水平方向电机在水平方向电机与水平方向旋转变压器连接装置的固定下同步运动，竖直方向旋转变压器和竖直方向电机在竖直方向电机与竖直方向旋转变压器连接装置的固定下同步运动。

激光数据采集单元，可实时获取地物点场景极半径信息，在水平方向电机和竖直方向电机的带动下，对尾矿坝体全景扫描，将获得的数据信息通过高速数据采集卡传递给上位机。

控制驱动与反馈单元，水平方向驱动器和竖直方向驱动器分别控制水平方向电机和竖直方向电机，带动激光数据采集单元实现水平和竖直维度的匀速扫描，通过水平方向旋转变压器和竖直方向旋转变压器实时获取各个扫描位置的角度信息，在水平方向旋转变压器-数字转换器和竖直方向旋转变压器-数字转换器的整合下分别传递给水平方向驱动器和竖直方向驱动器，通过高速数据采集卡传递给上位机。

通信及上位机单元，高速数据采集卡将激光数据采集单元获取的场景极半径信息、水平方向旋转变压器及竖直方向旋转变压器获得的角度信息实时传送到上位机。上位机对获取数据进行***矫正，将各坐标系的数据归一化到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的基准坐标系下，并将结果以三维点云的形式显示出来；对各个标志点的三维坐标运用智能监测算法，判断其是否与标准库的结果一致；若不一致，则启动相应的应急预案。

所述的激光数据采集单元为单点激光传感器，在自然表面下采样量程不小于300m，采样频率不小于2000，测量精度不小于60mm，具有RS-232/422/485接口的基于脉冲反射时差法的激光传感器。较高的采样频率可减少单次激光扫描时间，激光传感器的测量精度越高，三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的扫描精度就越高，更加接近场景的真三维图像，且控制接口简单。

所述的水平方向电机为功率不小于172.8W，最大空载转速630r/min，峰值堵转扭矩不小于2.2N.m，电流不小于3.6A，质量小于1.5Kg，力矩电机通常使用在堵转或低速情况下，具有堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强，通过调节端电压来控制输出力矩与转速的大小，体积较小等特点。

所述的竖直方向电机为功率不小于211.2w，最大空载转速460r/min，峰值堵转扭矩不小于4.4N.m，电流不小于4.4A，质量小于2.4Kg，力矩电机通常使用在堵转或低速情况下，具有堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强，通过调节端电压来控制输出力矩与转速的大小，体积较小等特点。

所述的水平方向旋转变压器为转换率最大为0.5±5％，最大电气误差为±10′，适用于-55～+155℃的环境，质量小于0.065Kg，输出为正余弦模拟信号的角度传感器。适用于高温、严寒、潮湿、高振动等环境，为高精度监测、应用广泛打下基础。

所述的竖直方向旋转变压器为转换率最大为0.5±5％，最大电气误差为±10′，适用于-55～+155℃的环境，质量小于0.065Kg，输出为正余弦模拟信号的角度传感器。适用于高温、严寒、潮湿、高振动等环境，为高精度监测、应用广泛打下基础。

所述的水平方向旋转变压器-数字转换器为分辨率不小于14位，脉冲数不小于16384，将水平方向旋转变压器获得的正余弦模拟信号转换为A、B、Z相脉冲信号，可用于-40～+85℃环境的角度解码器。该输出信号简单，采样分辨率高，可实现对水平方向电机的精确控制。

所述的竖直方向旋转变压器-数字转换器为分辨率不小于14位，脉冲数不小于16384，将竖直方向旋转变压器获得的正余弦模拟信号转换为A、B、Z相脉冲信号，可用于-40～+85℃环境的角度解码器。该输出信号简单，采样分辨率高，可实现对竖直方向电机的精确控制。

所述的水平方向驱动器为额定电压+80V以内，额定电流8A，输入角度信号为A、B、Z相脉冲信号，具有R232接口的直流电机驱动器。实现对水平方向力矩电机的闭环控制，并将实时获取的水平方向角度信息传输给上位机，为高精度监测的实现打下基础。

所述的竖直方向驱动器为额定电压+80V以内，额定电流8A，输入角度信号为A、B、Z相脉冲信号，具有R232接口的直流电机驱动器。实现对竖直方向力矩电机的闭环控制，并将实时获取的竖直方向角度信息传输给上位机，为高精度监测的实现打下基础。

所述的高速数据采集卡为供电电压在12～48V，输出为RJ45型网卡接口、支持10兆和100兆自适应的网络连接速度，至少具有四个RS-232/422/485接口的数据传输装置，为高速精准的数据传输打下基础。

所述通信及上位机单元中的上位机为至少具有网口，***内存大于2GB，支持WindowsXP操作***的工控机，具有较高的可靠性。

所述通信及上位机单元中的控制软件实现过程如下：

1)激光数据采集单元与控制驱动及反馈单元初始化：***上电后，水平方向电机和竖直方向电机分别按照水平方向驱动器和竖直方向驱动器的设置运动到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置基准位置，高速数据采集卡自启动成功；

2)通信及上位机单元初始化：设置激光数据采集单元的串口相关参数，连接激光数据采集单元，设置激光脉冲的发射频率；设置控制驱动及反馈单元的功能参数：控制串口号、扫描范围、扫描速度，根据工程的要求定时设置当天的扫描次数及扫描时间间隔时间，设置各个扫描标志点的位置参数；

3)启动在线监测按钮，激光数据采集单元和控制驱动及反馈单元实时将获取的场景极半径信息、水平和竖直方向的角度信息通过高速数据采集卡传递给上位机做进一步处理；

4)解算数据；

上位机对采集的数据信息运用坐标归一算法处理，即将激光数据采集单元坐标系、水平方向旋转变压器坐标系和竖直方向旋转变压器坐标系归一到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的基准坐标系下。具体过程如图2所示，建立激光数据采集单元原点坐标系O_L-X_LY_LZ_L、***基准坐标系O_B-X_BY_BZ_B以及三个过渡坐标系O_M-X_MY_MZ_M、O_H-X_HY_HZ_H及O_V-X_VY_VZ_V，且各坐标系均为笛卡尔右手坐标系。根据坐标系的相关转换关系，解算出场景空间点在三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置基准坐标系O_B-X_BY_BZ_B下的三维坐标通式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=(r+\mathrm{\Δ}{x}^{\′})\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\α\Δz}+\cos \mathrm{\α\Δx}\\ y_B=(r+\mathrm{\Δ}{x}^{\′})\sin \mathrm{\β}\\ z_B=-(r+\mathrm{\Δ}{x}^{\′})\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\α\Δz}-\sin \mathrm{\α\Δx}\end{array}\right.$

其中，

α、β分别为竖直方向旋转变压器(14)和水平方向旋转变压器(8)的获取信息；

r为场景极半径信息；

Δx、Δz、Δx′分别为坐标系间沿相关坐标轴的偏移值，当***整体装配完成后，Δx、Δz为固定值，可通过机械设计尺寸推算得出，Δx′为激光数据采集单元(2)测量原点与水平旋转轴之间的偏移值；

将上述经坐标归一算法处理过的数据进行精简、降噪处理后予以实时显示，将扫描结果以三维坐标的形式实时存储在Excel中，并将各个标志点的三维坐标存储在Excel中；其中，扫描参数因应用区域的远近不同而不同，在装置初次使用时，对扫描参数予以精准设定，存储在上位机的存储数据库中，并将测量的三维点云数据库精准模型及标志点的三维坐标信息存入智能对比模板数据库；

5)计算三维点云模型及标志点三维信息是否与标准库的结果一致，若不一致，则启动相应的应急预案；

6)判断尾矿坝体扫描是否结束：若扫描结束，装置停止本次工作，根据三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置关于定时扫描的设置，再次启动进入第3步，继续进行监测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明装置使用上位机软件对各单元统一控制，采用激光数据采集单元对尾矿坝体实时扫描，上位机软件进行处理与结果显示，为非接触检测，因此检测方便，自动化程度高，可长时间工作，没有因人员疲劳导致出错的现象；

2)本发明装置实现非接触在线定时监测，单次扫描速度快，测量精度高，成本低；

3)本发明装置有效地解决了国家关于安全生产的要求，且装置适用于不同场景的尾矿坝体监测。

附图说明

图1为本发明三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的***结构图；

图2为本发明三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的***标定坐标系；

图3为本发明三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的工作流程图；

图4为实际的尾矿坝体场景外观图；

图5为本发明处理后的三维点云模型图，其中灰色点代表各个标志点。

其中，图1，1、机械单元；2、激光数据采集单元；3、控制驱动与反馈单元；4、通信及上位机单元；5、激光固定装置；6、水平方向电机；7、激光与水平方向电机连接装置；8、水平方向旋转变压器；9、水平方向电机与水平方向旋转变压器连接装置；10、水平方向旋转变压器-数字转换器；11、水平方向驱动器；12、竖直方向电机；13、水平方向电机与竖直方向电机连接装置；14、竖直方向旋转变压器；15、竖直方向电机与竖直方向旋转变压器连接装置；16、竖直方向旋转变压器-数字转换器；17、竖直方向驱动器；18、高速数据采集卡；19、上位机。

具体实施方式

如图1所示，本发明的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，包括：机械单元1、激光数据采集单元2、控制驱动与反馈单元3、通信及上位机单元4，其中

机械单元1，用于连接激光数据采集单元2与水平方向电机6和竖直方向电机12，实现激光数据采集单元2的水平和竖直方向扫描；水平方向旋转变压器8与水平方向电机6在水平方向电机与水平方向旋转变压器连接装置9的固定下同步运动，竖直方向旋转变压器14和竖直方向电机12在竖直方向电机与竖直方向旋转变压器连接装置15的固定下同步运动。

激光数据采集单元2，可实时获取地物点场景极半径信息，在水平方向电机6和竖直方向电机12的带动下，对尾矿坝体全景扫描，将获得的数据信息通过高速数据采集卡18传递给上位机19；

控制驱动及反馈单元3，水平方向驱动器11和竖直方向驱动器17分别控制水平方向电机6和竖直方向电机12，带动激光数据采集单元2实现水平和竖直维度的匀速扫描，通过水平方向旋转变压器8和竖直方向旋转变压器14实时获取各个扫描位置的角度信息，在水平方向旋转变压器-数字转换器10和竖直方向旋转变压器-数字转换器16的整合下分别传递给水平方向驱动器11和竖直方向驱动器17，通过高速数据采集卡18传递给上位机19。

通信及上位机单元4，高速数据采集卡18将激光数据采集单元2获取的场景极半径信息、水平方向旋转变压器8及竖直方向旋转变压器14获得的角度信息实时传送到上位机19。上位机19对获取数据进行***矫正，将各坐标系的数据归一化到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的基准坐标系下，并将结果以三维点云的形式显示出来；对各个标志点的三维坐标运用智能监测算法，判断其是否与标准库的结果一致；若不一致，则启动相应的应急预案。

将各单元相关部件进行装配，连接好供电与信号线，首先进行整个装置关键部件的开发。为连接上位机19与高速数据采集卡18安装驱动程序，在高速数据采集卡18的***页面下，按照激光数据采集单元2、水平方向电机驱动器11和竖直方向电机驱动器17各自端口的要求进行设置，有效地建立上位机19与各个传感器的数据通道。依据激光数据采集单元2底层控制指令，对激光数据采集单元2进行开发，上位机软件以串口控制发送相应命令字的方式实现对激光数据采集单元2的参数设置与数据接收。依据水平方向电机6、水平方向旋转变压器8、竖直方向电机12和竖直方向旋转变压器14的参数设置水平方向驱动器和竖直方向驱动器，分别调节其PID参数，使水平方向电机6和竖直方向电机12稳步运行，设置相应程序，使水平方向电机6和竖直方向电机12在上电的同时经过某些位姿的变换恢复到三维激光扫描动态监测***装置基准位置。

如图3所示，本发明装置的工作流程具体如下：

1)确认部件供电、信号线路正确连接，装置上电，控制驱动及反馈单元(3)带动激光数据采集单元2运动到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置基准位置，等待通信及上位机单元4的指令；

2)通信及上位机单元4初始化：设置激光数据采集单元2的串口相关参数，连接激光数据采集单元2，设置激光脉冲的发射频率；设置控制驱动与反馈单元3的功能参数：控制串口号、扫描范围、扫描速度，根据工程的要求定时设置当天的扫描次数及扫描时间间隔，设置各个扫描标志点的位置参数；

3)启动在线监测按钮，激光数据采集单元2和控制驱动及反馈单元3实时将数据信息通过高速数据采集卡18传递给上位机19做进一步处理；

4)解算数据；

在监测过程中，上位机软件对采集的数据信息运用坐标归一算法处理，即将激光数据采集单元2坐标系、水平方向旋转变压器8坐标系和竖直方向旋转变压器14坐标系归一到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的基准坐标系下。当***整体装配完成后，竖直旋转轴中心线与水平旋转轴中心线位于同一个平面，通过机械设计尺寸推算得出Δx＝0、Δz＝113.5mm，激光数据采集单元2光心与水平旋转轴之间的偏移值Δx′＝74.5mm。代入场景空间点在三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置基准坐标系O_B-X_BY_BZ_B下的三维坐标通式得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=(r+0.0745)\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+0.1135\sin \mathrm{\α}\\ y_B=(r+0.0745)\sin \mathrm{\β}\\ z_B=-(r+0.0745)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+0.01135\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中，

α、β分别为竖直方向旋转变压器(14)和水平方向旋转变压器(8)的获取信息；

r为场景极半径信息；

将上述经坐标归一算法处理过的数据进行精简、降噪处理后予以实时显示，将扫描结果以三维坐标的形式实时存储在Excel中，并将各个标志点的三维坐标存储在Excel中；其中，扫描参数因应用区域的远近不同而不同，在装置初次使用时，对扫描参数予以精准设定，存储在上位机19的存储数据库中，并将测量的三维点云数据库精准模型及标志点的三维坐标信息存入智能对比模板数据库。

5)计算三维点云模型及标志点三维信息是否与标准库的结果一致，若不一致，则启动相应的应急预案；

6)判断尾矿坝体扫描是否结束；

若扫描结束，装置停止本次工作，根据上位机软件关于定时扫描的设置，再次启动进入第3步，继续进行监测。

Claims (9)

1.三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于包括：机械单元（1）、激光数据采集单元（2）、控制驱动与反馈单元（3）、通信及上位机单元（4），其中 

机械单元（1），主要用于连接激光数据采集单元（2）与水平方向电机（6）和竖直方向电机（12），实现激光数据采集单元（2）的水平和竖直方向扫描；分别固定水平方向旋转变压器（8）与水平方向电机（6）及竖直方向旋转变压器（14）和竖直方向电机（12）使之同步运动；

激光数据采集单元（2），可实时获取地物点场景极半径信息，在水平方向电机（6）和竖直方向电机（12）的带动下，对尾矿坝体全景扫描，将获得的数据信息通过高数据采集卡（18）传递给上位机（19）； 

控制驱动及反馈单元（3），水平方向驱动器（11）和竖直方向驱动器（17）分别控制水平方向电机（6）和竖直方向电机（12），带动激光数据采集单元（2）实现水平和竖直维度的匀速扫描，通过水平方向旋转变压器（8）和竖直方向旋转变压器（14）实时获取各个扫描位置的角度信息，在水平方向旋转变压器-数字转换器（10）和竖直方向旋转变压器-数字转换器（16）的整合下分别传递给水平方向驱动器（11）和竖直方向驱动器（17），通过高速数据采集卡（18）传递给上位机（19）；

通信及上位机单元（4），高速数据采集卡（18）将激光数据采集单元（2）获取的场景极半径信息、水平方向旋转变压器（8）及竖直方向旋转变压器（14）获得的角度信息实时传送到上位机（19），上位机（19）对获取数据进行***矫正，将各坐标系的数据归一化到三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置的基准坐标系下，并将结果以三维点云的形式显示出来；对各个标志点的三维坐标运用智能监测算法，判断其是否与标准库的结果一致；若不一致，则启动相应的应急预案。 

2.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的水平方向电机（6）为功率至少为172.8W，最大空载转速630r/min,峰值堵转扭矩不少于2.2N.m，电流不小于3.6A，质量小于1.5Kg的力矩电机。 

3.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的竖直方向电机（12）为功率至少为211.2W，最大空载转速460r/min,峰值堵转扭矩不少于4.4N.m，电流不小于4.4A，质量小于2.4Kg的力矩电机。 

4.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的水平方向旋转变压器（8）为转换率最大为0.5±5％，最大电气误差为±10′，适用于-55~+155℃的环境，质量小于0.065Kg，输出为正余弦模拟信号的角度传感器。 

5.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的竖直方向旋转变压器（14）为转换率最大为0.5±5％，最大电气误差为±10′，适用于-55~+155℃的环境，质量小于0.065Kg，输出为正余弦模拟信号的角度传感器。 

6.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的水平方向驱动器（11）为额定电压+80V以内，额定电流8A，输入角度信号为A、B、Z相脉冲信号，具有R232接口的直流电机驱动器。 

7.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的竖直方向驱动器（17）为额定电压+80V以内，额定电流8A，输入角度信号为A、B、Z相脉冲信号，具有R232接口的直流电机驱动器。 

8.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的高速数据采集卡（18）为供电电压12~48V，输出为RJ45型网卡接口、支持10兆和100兆自适应的网络连接速度，具有四个RS-232/422/485接口的数据传输装置。 

9.根据权利要求1所述的三维激光扫描尾矿坝体动态监测***装置，其特征在于：所述的上位机（19）为至少具有网口，***内存大于2GB，支持Windows XP操作***的工控机。 

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