CN117232387A - 一种激光与扫描立体建模终端设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光与扫描立体建模终端设备及方法，包括：控制器，用以利用预置旋转角度确定逻辑，控制舵机改变第一转动轴和第二转动轴的选择角度，以控制预置激光器向被测区域发射预置频率及宽度的激光脉冲，控制器与舵机连接；舵机，其连接于控制器及激光扫描模块，舵机包括：不少于2个的转动轴，舵机利用转动轴驱动激光扫描模块转动，舵机与控制器及激光扫描模块连接；激光扫描模块，用以扫描并测量被测目标，以得到被测煤堆三维坐标及被测煤堆三维图形，据以处理得到被测目标三维模型。本发明解决了依赖人工、计量精度差以及动态监测实现困难的技术问题。

Description

一种激光与扫描立体建模终端设备及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉建模领域，具体涉及一种激光与扫描立体建模终端设备及方法。

背景技术

煤炭作为我国的主要能源，其相关产业推动着社会经济的发展。煤炭管理是企业生产管理的重要环节，对企业的经济指标有着直接影响，因而一方面需要更加准确、快速的盘点出储煤场的储煤量，另一方面需要反映出煤堆的实时三维动态，防止煤堆的燃烧和对环境的污染。煤场是指堆放燃煤的场所，通常为燃煤发电厂或钢铁厂的附属设施，目前大部分大型燃煤发电厂的煤场采用区域划分，多组煤堆存放模式，但是煤堆的体积不稳定，随着取煤或天气的变化随之变化，容易导致管理者无法对煤场的燃煤总数和燃煤分布和质量情况取得实时且清晰的数据。

由此产生了一个问题：如何精准动态地测量煤堆。目前广泛使用的盘煤方法为人工计量法和激光测量法。人工计量法即先将煤堆整合成一近似梯形立方体，再用工具进行人工丈量并根据经验进行估算，最后得出近似值。这种方法费时费力，主观人为因素影响较大，计量并不十分准确，严重制约了企业的现代化管理。激光测量法即采用三维激光扫描仪对煤堆进行三维模型重建，首先对煤堆扫描获取点云数据，再进行数据处理并实现三维模型重建，最后完成对煤堆的储量计算和测量。

公布号为CN210666452U的现有发明专利文献《一种煤场智能管控***》包括：设置在煤场的三维激光扫描仪，三维激光扫描仪通过以太网接口或RS422接口连接有煤场盘点控制器，煤场盘点控制器通过无线网桥连接有现场主控装置；安装在煤场的粉尘浓度检测仪、烟雾传感器、测温型双光谱红外热成像仪、一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器；粉尘浓度检测仪、烟雾传感器、测温型双光谱红外热成像仪、一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器分别手拉手挂载于工业现场总线上，工业现场总线连接在现场主控装置上。该现有技术虽然能够实现煤堆的三维建模，但是只能实现静态三维建模，无法实现实时动态跟踪，而且其设备成本较高，大规模场景下测量时间较长。

公布号为CN109751962A的现有发明专利申请文献《一种基于机器视觉的煤体积动态计量装置及方法》采用激光斜射法三角测距原理得到煤轮廓各点高度，然后通过积分运算得到某时刻轮廓面积和一段时间内的体积，实现对皮带上煤体积的计量。从该现有文献的具体实现内容可得知，该现有技术中的用于采集图像CCD相机，其视场角度需要人工安装时确定，存在依赖人工操作的问题，数据处理精度较低。且该技术偏重解决对煤块体积的检测，无法解决煤堆三维建模问题。

综上，现有技术存在依赖人工、计量精度差以及动态监测实现困难的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有技术中依赖人工、计量精度差以及动态监测实现困难的技术问题。

本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种激光与扫描立体建模终端设备包括：

控制器，用以利用预置旋转角度确定逻辑，控制舵机改变第一转动轴和第二转动轴的选择角度，以控制预置激光器向被测区域发射预置频率及宽度的激光脉冲，控制器与舵机连接；

舵机，其连接于控制器及激光扫描模块，舵机包括：不少于2个的转动轴，舵机利用转动轴驱动激光扫描模块转动，舵机与控制器及激光扫描模块连接；

激光扫描模块，用以扫描并测量被测目标，以得到被测煤堆三维坐标及被测煤堆三维图形，据以处理得到被测目标三维模型，激光扫描模块与控制器连接，其中，激光扫描模块包括：

目标扫描模块，用以利用激光脉冲扫描被测区域中的煤堆，以得到被测煤堆三维图形；

目标测量模块，用以测量煤堆，以得到被测煤堆三维坐标，目标测量模块连接目标扫描模块，目标测量模块与目标扫描模块连接；

数据计算模块，用以根据预置逻辑融合处理三维图形及三维坐标，据以计算得到被测煤堆三维模型，数据计算模块与目标扫描模块及目标测量模块连接；

数据统计模块，用以统计各被测区域的煤堆的监测目标数据，数据统计模块与数据计算模块连接；

数据传输模块，用以将被测目标三维模型及监测目标数据传输至中心管理子***，数据传输模块与数据统计模块连接。

本发明提供的设备固定安装于监测区域顶部，通过设备中的激光器发射特定频率和脉冲宽度的激光脉冲对所测区域目标进行扫描并形成三维立体效果图，不受检测区域内其他元素的影响，可独立运行工作，并且可以对监测目标进行实时监测动态跟踪，具有全自动远程控制的能力，可按照周期任务指令自动执行周期任务操作，可按照即时任务指令即时执行任务操作，***具备自动状态上报、自动告警上报等能力。本发明具有结构简单，安装方便，测量范围广，精度高，延迟低，环境适应力强的特点，实现了人机分离，做到了无人巡检的自动化独立运作，大幅降低人工监测的成本。

本发明在监测区域内满足5G信号无死角覆盖，充分保障后续三维建模等功能的稳定运行。室分拟采用基于LampSitePro的解决方案，在本实施例中，LampSitePro设备采用分布式皮站-ASiR的组网模式，构成5G网络覆盖，设备AWHHA/C支持内置天线和外置天线两种需求，将5G覆盖区域设置为煤堆料场区域，所有数据传输不经过外部基站。通过将LampSitePro设备安装于煤场室内，能应对煤场典型的高数据流量、高ARPU值用户聚集场景，能在实现室内覆盖快速补盲的同时降低对应的成本，提供高性能增益和更好的用户体验。

在更具体的技术方案中，控制器包括：

转动起始单元，用以控制器控制舵机控制第一转动轴转动到起点位置A1，控制第二转动轴转动到起点位置B1；

第一转动轴步进控制单元，用以向舵机发送步进指令，使第一转动轴的转动角度步进一次，并利用预置的高精度角尺检测激光扫描模块的转动角度，第一转动轴步进控制单元与转动起始单元连接；

第二转动轴转动控制单元，用以在检测到第一转动轴步进到位时，向舵机发送转动指令，使得第二转动轴从起始位置B1转动至第二转动轴终点位置B2，同时检测第二转动轴的转动角度，每检测到转动角度增加预置角度b时，读取一次激光器扫描输出数据，以作为单次次检测结果，第二转动轴转动控制单元与第一转动轴步进控制单元连接；

第二转动轴回转控制单元，用以在第二转动轴转动至第二转动轴终点位置B2时，控制第二转动轴转动至起始位置B1，第二转动轴回转控制单元与第二转动轴转动控制单元连接；

第一转动轴继续转动控制单元，用以在第一转动轴未转动至终点位置A2，重复执行第一转动轴步进控制单元对应的步骤，直至第一转动轴转动至终点位置A2，第一转动轴继续转动控制单元与第一转动轴步进控制单元连接。

在更具体的技术方案中，控制器包括：

控制接口，其连接舵机的控制输入端，用以向舵机传输控制器生成的转动轴旋转控制数据；

数据采集接口，其连接激光扫描模块的输出端，用以获取被测煤堆三维坐标、被测煤堆三维图形及处理得到被测目标三维模型；

外部通信接口，其安装于载具的预置通信组件安装位置，用以实现监测装置与中心管理监测子***的通信。

在更具体的技术方案中，舵机还包括：

电路板，其安装于舵机的壳体内部；

高精度编码器，其连接电路板及控制器，用以将控制器发出的控制信号转换为电控信号；

伺服电机，其连接电路板及高精度编码器，用以根据电控信号驱动第一转动轴及第二转动轴转动。

在更具体的技术方案中，目标扫描模块包括：

目标扫描单元，用以利用预置激光器扫描被测煤堆目标的表面，据以生成扫描回馈数据；

数据接受单元，用以接收并传输扫描回馈数据至数据转换单元；

数据转化单元，用以转化处理扫描回馈数据，以得到预处理数据；

数据计算单元，用以计算预处理数据，以得到被测煤堆三维图形，其中，数据计算单元包括：

测距组件，用以通过测量激光光束在待测距离上往返传播所需时间，利用下述下述逻辑进行计算测距，以得到目标距离：

式中，d为待测距离，c为激光在大气中传播的速度，t为激光在待测距离上的往返传播时间；

目标距离处理组件，用以设在t时间内有n个时钟脉冲进入计数器，设时钟脉冲的振荡频率为，τ为时钟脉冲间隔，利用下述逻辑处理得到适用的目标距离：

式中，为每个时钟脉冲所代表的距离增量，计数n个时钟脉冲，就得到距离d，l为测量精度参数。

在更具体的实施方案中，目标测量模块包括：

转动轴参数获取单元，测量获取第一转动轴的转动角度θ1、第二转动轴的转动角度θ₂；

检测位置获取单元，采集获取被监测煤堆的距离信息l，根据距离信息l、第一转动轴的转动角度θ1、第二转动轴的转动角度θ₂，利用下述逻辑确定被检测煤堆的检测位置：

X＝l*sin(θ₂)

Y＝l*cos(θ₂)*sin(θ₁)

Z＝l*cos(θ₂)*cos(θ₁)

式中，(X，Y，Z)为检测位置的三维坐标。

在更具体的技术方案中，数据统计模块包括：

剔除单元，用以利用预置AI识别逻辑识别并剔除非监测目标；

将获取到的图像传输至计算机，经过聚类分析，提取图像主要杂质颜色，计算主要杂质颜色与数据库中色域RGB之问的色差，对比设定的色差阈值，确定所测物质。

通过读取拍摄到的图像，得到M×N×3形式的三维图像数据，即M行N列RGB三元色；将图像三维数据重新排列，按从左到右，从上到下的顺序，将三维数据转换成二维数据MN×3，即MN行3列，其中MN表示M与N的乘积，3列表示RGB三元色；将图像二维数据分为k组，随机选取k个对象作为初始聚类中心，计算每个对象与各聚类中心的距离，根据距离计算结果，将每个对象分配给距离最小的聚类中心，形成新的k个聚类，完成一次聚类计算；

通过聚类计算，聚类中心不断更新，重复以上步骤，不断迭代计算，直至聚类中心不再发生变化为止，即完成聚类迭代计算，最终确定k个聚类及k个聚类中心，并对聚类及聚类中心的RGB值编号，用于标识。

其中主要杂质RGB值提取是利用图像处理软件提取拍摄图像主要杂质RGB值，组成A行3列数据，写入txt文件，其中A行即为A组RGB值，3列即为逗号隔开的RGB的3个数值；

色差计算及杂质识别：预先设置色差國值，计算其中一个聚类中心与杂质色域数据库中RGB数据差值，若其中一个差值小于色差國值，则认为这个聚类中心所在的聚类为杂质聚类，依次计算所有聚类中心与杂质色域数据库中RGB数据差值，确定B个杂质聚类，即识别出杂质。

图元识别模块，用以在各个场景的被测煤堆三维图形中识别出被测目标图元，并将非目标图元标注成为预置颜色。

本发明可固定安装于所测区域的顶部并设置调用AI识别功能和三维建模功能，对干扰元素进行识别和剔除，且所测区域内包含多个实时监测的终端设备，用于自动对所测目标进行全方位扫描，克服了烟尘干扰，实现了中心管理监测子***对所测目标的实时监测和数据的实时传输。

在更具体的技术方案中，一种激光与扫描立体建模终端设备还包括：

载具，其包括设备载板，用以装载激光扫描模块、控制器、舵机；

高精度角尺，其安装于载具的预置载板位置，用以连接各转动轴，供检测控制转动轴转动轴的转动角度；

清洁装置，其设置于激光扫描模块的检测端面，用以清洁激光扫描模块；

POE供电***，其安装于载具的预置电源安装位置，POE供电***连接舵机、控制器、激光扫描模块、载具、高精度角尺及清洁装置，以为一种激光与扫描立体建模终端设备供电并提供基于5G+MEC的网络传输。

本发明将设备固定安装于监测区域顶部，设备具有高精度角尺，可对激光器的检测角度进行高精度控制；针对不同的环境变化，采集过程中可能会影响图像采集的效果，甚至完全遮挡镜头，因此设备还具有除尘装置，对镜头进行除尘以及自动自我清洁，保证了激光扫描模块实施采集的效果。

本发明基于5G+MEC的数据传输方式为终端设备进行指令的收发，实现与中心管理监测子***的高速、低延迟通信，通过5G网络实现对数据的高速处理，减少了激光扫描的相位延迟，从而提高了三维立体效果图的绘制精度。

在更具体的技术方案中，清洁装置包括：

端面污物识别单元，用以利用预置AI算法智能识别激光扫描模块的端面污物，以得到端面污物识别数据；

其中所述端面污物识别单元中，利用预置AI算法智能识别激光扫描模块的端面污物的方式，同样通过聚类分析获取，将获取到的污染物图像利用K-means聚类分析方法，结合污染物色域，进行图像识别并计算污染物面积，最后根据设置的污染物面积國值，判断污染面积是否超过临界值，以此进行污染物清洁，能够实时在线、全自动、无人值守、定量进行污染物监测与清洁，解决无人监管的问题。

其中污染物实际面积：利用图像处理软件标尺工具，确定2组公共点图像像素坐标及实际平面坐标，根据如下公式，计算实际平面坐标系与图像像素坐标系横向及纵向比值，由污染物像素面积乘以横向及级向比值，得到污染物实际面积S；

式中，D_x、D_y分别表示实际平面坐标系与图像像素坐标系横向、纵向比值：x₁，y₁,x₂,y₂分别为公共点1和公共点2图像像素坐标；X₁，Y₁，X₂，Y₂分别为公共点1和公共点2图像平面坐标。

清洁控制单元，用以根据端面识别数据触发清洁装置，通过中央处理器控制电动舵机的运作，清洁控制单元与端面污物识别单元连接；

清洁舵机，用以控制清洁连杆机构、刮尘臂轴和刮尘片，以对检测端面进行除尘操作，清洁舵机与清洁控制单元连接。

本发明调用AI识别功能和三维建模功能，对干扰元素进行识别和剔除，并计算所测目标的体积、重量、类型等数据；在可见光场景下，针对可见光镜头可能会因为灰尘的堆积，造成照片的清晰度下降的问题，本发明通过AI算法进行智能识别，以判定触发镜头除尘刷的启动，保证了检测端面的清洁。

在更具体的技术方案中，一种激光与扫描立体建模方法包括：

S1、利用控制器预置旋转角度确定逻辑，控制舵机改变第一转动轴和第二转动轴的选择角度，以控制预置激光器向被测区域发射预置频率及宽度的激光脉冲；

S2、以舵机利用转动轴驱动激光扫描模块转动，舵机与控制器连接；

S3、利用激光扫描模块扫描并测量被测目标，以得到被测煤堆三维坐标及被测煤堆三维图形，据以处理得到被测目标三维模型，步骤S3包括：

S31、利用激光脉冲扫描被测区域中的煤堆，以得到被测煤堆三维图形；

S32、测量煤堆，以得到被测煤堆三维坐标；

S33、根据预置逻辑融合处理三维图形及三维坐标，据以计算得到被测煤堆三维模型；

S34、统计各被测区域的煤堆的监测目标数据；

S35、将被测目标三维模型及监测目标数据传输至中心管理子***。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供的设备固定安装于监测区域顶部，通过设备中的激光器发射特定频率和脉冲宽度的激光脉冲对所测区域目标进行扫描并形成三维立体效果图，不受检测区域内其他元素的影响，可独立运行工作，并且可以对监测目标进行实时监测动态跟踪，具有全自动远程控制的能力，可按照周期任务指令自动执行周期任务操作，可按照即时任务指令即时执行任务操作，***具备自动状态上报、自动告警上报等能力。本发明具有结构简单，安装方便，测量范围广，精度高，延迟低，环境适应力强的特点，实现了人机分离，做到了无人巡检的自动化独立运作，大幅降低人工监测的成本。

本发明在监测区域内满足5G信号无死角覆盖，充分保障后续三维建模等功能的稳定运行。室分拟采用基于LampSitePro的解决方案，能应对煤场典型的高数据流量、高ARPU值用户聚集场景，能在实现室内覆盖快速补盲的同时降低对应的成本。

本发明可固定安装于所测区域的顶部并设置调用AI识别功能和三维建模功能，对干扰元素进行识别和剔除，且所测区域内包含多个实时监测的终端设备，用于自动对所测目标进行全方位扫描，克服了烟尘干扰，实现了中心管理监测子***对所测目标的实时监测和数据的实时传输。

本发明将设备固定安装于监测区域顶部，设备具有高精度角尺，可对激光器的检测角度进行高精度控制；针对不同的环境变化，采集过程中可能会影响图像采集的效果，甚至完全遮挡镜头，因此设备还具有除尘装置，对镜头进行除尘以及自动自我清洁，保证了激光扫描模块实施采集的效果。

本发明基于5G+MEC的数据传输方式为终端设备进行指令的收发，实现与中心管理监测子***的高速、低延迟通信，通过5G网络实现对数据的高速处理，减少了激光扫描的相位延迟，从而提高了三维立体效果图的绘制精度。

本发明调用AI识别功能和三维建模功能，对干扰元素进行识别和剔除，并计算所测目标的体积、重量、类型等数据；在可见光场景下，针对可见光镜头可能会因为灰尘的堆积，造成照片的清晰度下降的问题，本发明通过AI算法进行智能识别，以判定触发镜头除尘刷的启动，保证了检测端面的清洁。本发明解决了现有技术中存在的依赖人工、计量精度差以及动态监测实现困难的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种激光与扫描立体建模终端设备基本模块连接示意图；

图2为本发明实施例1的激光扫描模块结构示意图；

图3为本发明实施例1的激光扫描模块结构示意图；

图4为本发明实施例2的一种激光与扫描立体建模终端方法基本步骤示意图；

图5为本发明实施例2的控制器控制设备转动方向步骤示意图；

图6为本发明实施例3的测试设备部署示意图；

图7为本发明实施例3的激光与扫描立体建模终端设备第一角度视图；

图8为本发明实施例3的激光与扫描立体建模终端设备第二角度视图；

图9为本发明实施例3的激光扫描立体建模设备屏蔽罩结构示意图；

图10为本发明实施例3的激光扫描立体建模设备屏蔽罩背部散热孔位置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种激光与扫描立体建模终端设备包括：

激光扫描模块1、控制器2、舵机3、载具4、高精度角尺5、POE供电***6、清洁装置7。

在本实施例中，控制器2包括外部通信接口21、控制接口22和数据采集接口23，控制接口22连接舵机3的控制输入端，数据采集接口23连接激光扫描模块1的输出端，外部通信接口21用于实现监测装置与中心管理监测子***的通信；

舵机3包括电路板31、伺服电机32、485通讯***33和高精度编码器34组成，舵机3固定部连接载具4；

清洁装置7用于对激光扫描模块1的检测端面进行清洁；清洁装置7由中央处理器71、电动舵机72、连杆机构73、刮尘臂轴74、刮尘片75组成，刮尘片75固定部安装于激光扫描模块1的检测端面。

在本实施例中，清洁装置7根据镜头烟尘堆积情况，启动开启除尘刷，对镜头进行除尘以及自动自我清洁，除尘刷材质为氯丁橡胶，具备较好的延展性和贴合度，胶条外面涂一层石墨用来减少和玻璃之间的摩擦力，可至少达到10万次的刮刷循环；镜头玻璃使用防静电镀膜玻璃，并有疏水效果，以防止水汽在镜头上的附着。

控制器2包括外部通信接口21、控制接口22和数据采集接口23，控制接口22连接舵机3的控制输入端，数据采集接口23连接激光扫描模块1的输出端，外部通信接口21用于实现监测装置与中心管理监测子***的通信；

如图2所示，在本实施例中，激光扫描模块1包括：目标扫描模块11、目标测量模块12、数据计算模块13，数据统计模块14，数据传输模块15，其中，目标测量模块12与目标扫描模块11连接，数据计算模块13与目标测量模块12连接，数据统计模块14与数据计算模块13连接，数据传输模块15与数据统计模块14连接。

在本实施例中，目标扫描模块11，用于对监测目标的扫描，得出检测目标的三维图形；

目标测量模块12，用于对所测目标进行测量，得出所测目标的三维坐标；

数据计算模块13，用于根据所测目标的三维图形和三维坐标计算生成所测目标的三维模型；

在本实施例中，激光扫描模块1中的数据计算模块13，用于根据所测目标的三维图形和三维坐标计算生成所测目标的三维模型；通过计算机对三维坐标数据和三维图形进行融合，生成便于观察、实时状态同步的三维模型；

数据统计模块14，用于对所测区域内监测目标的数据进行统计和分析；

在本实施例中，激光扫描模块1中的数据统计模块14，用于对所测区域内监测目标的数据进行统计和分析；其中，需要统计的所测目标数据包括所测目标的比例和密度和质量；通过AI识别进行非所测目标的识别和剔除，在各个场景照片中识别出所测目标的图元，并把其他非所测目标图元标注成白色、黑色或透明。

数据传输模块15，用于将计算出的数据传输至中心管理监测子***。在本实施例中，激光扫描模块1的数据传输模块15，用于将计算出的数据传输至中心管理监测子***；其中，设备将所测目标的储存信息、密度、分布和报警信息数据通过高精度编码器处理转化为输出信号传递至中心管理监测子***。其中，当出现***错误或电量告警等问题，数据传输模块可上报告警信息至中心管理监测子***。

如图3所示，在本实施例中，目标扫描模块11还包括：目标扫描单元111、数据接受单元112、数据转化单元113、数据计算单元114。在本实施例中，数据接受单元112与目标扫描单元111连接，数据转化单元113与数据接受单元112连接，数据计算单元114与数据转化单元113连接。

在本实施例中，对于激光扫描模块1中的目标扫描模块11，用于对监测目标的扫描，得出检测目标的三维图形；其中，通过设备中的激光器发射特定频率和脉冲宽度的激光脉冲对所测区域目标进行扫描，通过控制器的外部通信接口和POE供电***6对指令进行收发，然后通过高精度编码器34将收发的信号转换为电信号进行数据处理，通过坐标投射变换生成立体效果直观的三维图形。

在本实施例中，目标扫描单元111，用于对所测目标表面进行扫描；

数据接受单元112，用于对扫描回馈的数据进行接收；

数据转化单元113，用于对接收的数据进行转化处理；

数据计算单元114，用于对转化的数据进行计算转化为三维图形。

在本实施例中，POE供电***用于终端设备的供电和传输数据信号，为设备工作提供独立运作电源和网络传输。

实施例2

如图4所示，本发明提供的一种激光与扫描立体建模终端方法包括：

S1、设备通过5G网络实现与中心管理监测子***的通信和指令收发；

S2、控制器控制舵机改变第一转动轴和第二转动轴的角度实现激光发射进行全方位扫描运动；

在本实施例中，控制器2可以通过控制舵机的控制输入端，改变第一转动轴和第二转动轴的角度，即不同转动角度可对应检测目标的不同位置，激光扫描模块采集的三维图形信息即为该监测装置所在位置于当前转动角度对应的检测区域内的目标图形。舵机3控制第一转动轴和第二转动轴的角度，可以改变检测位置，从而能够得到监测区域内不同位置上的图像信息，能够实现对检测目标实时、准确的监测。

S3、激光器发射特定频率和脉冲宽度的激光脉冲对所测区域目标进行扫描得出三维图形；

S4、测量计算出所测目标表面的三维坐标；

在本实施例中，对于激光扫描模块1中的目标测量模块11，用于对所测目标进行测量，得出所测目标的三维坐标；其中，通过激光器对监测目标进行扫描测量，建立三维坐标系后，测出监测目标的位置，然后通过坐标变换将测出的数据转换成三维坐标。

S5、根据三维坐标和三维图形，计算生成三维模型；

在本实施例中，在扫描得出的三维图形中首先需要确定激光扫描模块的参数通过测量激光光束在待测距离上往返传播所需时间进行计算测距，其计算公式为，式中d为待测距离，c为激光在大气中传播的速度，t为激光在待测距离上的往返传播时间，设在t时间内有n个时钟脉冲进入计数器，如时钟脉冲的振荡频率为/>τ为时钟脉冲间隔，则/>为每个时钟脉冲所代表的距离增量，计数n个时钟脉冲，就得到距离d，l的数值决定了测量精度。因此根据这个原理，只要测量出这段时间内的脉冲个数就可以计算出目标的距离。

S6、统计各区域所测目标的数据；

S7、将数据传递至中心管理监测子***；

在本实施例中，POE供电***为网络和供电集成的模块，基于5G+MEC的数据传输方式，为监测终端设备传输数据信号的同时，还能为此设备提供直流供电的技术。

在本实施例中，清洁装置通过AI算法进行智能识别，以判定清洁装置的启动，通过中央处理器控制电动舵机的运作，电动舵机控制连杆机构、刮尘臂轴和刮尘片对检测端面进行除尘操作。

如图5所示，步骤S2还包括如下具体步骤：

S21、控制器控制舵机控制第一转动轴转动到起点位置A1，控制第二转动轴转动到起点位置B1；

在本实施例中，其中，测量得到的每一个检测结果可以具体包括第一转动轴的转动角度θ₁、第二转动轴的转动角度θ₂、根据采集的距离信息l，由于L型载板的第一部和第二部的转动轴相互垂直，因此激光扫描模块可以通过以下方式确定检测结果的检测位置：

X＝l*sin(θ₂)

Y＝l*cos(θ₂)*sin(θ₁)

Z＝l*cos(θ₂)*cos(θ₁)

得到的三维坐标(X，Y，Z)即为该检测结果的检测位置。

S22、控制器向舵机发送步进指令，使第一转动轴的转动角度步进一次，并通过高精度角尺检查激光扫描模块的转动角度，在本实施例中，当检测到本次步进到位时，执行步骤S23；

S23、控制器向舵机发送转动指令，使激光扫描模块开始从B1至B2均匀转动，同时检测第二转动轴的转动角度，每检测到转动角度增加b时读取一次激光器扫描到的输出数据，每一此输出数据读取操作得到一次检测结果，在本实施例中，当检测到第二转动轴转动到终点位置B2时，执行步骤S24；

S24、控制器控制第二转动轴转动到起点位置B1，并通过高精度角尺检查转动角度，在本实施例中，若第一转动轴未转动到终点位置A2，重复执行步骤2，若第一转动轴转动到终点位置A2，检测过程结束。

实施例3

如图6所示，在本实施例中，监测区域内包含多个实时监测终端设备，不同监测终端设备设置在所测目标上方的不同位置。

如图7及图8所示，在本实施例中，监测区域内包含多个实时监测终端设备包括：旋转轴1、POE电源2、固定抱死装置3、伺服无刷电机4、角度编码模块5、固态激光与清洁模组6、扫描旋转臂7、角度刻度盘8、AI运算单元9以及与监测区域内包含多个实时监测终端设备相适配的挂架模块10，以及底盘外壳1’、主体框架2’、设备机箱3’、高频天线4’、防尘罩5’、固定底座6’、散热孔7’，在本实施例中，载具4包括L型载板，L型载板包括相互垂直的第一部和第二部，第一部与第二部连接处为第一转动轴，通过高精度角尺连接，舵机固定于载板的第一部；载板第二部为U型架，其相对的两侧部分分别连接于第二转动轴的两端，第二转动轴连接激光扫描模块；载具底部为载板，L型载板和POE供电***都固定于该载板上。

清洁装置用于对激光扫描模块的检测端面进行清洁；清洁装置由中央处理器、电动舵机、连杆机构、刮尘臂轴、刮尘片组成，刮尘片固定部安装于激光扫描模块的检测端面。

如图9所示，在本实施例中，显示为监测区域内包含多个实时监测终端设备还包括底盘固定螺丝1”、高精度平台2”、散热孔3”。

如图10所示，在本实施例中，显示为监测区域内包含多个实时监测终端设备还包括IP67密封胶垫1”’、高透外壳2”’、吊装固定孔3”’。

综上，本发明提供的设备固定安装于监测区域顶部，通过设备中的激光器发射特定频率和脉冲宽度的激光脉冲对所测区域目标进行扫描并形成三维立体效果图，不受检测区域内其他元素的影响，可独立运行工作，并且可以对监测目标进行实时监测动态跟踪，具有全自动远程控制的能力，可按照周期任务指令自动执行周期任务操作，可按照即时任务指令即时执行任务操作，***具备自动状态上报、自动告警上报等能力。本发明具有结构简单，安装方便，测量范围广，精度高，延迟低，环境适应力强的特点，实现了人机分离，做到了无人巡检的自动化独立运作，大幅降低人工监测的成本。

本发明在监测区域内满足5G信号无死角覆盖，充分保障后续三维建模等功能的稳定运行。室分拟采用基于LampSitePro的解决方案，能应对煤场典型的高数据流量、高ARPU值用户聚集场景，能在实现室内覆盖快速补盲的同时降低对应的成本。

本发明可固定安装于所测区域的顶部并设置调用AI识别功能和三维建模功能，对干扰元素进行识别和剔除，且所测区域内包含多个实时监测的终端设备，用于自动对所测目标进行全方位扫描，克服了烟尘干扰，实现了中心管理监测子***对所测目标的实时监测和数据的实时传输。

本发明将设备固定安装于监测区域顶部，设备具有高精度角尺，可对激光器的检测角度进行高精度控制；针对不同的环境变化，采集过程中可能会影响图像采集的效果，甚至完全遮挡镜头，因此设备还具有除尘装置，对镜头进行除尘以及自动自我清洁，保证了激光扫描模块实施采集的效果。

本发明基于5G+MEC的数据传输方式为终端设备进行指令的收发，实现与中心管理监测子***的高速、低延迟通信，通过5G网络实现对数据的高速处理，减少了激光扫描的相位延迟，从而提高了三维立体效果图的绘制精度。

本发明调用AI识别功能和三维建模功能，对干扰元素进行识别和剔除，并计算所测目标的体积、重量、类型等数据；在可见光场景下，针对可见光镜头可能会因为灰尘的堆积，造成照片的清晰度下降的问题，本发明通过AI算法进行智能识别，以判定触发镜头除尘刷的启动，保证了检测端面的清洁。本发明解决了现有技术中存在的依赖人工、计量精度差以及动态监测实现困难的技术问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述终端设备包括：

控制器，用以利用预置旋转角度确定逻辑，控制所述舵机改变第一转动轴和第二转动轴的选择角度，以控制预置激光器向被测区域发射预置频率及宽度的激光脉冲，所述控制器与所述舵机连接；

舵机，其连接于所述控制器及激光扫描模块，所述舵机包括：不少于2个的转动轴，所述舵机利用所述转动轴驱动所述激光扫描模块转动，所述舵机与所述控制器及所述激光扫描模块连接；

所述激光扫描模块，用以扫描并测量被测目标，以得到被测煤堆三维坐标及被测煤堆三维图形，据以处理得到被测目标三维模型，所述激光扫描模块与所述控制器连接，其中，所述激光扫描模块包括：

目标扫描模块，用以利用所述激光脉冲扫描所述被测区域中的煤堆，以得到所述被测煤堆三维图形；

目标测量模块，用以测量所述煤堆，以得到所述被测煤堆三维坐标，所述目标测量模块连接所述目标扫描模块，所述目标测量模块与所述目标扫描模块连接；

数据计算模块，用以根据预置逻辑融合处理所述三维图形及所述三维坐标，据以计算得到被测煤堆三维模型，所述数据计算模块与所述目标扫描模块及所述目标测量模块连接；

数据统计模块，用以统计各所述被测区域的所述煤堆的监测目标数据，所述数据统计模块与数据计算模块连接；

数据传输模块，用以将所述被测目标三维模型及所述监测目标数据传输至中心管理子***，所述数据传输模块与所述数据统计模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述控制器包括：

转动起始单元，用以控制器控制舵机控制第一转动轴转动到起点位置A1，控制第二转动轴转动到起点位置B1；

第一转动轴步进控制单元，用以向所述舵机发送步进指令，使所述第一转动轴的转动角度步进一次，并利用预置的高精度角尺检测所述激光扫描模块的转动角度，所述第一转动轴步进控制单元与所述转动起始单元连接；

第二转动轴转动控制单元，用以在检测到所述第一转动轴步进到位时，向所述舵机发送转动指令，使得所述第二转动轴从所述起始位置B1转动至第二转动轴终点位置B2，同时检测所述第二转动轴的转动角度，每检测到所述转动角度增加预置角度b时，读取一次激光器扫描输出数据，以作为单次次检测结果，所述第二转动轴转动控制单元与所述第一转动轴步进控制单元连接；

第二转动轴回转控制单元，用以在所述第二转动轴转动至所述第二转动轴终点位置B2时，控制所述第二转动轴转动至所述起始位置B1，所述第二转动轴回转控制单元与所述第二转动轴转动控制单元连接；

第一转动轴继续转动控制单元，用以在第一转动轴未转动至终点位置A2，重复执行所述第一转动轴步进控制单元对应的步骤，直至所述第一转动轴转动至所述终点位置A2，所述第一转动轴继续转动控制单元与所述第一转动轴步进控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述控制器还包括：

控制接口，其连接所述舵机的控制输入端，用以向所述舵机传输所述控制器生成的转动轴旋转控制数据；

数据采集接口，其连接所述激光扫描模块的输出端，用以获取所述被测煤堆三维坐标、所述被测煤堆三维图形及处理得到被测目标三维模型；

外部通信接口，其安装于载具的预置通信组件安装位置，用以实现监测装置与中心管理监测子***的通信。

4.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述舵机还包括：

电路板，其安装于舵机的壳体内部；

高精度编码器，其连接所述电路板及所述控制器，用以将所述控制器发出的控制信号转换为电控信号；

伺服电机，其连接所述电路板及所述高精度编码器，用以根据所述电控信号驱动所述第一转动轴及所述第二转动轴转动。

5.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述目标扫描模块包括：

目标扫描单元，用以利用预置激光器扫描被测煤堆目标的表面，据以生成扫描回馈数据；

数据接受单元，用以接收并传输所述扫描回馈数据至数据转换单元；

所述数据转化单元，用以转化处理所述扫描回馈数据，以得到预处理数据；

数据计算单元，用以计算所述预处理数据，以得到所述被测煤堆三维图形，其中，所述数据计算单元包括：

测距组件，用以通过测量激光光束在待测距离上往返传播所需时间，利用下述下述逻辑进行计算测距，以得到目标距离：

式中，d为待测距离，c为激光在大气中传播的速度，t为激光在待测距离上的往返传播时间；

目标距离处理组件，用以设在t时间内有n个时钟脉冲进入计数器，设时钟脉冲的振荡频率为τ为时钟脉冲间隔，利用下述逻辑处理得到适用的目标距离：

式中，为每个时钟脉冲所代表的距离增量，计数n个时钟脉冲，就得到距离d，l为测量精度参数。

6.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述目标测量模块包括：

转动轴参数获取单元，测量获取所述第一转动轴的转动角度θ₁、第二转动轴的转动角度θ₂；

检测位置获取单元，采集获取被监测煤堆的距离信息l，根据所述距离信息l、所述第一转动轴的转动角度θ₁、所述第二转动轴的转动角度θ₂，利用下述逻辑确定所述被检测煤堆的检测位置：

X＝l*sin(θ₂)

Y＝l*cos(θ₂)*sin(θ₁)

Z＝l*cos(θ₂)*cos(θ₁)

式中，(X，Y，Z)为检测位置的三维坐标。

7.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述数据统计模块包括：

剔除单元，用以利用预置AI识别逻辑识别并剔除非监测目标；

图元识别模块，用以在各个场景的所述所述被测煤堆三维图形中识别出被测目标图元，并将非目标图元标注成为预置颜色。

8.根据权利要求1所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，还包括：

载具，其包括设备载板，用以装载所述激光扫描模块、所述控制器、所述舵机；

高精度角尺，其安装于所述载具的预置载板位置，用以连接各所述转动轴，供检测控制转动轴所述转动轴的转动角度；

清洁装置，其设置于所述激光扫描模块的检测端面，用以清洁所述激光扫描模块；

POE供电***，其安装于所述载具的预置电源安装位置，所述POE供电***连接所述舵机、所述控制器、所述激光扫描模块、所述载具、所述高精度角尺及所述清洁装置，以为所述一种激光与扫描立体建模终端设备供电并提供基于5G+MEC的网络传输。

9.根据权利要求8所述的一种激光与扫描立体建模终端设备，其特征在于，所述清洁装置包括：

端面污物识别单元，用以利用预置AI算法智能识别所述激光扫描模块的端面污物，以得到端面污物识别数据；

清洁控制单元，用以根据所述端面识别数据触发所述清洁装置，通过中央处理器控制电动舵机的运作，所述清洁控制单元与所述端面污物识别单元连接；

清洁舵机，用以控制清洁连杆机构、刮尘臂轴和刮尘片，以对所述检测端面进行除尘操作，所述清洁舵机与所述清洁控制单元连接。

10.一种激光与扫描立体建模方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、利用控制器预置旋转角度确定逻辑，控制所述舵机改变第一转动轴和第二转动轴的选择角度，以控制预置激光器向被测区域发射预置频率及宽度的激光脉冲；

S2、以舵机利用所述转动轴驱动所述激光扫描模块转动，所述舵机与所述控制器连接；

S3、利用激光扫描模块扫描并测量被测目标，以得到被测煤堆三维坐标及被测煤堆三维图形，据以处理得到被测目标三维模型，所述步骤S3包括：

S31、利用激光脉冲扫描所述被测区域中的煤堆，以得到所述被测煤堆三维图形；

S32、测量所述煤堆，以得到所述被测煤堆三维坐标；

S33、根据预置逻辑融合处理所述三维图形及所述三维坐标，据以计算得到被测煤堆三维模型；

S34、统计各所述被测区域的所述煤堆的监测目标数据；

S35、将所述被测目标三维模型及所述监测目标数据传输至中心管理子***。