專利名稱：三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非接觸測量技術(shù)，具體地涉及三維激光掃描尾礦壩體的非接觸動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
國家安全生產(chǎn)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中對三等及以上尾礦庫限期全部安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)裝置提出了明確要求。三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置作為尾礦壩體在線監(jiān)控系統(tǒng)的典型樣機，適應(yīng)時代關(guān)于安全穩(wěn)步發(fā)展的需要，對保護國家和人民的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。國外在尾礦庫安全運行監(jiān)測上已形成了包含現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)資料綜合分析和安全警報等功能的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。而國內(nèi)的尾礦壩體監(jiān)測主要包括人工測量、光纖監(jiān)測及全站儀監(jiān)測等方法，人工采用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場進(jìn)行測量，易受環(huán)境和現(xiàn)場條件的影響， 且采集精度不高、信息滯后，同時還存在人員的人身安全問題；運用光纖監(jiān)測安裝復(fù)雜，干擾施工，成本高，不適于遠(yuǎn)距離測量，且誤差較大；運用全站儀需要在多個位置進(jìn)行測量，采樣點稀疏且費時。目前尾礦壩體監(jiān)測開始轉(zhuǎn)向以自動化、網(wǎng)絡(luò)化和信息管理智能化為手段的數(shù)字監(jiān)控，迫切需要一種高精度、低成本和高效率的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，滿足國家關(guān)于安全生產(chǎn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有在線監(jiān)測技術(shù)的不足，提供一套三維激光掃描尾礦壩體的非接觸動態(tài)在線監(jiān)測裝置，實現(xiàn)非接觸在線定時監(jiān)測，單次掃描速度快，測量精度高，成本低；本發(fā)明有效地解決了國家關(guān)于安全生產(chǎn)的要求，且裝置適用于不同場景的尾礦壩體監(jiān)測。本發(fā)明的技術(shù)方案三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于包括 機械單元、激光數(shù)據(jù)采集單元、控制驅(qū)動與反饋單元、通信及上位機單元，其中機械單元，用于連接激光數(shù)據(jù)采集單元與水平方向電機和豎直方向電機，實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)采集單元的水平和豎直方向掃描；水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器與水平方向電機在水平方向電機與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置的固定下同步運動，豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器和豎直方向電機在豎直方向電機與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置的固定下同步運動。激光數(shù)據(jù)采集單元，可實時獲取地物點場景極半徑信息，在水平方向電機和豎直方向電機的帶動下，對尾礦壩體全景掃描，將獲得的數(shù)據(jù)信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡傳遞給上位機?？刂乞?qū)動與反饋單元，水平方向驅(qū)動器和豎直方向驅(qū)動器分別控制水平方向電機和豎直方向電機，帶動激光數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)水平和豎直維度的勻速掃描，通過水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器實時獲取各個掃描位置的角度信息，在水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的整合下分別傳遞給水平方向驅(qū)動器和豎直方向驅(qū)動器，通過高速數(shù)據(jù)采集卡傳遞給上位機。通信及上位機單元，高速數(shù)據(jù)采集卡將激光數(shù)據(jù)采集單元獲取的場景極半徑信息、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器及豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器獲得的角度信息實時傳送到上位機。上位機對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)矯正，將各坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)歸一化到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，并將結(jié)果以三維點云的形式顯示出來；對各個標(biāo)志點的三維坐標(biāo)運用智能監(jiān)測算法，判斷其是否與標(biāo)準(zhǔn)庫的結(jié)果一致；若不一致，則啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。所述的激光數(shù)據(jù)采集單元為單點激光傳感器，在自然表面下采樣量程不小于 300m,采樣頻率不小于2000，測量精度不小于60mm，具有RS-232/422/485接口的基于脈沖反射時差法的激光傳感器。較高的采樣頻率可減少單次激光掃描時間，激光傳感器的測量精度越高，三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的掃描精度就越高，更加接近場景的真三維圖像，且控制接口簡單。所述的水平方向電機為功率不小于172. 8W，最大空載轉(zhuǎn)速630r/min，峰值堵轉(zhuǎn)扭矩不小于2. 2N. m,電流不小于3. 6A，質(zhì)量小于1. ^(g，力矩電機通常使用在堵轉(zhuǎn)或低速情況下，具有堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝置可直接驅(qū)動負(fù)載，過載能力強，通過調(diào)節(jié)端電壓來控制輸出力矩與轉(zhuǎn)速的大小，體積較小等特點。所述的豎直方向電機為功率不小于211. 2w，最大空載轉(zhuǎn)速460r/min，峰值堵轉(zhuǎn)扭矩不小于4. 4N. m,電流不小于4. 4A，質(zhì)量小于2. 4Kg，力矩電機通常使用在堵轉(zhuǎn)或低速情況下，具有堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝置可直接驅(qū)動負(fù)載，過載能力強，通過調(diào)節(jié)端電壓來控制輸出力矩與轉(zhuǎn)速的大小，體積較小等特點。所述的水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器為轉(zhuǎn)換率最大為0.5士5%，最大電氣誤差為士 10'， 適用于-55 +155°C的環(huán)境，質(zhì)量小于0.06^(g，輸出為正余弦模擬信號的角度傳感器。適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高振動等環(huán)境，為高精度監(jiān)測、應(yīng)用廣泛打下基礎(chǔ)。所述的豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器為轉(zhuǎn)換率最大為0.5士5%，最大電氣誤差為士 10'， 適用于-55 +155°C的環(huán)境，質(zhì)量小于0.06^(g，輸出為正余弦模擬信號的角度傳感器。適用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高振動等環(huán)境，為高精度監(jiān)測、應(yīng)用廣泛打下基礎(chǔ)。所述的水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器為分辨率不小于14位，脈沖數(shù)不小于16384，將水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器獲得的正余弦模擬信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z相脈沖信號，可用于-40 +85°C環(huán)境的角度解碼器。該輸出信號簡單，采樣分辨率高，可實現(xiàn)對水平方向電機的精確控制。所述的豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器為分辨率不小于14位，脈沖數(shù)不小于16384，將豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器獲得的正余弦模擬信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z相脈沖信號，可用于-40 +85°C環(huán)境的角度解碼器。該輸出信號簡單，采樣分辨率高，可實現(xiàn)對豎直方向電機的精確控制。所述的水平方向驅(qū)動器為額定電壓+80V以內(nèi)，額定電流8A，輸入角度信號為A、B、 Z相脈沖信號，具有R232接口的直流電機驅(qū)動器。實現(xiàn)對水平方向力矩電機的閉環(huán)控制，并將實時獲取的水平方向角度信息傳輸給上位機，為高精度監(jiān)測的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。所述的豎直方向驅(qū)動器為額定電壓+80V以內(nèi)，額定電流8A，輸入角度信號為A、B、 Z相脈沖信號，具有R232接口的直流電機驅(qū)動器。實現(xiàn)對豎直方向力矩電機的閉環(huán)控制，并將實時獲取的豎直方向角度信息傳輸給上位機，為高精度監(jiān)測的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。所述的高速數(shù)據(jù)采集卡為供電電壓在12 48V，輸出為RJ45型網(wǎng)卡接口、支持10 兆和100兆自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度，至少具有四個RS-232/422/485接口的數(shù)據(jù)傳輸裝置， 為高速精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸打下基礎(chǔ)。所述通信及上位機單元中的上位機為至少具有網(wǎng)口，系統(tǒng)內(nèi)存大于2GB，支持 WindowsXP操作系統(tǒng)的工控機，具有較高的可靠性。所述通信及上位機單元中的控制軟件實現(xiàn)過程如下1)激光數(shù)據(jù)采集單元與控制驅(qū)動及反饋單元初始化系統(tǒng)上電后，水平方向電機和豎直方向電機分別按照水平方向驅(qū)動器和豎直方向驅(qū)動器的設(shè)置運動到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)位置，高速數(shù)據(jù)采集卡自啟動成功；2)通信及上位機單元初始化設(shè)置激光數(shù)據(jù)采集單元的串口相關(guān)參數(shù)，連接激光數(shù)據(jù)采集單元，設(shè)置激光脈沖的發(fā)射頻率；設(shè)置控制驅(qū)動及反饋單元的功能參數(shù)控制串口號、掃描范圍、掃描速度，根據(jù)工程的要求定時設(shè)置當(dāng)天的掃描次數(shù)及掃描時間間隔時間，設(shè)置各個掃描標(biāo)志點的位置參數(shù)；3)啟動在線監(jiān)測按鈕，激光數(shù)據(jù)采集單元和控制驅(qū)動及反饋單元實時將獲取的場景極半徑信息、水平和豎直方向的角度信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡傳遞給上位機做進(jìn)一步處理；4)解算數(shù)據(jù)；上位機對采集的數(shù)據(jù)信息運用坐標(biāo)歸一算法處理，即將激光數(shù)據(jù)采集單元坐標(biāo)系、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器坐標(biāo)系和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器坐標(biāo)系歸一到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。具體過程如圖2所示，建立激光數(shù)據(jù)采集單元原點坐標(biāo)系(\_Χ3Λ、系統(tǒng)基準(zhǔn)坐標(biāo)系Ob-XbYJb以及三個過渡坐標(biāo)系0M-XmYm4、Oh-XhYhZh R Ov-XvYvZv，且各坐標(biāo)系均為笛卡爾右手坐標(biāo)系。根據(jù)坐標(biāo)系的相關(guān)轉(zhuǎn)換關(guān)系，解算出場景空間點在三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)坐標(biāo)系Ob-XbYJb下的三維坐標(biāo)通式
xB = (r+ Δχ) cos or cos/ + sin αΔζ +cosorAx\yB =(γ + Δχ') sin β
zB = ~{r + Δχ) sin a cos β + cos αΔζ - sin aAx其中，α、β分別為豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)和水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)的獲取信息；r為場景極半徑信息；Δχ、Δζ、Δχ'分別為坐標(biāo)系間沿相關(guān)坐標(biāo)軸的偏移值，當(dāng)系統(tǒng)整體裝配完成后， Δχ、Δζ為固定值，可通過機械設(shè)計尺寸推算得出，Δχ'為激光數(shù)據(jù)采集單元( 測量原點與水平旋轉(zhuǎn)軸之間的偏移值；將上述經(jīng)坐標(biāo)歸一算法處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡、降噪處理后予以實時顯示，將掃描結(jié)果以三維坐標(biāo)的形式實時存儲在Excel中，并將各個標(biāo)志點的三維坐標(biāo)存儲在Excel 中；其中，掃描參數(shù)因應(yīng)用區(qū)域的遠(yuǎn)近不同而不同，在裝置初次使用時，對掃描參數(shù)予以精準(zhǔn)設(shè)定，存儲在上位機的存儲數(shù)據(jù)庫中，并將測量的三維點云數(shù)據(jù)庫精準(zhǔn)模型及標(biāo)志點的三維坐標(biāo)信息存入智能對比模板數(shù)據(jù)庫；5)計算三維點云模型及標(biāo)志點三維信息是否與標(biāo)準(zhǔn)庫的結(jié)果一致，若不一致，則啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；6)判斷尾礦壩體掃描是否結(jié)束若掃描結(jié)束，裝置停止本次工作，根據(jù)三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置關(guān)于定時掃描的設(shè)置，再次啟動進(jìn)入第3步，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于1)本發(fā)明裝置使用上位機軟件對各單元統(tǒng)一控制，采用激光數(shù)據(jù)采集單元對尾礦壩體實時掃描，上位機軟件進(jìn)行處理與結(jié)果顯示，為非接觸檢測，因此檢測方便，自動化程度高，可長時間工作，沒有因人員疲勞導(dǎo)致出錯的現(xiàn)象；2)本發(fā)明裝置實現(xiàn)非接觸在線定時監(jiān)測，單次掃描速度快，測量精度高，成本低；3)本發(fā)明裝置有效地解決了國家關(guān)于安全生產(chǎn)的要求，且裝置適用于不同場景的尾礦壩體監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的系統(tǒng)標(biāo)定坐標(biāo)系；圖3為本發(fā)明三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的工作流程圖；圖4為實際的尾礦壩體場景外觀圖；圖5為本發(fā)明處理后的三維點云模型圖，其中灰色點代表各個標(biāo)志點。其中，圖1，1、機械單元；2、激光數(shù)據(jù)采集單元；3、控制驅(qū)動與反饋單元；4、通信及上位機單元；5、激光固定裝置；6、水平方向電機；7、激光與水平方向電機連接裝置；8、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器；9、水平方向電機與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置；10、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；11、水平方向驅(qū)動器；12、豎直方向電機；13、水平方向電機與豎直方向電機連接裝置；14、豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器；15、豎直方向電機與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置；16、豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器；17、豎直方向驅(qū)動器；18、高速數(shù)據(jù)采集卡；19、 上位機。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，包括機械單元 1、激光數(shù)據(jù)采集單元2、控制驅(qū)動與反饋單元3、通信及上位機單元4，其中機械單元1，用于連接激光數(shù)據(jù)采集單元2與水平方向電機6和豎直方向電機12， 實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)采集單元2的水平和豎直方向掃描；水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器8與水平方向電機 6在水平方向電機與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置9的固定下同步運動，豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器14和豎直方向電機12在豎直方向電機與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置15的固定下同步運動。激光數(shù)據(jù)采集單元2，可實時獲取地物點場景極半徑信息，在水平方向電機6和豎直方向電機12的帶動下，對尾礦壩體全景掃描，將獲得的數(shù)據(jù)信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡18 傳遞給上位機19 ；控制驅(qū)動及反饋單元3，水平方向驅(qū)動器11和豎直方向驅(qū)動器17分別控制水平方向電機6和豎直方向電機12，帶動激光數(shù)據(jù)采集單元2實現(xiàn)水平和豎直維度的勻速掃描，通過水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器8和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器14實時獲取各個掃描位置的角度信息，在水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器10和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器16的整合下分別傳遞給水平方向驅(qū)動器11和豎直方向驅(qū)動器17，通過高速數(shù)據(jù)采集卡18傳遞給上位機 19。通信及上位機單元4，高速數(shù)據(jù)采集卡18將激光數(shù)據(jù)采集單元2獲取的場景極半徑信息、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器8及豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器14獲得的角度信息實時傳送到上位機19。上位機19對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)矯正，將各坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)歸一化到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，并將結(jié)果以三維點云的形式顯示出來；對各個標(biāo)志點的三維坐標(biāo)運用智能監(jiān)測算法，判斷其是否與標(biāo)準(zhǔn)庫的結(jié)果一致；若不一致，則啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。將各單元相關(guān)部件進(jìn)行裝配，連接好供電與信號線，首先進(jìn)行整個裝置關(guān)鍵部件的開發(fā)。為連接上位機19與高速數(shù)據(jù)采集卡18安裝驅(qū)動程序，在高速數(shù)據(jù)采集卡18的系統(tǒng)頁面下，按照激光數(shù)據(jù)采集單元2、水平方向電機驅(qū)動器11和豎直方向電機驅(qū)動器17各自端口的要求進(jìn)行設(shè)置，有效地建立上位機19與各個傳感器的數(shù)據(jù)通道。依據(jù)激光數(shù)據(jù)采集單元2底層控制指令，對激光數(shù)據(jù)采集單元2進(jìn)行開發(fā)，上位機軟件以串口控制發(fā)送相應(yīng)命令字的方式實現(xiàn)對激光數(shù)據(jù)采集單元2的參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)接收。依據(jù)水平方向電機6、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器8、豎直方向電機12和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器14的參數(shù)設(shè)置水平方向驅(qū)動器和豎直方向驅(qū)動器，分別調(diào)節(jié)其PID參數(shù)，使水平方向電機6和豎直方向電機12穩(wěn)步運行，設(shè)置相應(yīng)程序，使水平方向電機6和豎直方向電機12在上電的同時經(jīng)過某些位姿的變換恢復(fù)到三維激光掃描動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)位置。如圖3所示，本發(fā)明裝置的工作流程具體如下1)確認(rèn)部件供電、信號線路正確連接，裝置上電，控制驅(qū)動及反饋單元(3)帶動激光數(shù)據(jù)采集單元2運動到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)位置，等待通信及上位機單元4的指令；2)通信及上位機單元4初始化設(shè)置激光數(shù)據(jù)采集單元2的串口相關(guān)參數(shù)，連接激光數(shù)據(jù)采集單元2，設(shè)置激光脈沖的發(fā)射頻率；設(shè)置控制驅(qū)動與反饋單元3的功能參數(shù) 控制串口號、掃描范圍、掃描速度，根據(jù)工程的要求定時設(shè)置當(dāng)天的掃描次數(shù)及掃描時間間隔，設(shè)置各個掃描標(biāo)志點的位置參數(shù)；3)啟動在線監(jiān)測按鈕，激光數(shù)據(jù)采集單元2和控制驅(qū)動及反饋單元3實時將數(shù)據(jù)信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡18傳遞給上位機19做進(jìn)一步處理；4)解算數(shù)據(jù)；在監(jiān)測過程中，上位機軟件對采集的數(shù)據(jù)信息運用坐標(biāo)歸一算法處理，即將激光數(shù)據(jù)采集單元2坐標(biāo)系、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器8坐標(biāo)系和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器14坐標(biāo)系歸一到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。當(dāng)系統(tǒng)整體裝配完成后，豎直旋轉(zhuǎn)軸中心線與水平旋轉(zhuǎn)軸中心線位于同一個平面，通過機械設(shè)計尺寸推算得出 ΔΧ = 0、Δζ = 113. 5mm，激光數(shù)據(jù)采集單元2光心與水平旋轉(zhuǎn)軸之間的偏移值Δχ'= 74. 5mm。代入場景空間點在三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)坐標(biāo)系Ob-XbYJb 下的三維坐標(biāo)通式得rxB = (r + 0.0745) cos a cos / + 0.1135 sin or]yB=(r + 0.0745) sin β zB = -(r + 0.0745) sin or cos / + 0.0113 5 cos a其中，α、β分別為豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)和水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)的獲取信息；r為場景極半徑信息；將上述經(jīng)坐標(biāo)歸一算法處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡、降噪處理后予以實時顯示，將掃描結(jié)果以三維坐標(biāo)的形式實時存儲在Excel中，并將各個標(biāo)志點的三維坐標(biāo)存儲在Excel 中；其中，掃描參數(shù)因應(yīng)用區(qū)域的遠(yuǎn)近不同而不同，在裝置初次使用時，對掃描參數(shù)予以精準(zhǔn)設(shè)定，存儲在上位機19的存儲數(shù)據(jù)庫中，并將測量的三維點云數(shù)據(jù)庫精準(zhǔn)模型及標(biāo)志點的三維坐標(biāo)信息存入智能對比模板數(shù)據(jù)庫。5)計算三維點云模型及標(biāo)志點三維信息是否與標(biāo)準(zhǔn)庫的結(jié)果一致，若不一致，則啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；6)判斷尾礦壩體掃描是否結(jié)束；若掃描結(jié)束，裝置停止本次工作，根據(jù)上位機軟件關(guān)于定時掃描的設(shè)置，再次啟動進(jìn)入第3步，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于包括機械單元(1)、激光數(shù)據(jù)采集單元O)、控制驅(qū)動與反饋單元(3)、通信及上位機單元，其中機械單元(1)，用于連接激光數(shù)據(jù)采集單元O)與水平方向電機(6)和豎直方向電機 (12)，實現(xiàn)激光數(shù)據(jù)采集單元(2)的水平和豎直方向掃描；水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器⑶與水平方向電機(6)在水平方向電機與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置(9)的固定下同步運動，豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)和豎直方向電機(1 在豎直方向電機與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置(15)的固定下同步運動；激光數(shù)據(jù)采集單元O)，可實時獲取地物點場景極半徑信息，在水平方向電機(6)和豎直方向電機(1 的帶動下，對尾礦壩體全景掃描，將獲得的數(shù)據(jù)信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡 (18)傳遞給上位機(19)；控制驅(qū)動與反饋單元(3)，水平方向驅(qū)動器(11)和豎直方向驅(qū)動器(17)分別控制水平方向電機(6)和豎直方向電機(12)，帶動激光數(shù)據(jù)采集單元( 實現(xiàn)水平和豎直維度的勻速掃描，通過水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)實時獲取各個掃描位置的角度信息，在水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(10)和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(16)的整合下分別傳遞給水平方向驅(qū)動器(11)和豎直方向驅(qū)動器(17)，通過高速數(shù)據(jù)采集卡(18)傳遞給上位機(19)；通信及上位機單元G)，高速數(shù)據(jù)采集卡(18)將激光數(shù)據(jù)采集單元( 獲取的場景極半徑信息、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)及豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)獲得的角度信息實時傳送到上位機(19)，上位機(19)對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)矯正，將各坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)運用坐標(biāo)歸一算法轉(zhuǎn)換到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，并將結(jié)果以三維點云的形式顯示出來；對各個標(biāo)志點的三維坐標(biāo)運用智能監(jiān)測算法，判斷其是否與標(biāo)準(zhǔn)庫的結(jié)果一致；若不一致，則啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的激光數(shù)據(jù)采集單元( 為單點激光傳感器，該單點激光傳感器是在自然表面下采樣量程不小于300m，采樣頻率不小于2000，測量精度不小于60mm，具有RS-232/422/485接口的基于脈沖反射時差法的激光傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的水平方向電機(6)為功率不小于172.8W，最大空載轉(zhuǎn)速630r/min，峰值堵轉(zhuǎn)扭矩不小于2. 2N. m,電流不小于3. 6A，質(zhì)量小于1. 5Kg的力矩電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的豎直方向電機(12)為功率不小于211.2W，最大空載轉(zhuǎn)速460r/min，峰值堵轉(zhuǎn)扭矩不小于4. 4N. m,電流不小于4. 4A，質(zhì)量小于2. 4Kg的力矩電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)為轉(zhuǎn)換率最大為0.5士5%，最大電氣誤差為士 10'，適用于-55 +155°C的環(huán)境，質(zhì)量小于0. 06^(g，輸出為正余弦模擬信號的角度傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)為轉(zhuǎn)換率最大為0.5士5%，最大電氣誤差為士 10'，適用于-55 +155°C的環(huán)境，質(zhì)量小于0. 06^(g，輸出為正余弦模擬信號的角度傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(10)為分辨率不小于14位，脈沖數(shù)不小于 16384，將水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)獲得的正余弦模擬信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z相脈沖信號，可用于-40 +85°C環(huán)境的角度解碼器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(16)為分辨率不小于14位，脈沖數(shù)不小于16384， 將豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)獲得的正余弦模擬信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z相脈沖信號，可用于-40 +85°C環(huán)境的角度解碼器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的水平方向驅(qū)動器(11)為額定電壓+80V以內(nèi)，額定電流8A，輸入角度信號為A、B、Z相脈沖信號，具有R232接口的直流電機驅(qū)動器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的豎直方向驅(qū)動器(17)為額定電壓+80V以內(nèi)，額定電流8A，輸入角度信號為A、B、Z相脈沖信號，具有R232接口的直流電機驅(qū)動器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的高速數(shù)據(jù)采集卡(18)為供電電壓12 48V，輸出為RJ45型網(wǎng)卡接口、支持10兆和100 兆自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度，具有至少四個RS-232/422/485接口的數(shù)據(jù)傳輸裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述的上位機(19)為至少具有網(wǎng)口，系統(tǒng)內(nèi)存大于2GB，支持Windows XP操作系統(tǒng)的工控機。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，其特征在于所述通信及上位機單元中的控制軟件實現(xiàn)過程如下1)激光數(shù)據(jù)采集單元O)與控制驅(qū)動及反饋單元C3)初始化系統(tǒng)上電后，水平方向電機(6)和豎直方向電機(12)分別按照水平方向驅(qū)動器(11)和豎直方向驅(qū)動器(17)的設(shè)置運動到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)位置，高速數(shù)據(jù)采集卡(18)自啟動成功；2)通信及上位機單元(4)初始化設(shè)置激光數(shù)據(jù)采集單元O)的串口相關(guān)參數(shù)，連接激光數(shù)據(jù)采集單元O)，設(shè)置激光脈沖的發(fā)射頻率；設(shè)置控制驅(qū)動及反饋單元C3)的功能參數(shù)控制串口號、掃描范圍、掃描速度，根據(jù)工程的要求定時設(shè)置當(dāng)天的掃描次數(shù)及掃描時間間隔，設(shè)置各個掃描標(biāo)志點的位置參數(shù)；3)啟動在線監(jiān)測按鈕，激光數(shù)據(jù)采集單元(2)和控制驅(qū)動及反饋單元(3)實時將獲取的場景極半徑信息、水平和豎直方向的角度信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡(18)傳遞給上位機 (19)做進(jìn)一步處理；4)解算數(shù)據(jù)；上位機(19)對采集的數(shù)據(jù)信息運用坐標(biāo)歸一算法處理，即將激光數(shù)據(jù)采集單元(2)坐標(biāo)系、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器(8)坐標(biāo)系和豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)坐標(biāo)系歸一到三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置的基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。具體過程如圖2所示，建立激光數(shù)據(jù)采集單元⑵原點坐標(biāo)系系統(tǒng)基準(zhǔn)坐標(biāo)系Ob-XJJb以及三個過渡坐標(biāo)系0Μ-ΧΜΥΜΖΜ、 0H-XHYH4& Ov-XvYvZv，且各坐標(biāo)系均為笛卡爾右手坐標(biāo)系。根據(jù)坐標(biāo)系的相關(guān)轉(zhuǎn)換關(guān)系，解算出場景空間點在三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置基準(zhǔn)坐標(biāo)系Ob-XbYJb下的三維坐標(biāo)通式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維激光掃描尾礦壩體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)裝置，主要包括機械單元、激光數(shù)據(jù)采集單元、控制驅(qū)動與反饋單元、通信及上位機單元。該裝置運用激光數(shù)據(jù)采集單元獲取尾礦壩體表面的場景極半徑信息，運用控制驅(qū)動與反饋單元帶動激光數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行水平和豎直維度的旋轉(zhuǎn)，對尾礦壩體表面大場景勻速掃描并實時獲取水平和豎直維度的角度信息，運用通信及上位機單元將獲取的距離及角度信息通過高速數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機，上位機軟件處理場景極半徑與水平和豎直維度旋轉(zhuǎn)角度信息恢復(fù)場景的真三維圖像，建立理想狀態(tài)下的尾礦壩體標(biāo)準(zhǔn)點云模型，存入數(shù)據(jù)庫，用作智能監(jiān)測的對比模板，在裝置動態(tài)掃描過程中，利用動態(tài)監(jiān)測算法，通過與模板的對比，對突發(fā)災(zāi)害進(jìn)行定性和定量估算。便于操作管理人員及時實施啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，避免災(zāi)害進(jìn)一步擴大。
文檔編號G01C15/00GK102410834SQ201110215579
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者胡少興 申請人:北京航空航天大學(xué)