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(jī)，適應(yīng)時(shí)代關(guān)于安全穩(wěn)步發(fā)展的需要，對保護(hù)國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。國外在尾礦庫安全運(yùn)行監(jiān)測上已形成了包含現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)資料綜合分析和安全警報(bào)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(shí)還存在人員的人身安全問題；運(yùn)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(yùn)用全站儀需要在多個位置進(jìn)行測量，采樣點(diǎn)稀疏且費(fèi)時(shí)。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(shí)現(xiàn)非接觸在線定時(shí)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(jī)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(jī)單元，其中機(jī)械單元，用于連接激光數(shù)據(jù)采集單元與水平方向電機(jī)和豎直方向電機(jī)，實(shí)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(jī)在水平方向電機(jī)與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置的固定下同步運(yùn)動，豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器和豎直方向電機(jī)在豎直方向電機(jī)與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置的固定下同步運(yùn)動。激光數(shù)據(jù)采集單元，可實(shí)時(shí)獲取地物點(diǎn)場景極半徑信息，在水平方向電機(jī)和豎直方向電機(jī)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(jī)。控制驅(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(jī)和豎直方向電機(jī)，帶動激光數(shù)據(jù)采集單元實(shí)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(shí)時(shí)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(jī)。通信及上位機(jī)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(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)。上位機(jī)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(diǎn)云的形式顯示出來；對各個標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)運(yùn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(jī)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(jī)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(qiáng)，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(diǎn)。所述的豎直方向電機(jī)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(jī)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(qiáng)，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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)對水平方向電機(jī)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(shí)現(xiàn)對豎直方向電機(jī)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(jī)驅(qū)動器。實(shí)現(xiàn)對水平方向力矩電機(jī)的閉環(huán)控制，并將實(shí)時(shí)獲取的水平方向角度信息傳輸給上位機(jī)，為高精度監(jiān)測的實(shí)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(jī)驅(qū)動器。實(shí)現(xiàn)對豎直方向力矩電機(jī)的閉環(huán)控制，并將實(shí)時(shí)獲取的豎直方向角度信息傳輸給上位機(jī)，為高精度監(jiān)測的實(shí)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(jī)單元中的上位機(jī)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(jī)，具有較高的可靠性。所述通信及上位機(jī)單元中的控制軟件實(shí)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(jī)和豎直方向電機(jī)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(yùn)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(jī)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(shí)設(shè)置當(dāng)天的掃描次數(shù)及掃描時(shí)間間隔時(shí)間，設(shè)置各個掃描標(biāo)志點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jī)做進(jìn)一步處理；4)解算數(shù)據(jù)；上位機(jī)對采集的數(shù)據(jù)信息運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)尺寸推算得出，Δχ'為激光數(shù)據(jù)采集單元( 測量原點(diǎn)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(shí)時(shí)顯示，將掃描結(jié)果以三維坐標(biāo)的形式實(shí)時(shí)存儲在Excel中，并將各個標(biāo)志點(diǎn)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(shí)，對掃描參數(shù)予以精準(zhǔn)設(shè)定，存儲在上位機(jī)的存儲數(shù)據(jù)庫中，并將測量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫精準(zhǔn)模型及標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息存入智能對比模板數(shù)據(jù)庫；5)計(jì)算三維點(diǎn)云模型及標(biāo)志點(diǎn)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(shí)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(diǎn)在于1)本發(fā)明裝置使用上位機(jī)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(shí)時(shí)掃描，上位機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)非接觸在線定時(shí)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(shí)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(diǎn)云模型圖，其中灰色點(diǎn)代表各個標(biāo)志點(diǎn)。其中，圖1，1、機(jī)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(jī)單元；5、激光固定裝置；6、水平方向電機(jī)；7、激光與水平方向電機(jī)連接裝置；8、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器；9、水平方向電機(jī)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(jī)；13、水平方向電機(jī)與豎直方向電機(jī)連接裝置；14、豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器；15、豎直方向電機(jī)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(jī)。
具體實(shí)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(jī)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(jī)單元4，其中機(jī)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(jī)6和豎直方向電機(jī)12， 實(shí)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(jī) 6在水平方向電機(jī)與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置9的固定下同步運(yùn)動，豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器14和豎直方向電機(jī)12在豎直方向電機(jī)與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置15的固定下同步運(yùn)動。激光數(shù)據(jù)采集單元2，可實(shí)時(shí)獲取地物點(diǎn)場景極半徑信息，在水平方向電機(jī)6和豎直方向電機(jī)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(jī)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(jī)6和豎直方向電機(jī)12，帶動激光數(shù)據(jù)采集單元2實(shí)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(shí)時(shí)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(jī) 19。通信及上位機(jī)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(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)19。上位機(jī)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(diǎn)云的形式顯示出來；對各個標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)運(yùn)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(jī)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(jī)驅(qū)動器11和豎直方向電機(jī)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(jī)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(jī)軟件以串口控制發(fā)送相應(yīng)命令字的方式實(shí)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(jī)6、水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器8、豎直方向電機(jī)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(jī)6和豎直方向電機(jī)12穩(wěn)步運(yùn)行，設(shè)置相應(yīng)程序，使水平方向電機(jī)6和豎直方向電機(jī)12在上電的同時(shí)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(yùn)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(jī)單元4的指令；2)通信及上位機(jī)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(shí)設(shè)置當(dāng)天的掃描次數(shù)及掃描時(shí)間間隔，設(shè)置各個掃描標(biāo)志點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jī)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(jī)軟件對采集的數(shù)據(jù)信息運(yùn)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(jī)械設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)時(shí)顯示，將掃描結(jié)果以三維坐標(biāo)的形式實(shí)時(shí)存儲在Excel中，并將各個標(biāo)志點(diǎn)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(shí)，對掃描參數(shù)予以精準(zhǔn)設(shè)定，存儲在上位機(jī)19的存儲數(shù)據(jù)庫中，并將測量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫精準(zhǔn)模型及標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息存入智能對比模板數(shù)據(jù)庫。5)計(jì)算三維點(diǎn)云模型及標(biāo)志點(diǎn)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(jī)軟件關(guān)于定時(shí)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(jī)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(jī)單元，其中機(jī)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(jī)(6)和豎直方向電機(jī) (12)，實(shí)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(jī)(6)在水平方向電機(jī)與水平方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置(9)的固定下同步運(yùn)動，豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器(14)和豎直方向電機(jī)(1 在豎直方向電機(jī)與豎直方向旋轉(zhuǎn)變壓器連接裝置(15)的固定下同步運(yùn)動；激光數(shù)據(jù)采集單元O)，可實(shí)時(shí)獲取地物點(diǎn)場景極半徑信息，在水平方向電機(jī)(6)和豎直方向電機(jī)(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(jī)(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(jī)(6)和豎直方向電機(jī)(12)，帶動激光數(shù)據(jù)采集單元( 實(shí)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(shí)時(shí)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(jī)(19)；通信及上位機(jī)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(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)(19)，上位機(jī)(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(yùn)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(diǎn)云的形式顯示出來；對各個標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)運(yùn)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(diǎn)激光傳感器，該單點(diǎn)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(shí)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(jī)(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(jī)。
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(jī)(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(jī)。
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(jī)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(jī)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(jī)(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(jī)。
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(jī)單元中的控制軟件實(shí)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(jī)(6)和豎直方向電機(jī)(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(yùn)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(jī)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(shí)設(shè)置當(dāng)天的掃描次數(shù)及掃描時(shí)間間隔，設(shè)置各個掃描標(biāo)志點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jī) (19)做進(jìn)一步處理；4)解算數(shù)據(jù)；上位機(jī)(19)對采集的數(shù)據(jù)信息運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)單元。該裝置運(yùn)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(yùn)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(shí)時(shí)獲取水平和豎直維度的角度信息，運(yùn)用通信及上位機(jī)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(jī)，上位機(jī)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(diǎn)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(shí)實(shí)施啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，避免災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)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)