馬啟晟

（中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710000）

1 引言

本文旨在設(shè)計一種大宗散貨盤點系統(tǒng)，并以煤炭為試驗對象。目前針對煤場盤點的產(chǎn)品主要分為便攜式盤煤儀和固定式盤煤儀。便攜式盤煤儀依賴人工操作，勞動強度大，操作要求比較高；固定式盤煤儀雖然減少了便攜式盤煤儀的人工打點操作，但卻存在不可避免的掃描盲區(qū)，無法對整個堆場的每個煤垛均進(jìn)行有效盤點［1］?？梢?，探索新型、高效、智能的盤點系統(tǒng)是散貨科學(xué)管理領(lǐng)域中非常重要的課題，也是現(xiàn)代化的管理手段不可缺少的部分［2］。

2 大宗散貨盤點系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 大宗散貨盤點系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)將實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確盤煤，現(xiàn)場測量人員只需手提測量終端設(shè)備圍繞儲煤基地任意被測煤垛行走一周，即可快捷、高效地完成對煤垛的盤點［3］。采集數(shù)據(jù)包括二維激光掃描數(shù)據(jù)、可見光圖像、電子羅盤數(shù)據(jù)、動態(tài)傾角傳感器數(shù)據(jù)與GPS定位數(shù)據(jù)［4～5］。所有數(shù)據(jù)可通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至分析計算平臺，在分析計算平臺對被測散貨堆進(jìn)行激光三維圖像生成、可見光三維圖像生成、三維數(shù)據(jù)融合以及體積計算等工作［6～7］。

2.2 大宗散貨盤點系統(tǒng)工作模式

本系統(tǒng)設(shè)計了兩種測量方式，手提式與定點式。

1）手提式測量模式

手提式工作模式下，現(xiàn)場測量人員只需手提測量終端設(shè)備圍繞任意被測散貨堆行走一周，即可完成對散貨堆快捷、高效的體積測量。如下圖1所示。

圖1 手提式工作模式下測試示意圖

2）定點式測量模式

定點式工作模式下，測量人員圍繞被測散貨堆選擇幾個測量點，在每個測量點對散貨堆進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后，由分析計算平臺將各個測量點的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并處理，完成體積測量。測量示意圖如下圖2所示。

圖2 定點式工作模式下測試示意圖

2.3 大宗散貨盤點系統(tǒng)總體構(gòu)成

按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計安排，大宗散貨盤點系統(tǒng)的軟件也相應(yīng)由三部分組成，具體組成如圖4所示［8］。

本論文中設(shè)計并實現(xiàn)基站設(shè)備初始化模塊、基站數(shù)據(jù)采集模塊、手提測量終端設(shè)備初始化模塊、手提測量終端工作模式選擇模塊、手提測量終端數(shù)據(jù)采集模塊、手提測量終端數(shù)據(jù)傳輸模塊、分析計算平臺數(shù)據(jù)傳輸模塊這七個模塊的軟件編寫及測試。以下將此七個模塊統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集軟件。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 盤點系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.4 大宗散貨盤點系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

手提移動終端硬件系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 手提移動終端硬件系統(tǒng)（實線代表供電，虛線代表數(shù)據(jù)）

圖6 基站硬件系統(tǒng)組成

基站硬件系統(tǒng)如圖6所示，虛線代表供電，實線代表數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件的輸入數(shù)據(jù)接口設(shè)置

接收的數(shù)據(jù)主要來自二維激光掃描儀、GPS、電子羅盤、高清攝像機、動態(tài)傾角傳感器、電動轉(zhuǎn)臺、微型熱敏打印機。

1）二維激光掃描儀LD-MRS-511通過網(wǎng)口連接工控機，數(shù)據(jù)輸出頻率25Hz，角度分辨率0.1667°。

2）GPS Trimble BD982通過串口連接工控機。串口輸出數(shù)據(jù)頻率為50Hz。

3）高清攝像機DS-2CD7153-E通過網(wǎng)口連接工控機。

4）電子羅盤HEC365通過串口連接工控機，數(shù)據(jù)輸出頻率50Hz。

5）動態(tài)傾角傳感器QT304通過串口連接工控機，數(shù)據(jù)輸出頻率50Hz。

6）電動轉(zhuǎn)臺通過串口連接工控機。

7）微型熱敏打印機RMD8通過串口連接工控機。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件的輸出數(shù)據(jù)接口

手提移動終端發(fā)送給分析計算平臺的數(shù)據(jù)主要有：二維激光點數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)及航向數(shù)據(jù)、羅盤數(shù)據(jù)、動態(tài)傾角傳感器數(shù)據(jù)、可見光圖像數(shù)據(jù)。

1）二維激光點數(shù)據(jù)

采集處理后的二維激光點數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 采集處理后的二維激光點數(shù)據(jù)

2）GPS定位數(shù)據(jù)及航向數(shù)據(jù)

采集處理后的GPS定位數(shù)據(jù)及航向數(shù)據(jù)如下圖8所示。

圖8 采集處理后的GPS定位數(shù)據(jù)及航向數(shù)據(jù)

3）羅盤數(shù)據(jù)

采集處理后的羅盤數(shù)據(jù)如下圖9所示。

圖9 采集處理后的羅盤數(shù)據(jù)

4）動態(tài)傾角傳感器數(shù)據(jù)

采集處理后的動態(tài)傾角傳感器數(shù)據(jù)如下圖10所示。

圖10 采集處理后的動態(tài)傾角傳感器數(shù)據(jù)

5）可見光圖像數(shù)據(jù)

圖像采集后記錄圖像名稱的文本以攝像機A為例，如圖11所示。

圖11 攝像機A拍攝圖像名數(shù)據(jù)

4 大宗散貨盤點系統(tǒng)測試

4.1 設(shè)備精度測試

1）GPS定位精度測試

將GPS定位模塊靜止放置測量一段時間，得到靜態(tài)經(jīng)緯度坐標(biāo)（即水平定位）和高程測量值（即高程定位），取平均值為定位數(shù)據(jù)真值，則測量值的抖動范圍，即可視為GPS的定位誤差。圖12為GPS定位精度測試實驗圖。

現(xiàn)場測試中，手提式工作模式下，以“09場11垛201412131246”為例，給出可見光圖像、體積打印結(jié)果以及煤堆體積網(wǎng)格圖。9場11垛為一小型垛，周長約260m，行走一周三分鐘左右。測量過程中黃驊港工作人員使用便攜式盤煤儀同時測量，進(jìn)行對比。

圖12 GPS精度測試實驗圖

水平定位包括東西南北四個方向，以東西為X軸，南北為Y軸，GPS的水平定位如圖13所示。高程定位主要為在海拔高度的定位，以豎直向上為Z軸，高程數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖13 水平定位精度圖

圖14 高程定位精度圖

對圖13、圖14中數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計算，水平定位標(biāo)準(zhǔn)差為3.1mm，高程測量的標(biāo)準(zhǔn)差為8.6680mm。以橫縱坐標(biāo)平均值組成的點（1.7494，10.9757）為圓心，以8mm為半徑，實驗過程中采集到的10297個點，有10106個點在圓內(nèi)，所占比例99.7%，大于67%（1sigma）的合格率。計算高程平均值為6.5372mm，以平均值為高程真值，共采集10297個點，有9560個點在［真值-15mm，真值+15mm］區(qū)間內(nèi)，所占比例92.84%，大于67%（1sig?ma）的合格率。符合Trimble BD982的精度指標(biāo)。

2）電子羅盤精度測試

將電子羅盤靜止放置測量，取平均值為方向角真值，圖15為電子羅盤靜止情況下測得的方向角數(shù)據(jù)。方向角平均值為26.0923°，各測量點與平均值之間最大差值為0.3493°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0492°，符合HEC365的偏航角精度指標(biāo)。

圖15 方向角靜態(tài)測量數(shù)據(jù)

3）動態(tài)傾角傳感器精度測試

將動態(tài)傾角傳感器靜止測量，以平均值為真值。圖16、圖17分別為動態(tài)傾角傳感器靜止情況下測得的俯仰角、橫滾角數(shù)據(jù)。

圖16 俯仰角靜態(tài)測量數(shù)據(jù)

圖17 橫滾角靜態(tài)測量數(shù)據(jù)

俯仰角平均值為0.3874°，各測量點與平均值之間最大差值為0.0374°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0093°。橫滾角平均值為2.4263°，各測量點與平均值之間最大差值為0.0637°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0111°。符合QT304的精度指標(biāo)。

4）激光掃描儀精度測試

二維激光掃描儀LMS511，數(shù)據(jù)輸出頻率25Hz，角度分辨率0.1667°，輸出角度120°，每條掃描線720個點。將二維激光掃描儀如圖18所示放置測量。

圖18 激光掃描儀精度測試實驗放置圖

共采集1472條掃描線，實驗過程中激光掃描儀靜止放置，因此這1472條掃描線可看作各點在同一位置分別測量了1472次，對各點的1472次測量值求標(biāo)準(zhǔn)差［9～10］。圖19為墻面上取199點的各點標(biāo)準(zhǔn)差圖。圖20為本次激光掃描儀精度測試的激光點云圖。

圖19 激光掃描儀各點標(biāo)準(zhǔn)差

圖20 激光掃描儀精度測試激光點云圖

對圖19的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)差最大為3.6653mm，平均值為3.5218mm。從圖20可以看出，激光點云圖里畫出的墻面有一定厚度，此厚度可看成激光掃描儀測量精度，墻面厚度最大為23mm，符合LD-MRS-511的精度指標(biāo)。

4.2 大宗散貨盤點系統(tǒng)整體測試

1）模擬堆體下盤點系統(tǒng)整體測試：充氣模型如圖21所示。

圖21 模擬堆體模型

數(shù)據(jù)采集軟件采集數(shù)據(jù)經(jīng)過分析計算平臺生成激光點云圖［11～12］，如圖22所示。

圖22 激光點云圖

定點式工作模式下模擬堆體的激光點更密集，盤點系統(tǒng)可以獲得被測散貨堆更多的細(xì)節(jié)信息，體積計算精度較高［13］。手提式工作模式下盤點系統(tǒng)具有操作簡單、質(zhì)量輕、測量速度快、無需選擇測量點等優(yōu)點［14］。

2）實際煤場環(huán)境下盤點系統(tǒng)整體測試：2014年12月13日在河北省滄州市黃驊港實際測量煤堆體積，現(xiàn)場測試如圖23所示。

圖23 實驗現(xiàn)場場景

（1）高清攝像機數(shù)據(jù)結(jié)果

圖24為“9場11垛12131246”測量數(shù)據(jù)中四個攝像機現(xiàn)場實際拍攝圖像中的一組。

圖24 攝像機圖像

（2）打印機打印體積結(jié)果

體積為12810m3。打印體積結(jié)果如下圖25所示。

圖25 體積結(jié)果

（3）整體測試結(jié)果

“9場11垛12131246”網(wǎng)格圖如圖26所示。

圖26 煤堆網(wǎng)格圖

計算體積為12810m3，測量時間3分17秒，無需設(shè)置基準(zhǔn)點，可立刻算得體積結(jié)果，可以測量不規(guī)則煤垛。黃驊港工作人員使用便攜式盤煤儀對此垛進(jìn)行測量，體積為12827m3，測量時間20min，需設(shè)置基準(zhǔn)點，后期體積計算軟件處理后才能算得體積結(jié)果，測量不規(guī)則煤垛誤差大［15］。

5 結(jié)語

本文從硬件設(shè)計、軟件的設(shè)計與數(shù)據(jù)采集軟件的實現(xiàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了軟件設(shè)計接口以及黃驊港現(xiàn)場實驗的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過大量測試，數(shù)據(jù)采集軟件采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析計算平臺計算得到正確的體積結(jié)果，達(dá)到了軟件預(yù)期的效果。