2D激光扫描仪在圆形煤仓堆取料机无人值守系统中的应用

谢䶮

国家能源集团谏壁发电厂，江苏省镇江市谏壁镇 212006

Application of 2D laser scanner in unattended system of circular coal bunker

XIE YAN

CHINA ENERGY INVESTMENT/ JianBi power plant,zheng jiang.

摘要：针对圆煤仓堆取料机的无人值守系统改造，旨在提高燃料对厂存煤的精确管理，减少人工操作损耗，提高生产效率。无人值守系统的核心之一就是激光扫描仪，本文要阐述的是，如何利用2D激光扫描仪完成圆煤仓堆取料机的三维动态测量以及在防撞预警中的应用。

关键词：2D激光扫描仪；三维成像；防撞预警

ABSTRACT: Aiming at the unmanned system transformation of the circular coal bunker, it is designed to improve the precise management of the fuel to the plant storage, reduce artificial operation loss, and improve productivity.One of the cores of the unattended system is the laser scanner,What this article is about,How to use 2D laser scanner to complete the three-dimensional dynamic measurement of the circular coal bunker and its application in collision avoidance warning.

KEY WORD: 2D Laser scanner； three-dimensional imaging；Collision avoidance warning

1.引言：

近年来，燃料智能化建设正在徐徐开展，以实现燃料场地数字化、智能化管理，精准定位，自动堆取料作业和精准配煤为目标的无人值守系统改造技术也越来越成熟。

在此技术中，要实现煤场作业的无人值守，就要通过激光三维煤场测控系统提供煤堆的空间信息来实现堆取作业的全部自动化，同时也为煤场管理系统提供实时的煤量储存数据，进而做到对生产高效准确的管理。

而要实现煤场三维测绘成像，就要使用激光扫描仪，因此，无人值守系统的核心装置之一，就是激光扫描仪。目前，技术较为成熟的，且应用最广泛的是2D激光扫描仪。

2.2D激光扫描仪的工作原理

2D激光扫描仪由角度编码器、激光二极管、反射镜、激光传感器及其他辅助部件组成。扫描器内，角度编码器以规则的角度步骤触发激光二极管，发射出红外激光束，另有连接角度编码器的反射镜，在一定方向上反射激光束，反射镜旋转形成均匀扫描区域。发射出的激光束遇到物料表面自然反射，反映部分激光脉冲的能量，即回波信号，回波信号随表面反射率和物体的距离而变化。回波信号一旦通过接收阈值就会被检测到。激光传感器则测量激光飞行时间和回波信号的脉冲宽度。然后应用各种校正来补偿回波信号强度的偏差。最后通过公式计算激光扫描仪到目标物料表面的距离。

公式：d=T × c÷2－corr

d：距离

T：激光飞行时间

C：环境大气中激光的速度

C
orr：回波信号校正

图1

物料表面的密度不同，发射回的激光脉冲的能量大小也不同，通过筛选，去除噪点，我们就能得到想要扫描的物料表面的距离和由最多3000个点组成的点阵图像。

图1为激光扫描仪未设置筛选条件时扫描出的点阵图像，可看到下方的煤堆及圆煤仓仓壁和堆取料机部分本体，中心为激光扫描仪。

图1中，激光扫描仪的扫描区域为45°到315°共270°的范围，而在实际应用中，根据圆煤仓的半径和扫描仪安装位置，不需要使用这么广的激光扫描范围，所以就可以在软件中设置激光扫描仪的扫描范围。

3.激光扫描仪的应用

根据激光扫描仪的测距原理，在圆煤仓堆取料机无人值守系统改造中，有两点主要应用。

3.1在圆煤仓煤堆三维测量成像中的应用

在无人值守系统中，圆煤仓动态三维图可以清晰地反映煤堆的空间变化信息，实时反映加仓情况。要实现三维动态图的实时更新，就需要激光扫描仪提供实时数据，再通过数据处理及预设的现场参考点对煤堆进行三维建模，最后在系统软件终端生成直观的三维画面。

图
2

这里的数据处理就是指测算煤堆高度，

前文说过，激光扫描仪可以测算扫描仪到料堆表面的距离，那要如何测算煤堆高度，这需要经过函数公式换算。

如图2，我们将激光扫描仪水平固定安装在煤堆上方，并且测量安装点到圆煤仓水平面的高度为H，然后根据测量的圆煤仓半径及应用上的需求，将扫描区域设定在145°至250°之间，此区域内将形成1166

个点的数据，由此可计算出每个点的扫描间隔为0.09°。

假设要测算180°至250°之间，a点的煤堆高度h，我们能直接得到数值X，即扫

描仪到煤堆表面的直线距离，也能得到扫描点的角度α1=a ×0.09°，由此算出 β1=70°—α1，

通过三角函数算出h1=X × COSβ1。

因此，测算a点煤堆高度的函数公式为：

h = H— X × COS（70°—a*0.09°） a为0~777

假设要测算145°至180°之间，b点的煤堆高度h’，我们能直接得到数值X’，也能得到扫描点的角度α2=b × 0.09°，由此算出β2=α2—70°，再通过三角函数算出：h2=X’ × COSβ2。因此，测算b点煤堆高度的函数公式为：

h’=H — X’ × COS（b * 0.09°—70°） b为778~1165

将两台激光扫描仪分别水平安装于取

料臂上方左、右两侧，这样，取料臂回转一周，2D激光扫描仪就能完成对整个圆煤仓360°的完整扫描，得到所需的点阵数据。左、右取料回转时，激光扫描仪跟随回转，相对的右侧与左侧激光扫描仪能实时测算取料过后工作面煤堆的高度变化。堆料亦然。通过对这些实时数据测算，结合测绘出的中心点，圆煤仓半径等定位数据，就能实时圆煤仓煤堆的三维动态测量成像，为燃料管控系统提供圆煤仓实时储煤的数据。

3.2在取料防撞预警中的应用

无人值守系统的特点在于无人操作而进行自动控制，堆料时，会根据管控需求在不同范围内堆不同煤种的煤，取料时也要通过实际需求服从管控调配，通常会在同一个范围内进行来回取料，就会造成某个范围内煤堆高度会低于取料范围外的煤堆高度。要如何在取料时保证取料臂不会碰撞范围外的煤堆或不会碰撞意外情况下进入工作区域内的障碍物。我们先分别设计了两个方案：一是取料回转行走及俯仰机构安装绝对值编码器，其发出的脉冲数值可以通过计算得出取料臂在圆形煤场中的三维坐标值，避免取料超出范围，造成碰撞，二是通过取料臂两侧安装超声波探测仪，在一定距离内探测到障碍物，就会报警，从而连锁取料臂不再回转。但编码器可能会跑码，小范围内又不能通过RFID（射频识别）进行编码器数值自动校正，导致测得的取料臂三维坐标有偏差；超声波探测仪也会有检测盲区，无法检测相对体积较小的障碍物，因此，靠这两种保护方案都不是最可靠的，只能作为补充手段。所以，还要使用激光扫描仪的测距功能，来实现取料回转防撞预警功能。

在取料臂上方安装两台激光扫描仪，扫描面分别垂直于取料臂左右1.2米处，取料臂左、右回转作业时，取料回转方向同侧激光扫描仪扫描面始终先于取料回转工作区域扫描，通过得到的点云数据信息换算出取料工作区域范围外的煤堆高度。当高度变化大于预设值时，给出防撞预警，连锁取料臂不再回转。

在实际应用中，也可以作为检测障碍物使用，如铲车、推车等工程车辆，当扫描面中有部分连续点的高度变化超出预设值时，则默认有障碍物，也会给出防撞预警，连锁取料臂不再回转，很好地弥补了超声波探测仪的预警盲区。

4.结语

基于激光三维成像的圆形煤仓堆取料机无人值守系统，利用激光扫描仪对煤仓进行实时三维动态测量，实现圆煤仓堆取料机的自动化生产、连锁和保护功能，真正实现圆煤仓堆取作业的无人值守。同时，同步将圆煤仓实时储煤信息提供给燃料管控系统。这样，就能将圆煤仓无人值守系统纳入燃料一体化管控平台，做到对燃料生产的精确管理。

致谢

感谢谏电燃料专工及主任对此论文的写作方向指导，感谢谏电燃料，让我参与堆取料机无人值守的改造，在改造过程中，我学习到了各方面的知识，并对无人值守系统的组成和工作流程有了直观的印象，让我可以完成这篇论文。整篇论文肯定存在不足之处，感谢各位评审的老师，给予指正，不胜感激！

参 考 文 献

1. 李峰 基于激光三维成像的圆形煤仓堆取料机无人值守

作者简介：

谢䶮，1988，男，江苏省宜兴市，本科，助理工程师，从事燃料检修工作