王 輝，徐 楠，于繼明，宋佳寧，孫葉新，劉兆

（1.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

目前，國內(nèi)外智慧礦山建設聚焦于智能開采，實現(xiàn)少人、無人的智能化采礦是當前國際采礦界研究的熱點。由設備生產(chǎn)廠商主導，一些智能化采礦系統(tǒng)已經(jīng)投入實際應用。中國傳統(tǒng)采礦業(yè)正在面臨新一代信息技術(shù)的挑戰(zhàn)和洗禮。目前國內(nèi)工業(yè)散料的抓取主要依靠人工對機器的操作，物料抓取的多少需要工人自己判斷，同時還很有可能混有很多的雜質(zhì)，容易造成物料的浪費，增加了很多的人工與材料成本。

為了解決上述問題，以及實現(xiàn)少人或無人的機器操作與散料抓取，本文研究激光雷達點云數(shù)據(jù)處理，使機器能夠通過對散料進行三維掃描確定散料的體積與分布情況，并通過程序根據(jù)要求實現(xiàn)無人操作抓斗行車[1-2]，實現(xiàn)高精度的散料抓取[3]，同時減少抓取散料中雜質(zhì)的占比。這樣將大大減少人工與材料的成本，提高效率。

目前國外的激光雷達產(chǎn)業(yè)起步較早，競爭日益激烈，其中Velodyne 在機械式雷達方面具有顯著優(yōu)勢，占有較大份額；但國內(nèi)固態(tài)激光雷達領域還沒有公認的成熟解決方案，所有企業(yè)基本是齊頭并進地競爭，所以這個領域的國產(chǎn)廠商有望超車。在微電子技術(shù)方面，國外片上系統(tǒng)和芯片級組件等技術(shù)極大提高了天線的集成度；微加工技術(shù)可實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝，可以在一個或幾個晶片上實現(xiàn)一部高頻段有源相控陣天線。行業(yè)內(nèi)對更小體積、更低成本、更高性能的追求使得微系統(tǒng)與雷達的結(jié)合成為必然趨勢[4]。激光雷達包含發(fā)射單元、接收單元、掃描單元以及數(shù)據(jù)處理單元。三維掃描激光雷達能夠主動獲取目標的三維信息，其高速數(shù)據(jù)采集與傳輸是目前國內(nèi)三維實時成像的技術(shù)瓶頸之一[5]。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，我國激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈完備，各環(huán)節(jié)都有參與者跟隨國際領先廠商發(fā)展。國外廠商在上游光源、探測器和光束操縱等領域具有優(yōu)勢。綜合來看，激光雷達領域國外廠商布局較早，已經(jīng)掌握了比較成熟的技術(shù)；國內(nèi)廠商緊追不舍，產(chǎn)品的精度和價格占據(jù)優(yōu)勢，且仍有初創(chuàng)公司不斷加入，未來國內(nèi)市場的競爭將會更加激烈。全球知名市場研究與戰(zhàn)略咨詢公司Yole Intelligence 近期發(fā)布的《2022 年汽車與工業(yè)領域激光雷達報告》指出，中國已經(jīng)發(fā)展出一個重要的激光雷達生態(tài)系統(tǒng)，并在物流發(fā)展、智能基礎設施建設、機器人駕駛和配送方面產(chǎn)生對激光雷達的強大且多樣化的需求[6]。

目前激光雷達可使用ToF（Time of Flight）法、FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）法及三角測距法等進行測距，ToF 和FMCW 測距法能夠在室外陽光下實現(xiàn)較遠的測程（100 ～250 m），是車載激光雷達的優(yōu)選方案。ToF 法是目前市場車載長距激光雷達的主流方案，適用場景廣，無論被攝物體有無特征點，環(huán)境光較強或較弱，都可獲得有效的景深信息；較遠距離時精度也較高，可以達到厘米級的水平[7]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體介紹

在智慧礦山中，為了實現(xiàn)對干散料的精準抓取，嘗試用雷達采集數(shù)據(jù)，進行三維建模；設計合理的抓取算法，對干散料進行最優(yōu)抓取。其中，點云數(shù)據(jù)處理的研究與應用以激光雷達為基礎，采用激光雷達掃描采集工業(yè)散料的分布情況，通過Visual Studio 2022 和MATLAB 軟件進行三維建模，將采集的信號處理為圖像，顯示并發(fā)送給系統(tǒng)。激光雷達包含發(fā)射單元、接收單元、掃描單元以及數(shù)據(jù)處理單元。本文采用飛行時間測量法（ToF），在激光雷達發(fā)出激光脈沖時開始計時（t1）；當激光遇到目標物體光返回，接收端停止計時（t2），距離=光速×(t2-t1)/2。系統(tǒng)總體設計如圖1 所示。

圖1 智慧礦山中激光雷達點云處理系統(tǒng)總體設計

1.2 軟件平臺

目前由于計算機技術(shù)有限，不能將大規(guī)模的點云數(shù)據(jù)一次性導入內(nèi)存，需要對點云數(shù)據(jù)進行重新組織。在可視化過程中，對點云數(shù)據(jù)進行實時調(diào)度，不斷地在內(nèi)存和外存之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)切換。隨著用戶的交互、視點位置的改變，將落入可見區(qū)域的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，同時釋放不在顯示區(qū)的數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)的組織是可視化的前提。對于點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)，PCL（Point Cloud Library）是一項獨立的、大型的處理二維/三維圖像和點云數(shù)據(jù)的開源工程，后來漸漸發(fā)展為一個獨立的函數(shù)庫。PCL 庫可以實現(xiàn)大規(guī)模點云的顯示、縮放、漫游。PCL 包含了許多先進算法，比如濾波、特征估計、表面重建、模型擬合和分割等，由于它是一個模塊化的現(xiàn)代C++模板庫，文中采用Visual Studio 2022 的C++編程庫對點云數(shù)據(jù)進行解析處理。Visual Studio 2022 界面如圖2 所示。

圖2 Visual Studio 2022 軟件界面

2 激光雷達點云采集與處理技術(shù)

2.1 激光雷達介紹

文中激光雷達裝有16 對激光發(fā)射接收模組，電機以5 Hz（或者10 Hz、20 Hz）轉(zhuǎn)速驅(qū)動進行360°掃描，其測距方式采用脈沖式，測量范圍為70 ～200 m，測距精度為±3 cm。采用飛行時間測量法（ToF），在激光雷達發(fā)出激光脈沖時開始計時（t1），當激光遇到目標物體時返回，接收端停止計時（t2）。距離計算公式：距離=光速×(t2-t1)/2。

文中使用的16 線激光雷達如圖3 所示。圖4 展示了2°（左）和1.33°（右）激光雷達示意圖。圖5 顯示了激光雷達坐標系和掃描方向。

圖3 C16 激光雷達

圖4 2°（左）和1.33°（右）激光雷達示意圖

圖5 激光雷達坐標系和掃描方向

EC20 Mini PCIe 采用標準封裝，同時支持LTE，最大的上行速率為50 Mb/s。它支持接收分集技術(shù)，通過多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）降低誤碼率，改善通信質(zhì)量。

2.2 雷達的系統(tǒng)連接

首先，我們將雷達與上位機連接并配置雷達，用Windows 軟件顯示點云。通過上位機軟件設置雷達IP 地址為192.168.1.101，設備端口號為2369，數(shù)據(jù)包端口號為2368。設置電腦IPv4 地址為192.168.1.102，連接雷達后電腦使用Wireshark 軟件抓取設備ARP 包進行分析，以便于查看雷達的以太網(wǎng)配置信息。本系統(tǒng)中雷達采用UDP/IP 的通信協(xié)議。

圖6 為雷達和電腦的連接示意圖，圖7 是雷達IP 地址、數(shù)據(jù)包端口號及設備端口號設置情況。圖8 展示了雷達掃描后點云在上位機中的顯示情況。

圖6 雷達和電腦連接

圖7 設置IP 和端口

圖8 上位機軟件顯示點云

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

雷達支持單播、廣播和組播通信。雷達數(shù)據(jù)輸出和配置使用UDP/IP 通信協(xié)議，UDP 包長均為1 248 B。數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)采用小端模式。數(shù)據(jù)包輸出點云的角度值、距離值、強度值、時間戳等測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包包括42 B 以太網(wǎng)包頭和1 206 B 的有效載荷，有效載荷由1 200 B 點云數(shù)據(jù)channel data（12 個100 B 的數(shù)據(jù)塊block）和6 B 的附加信息（4 B的Timestamp 和2 B 的actory）組成。

16 線小型化雷達有兩種不同的垂直角度分布，其每個通道數(shù)據(jù)對應固定的垂直角度（以2°的垂直角度相隔，達到-15°～15°的30°垂直視場角），采用笛卡爾坐標表示，通過獲取雷達的垂直角度、水平角度和距離參數(shù)，可將極坐標下的角度和距離信息轉(zhuǎn)化到右手笛卡爾坐標系下的X、Y、Z坐標，轉(zhuǎn)換關系表達式為：

式中：r為距離；α為垂直角度；θ為水平旋轉(zhuǎn)角度（計算時需要考慮水平修正角度）；X、Y、Z為極坐標投影到x、y、z坐標。

解析點云數(shù)據(jù)：（1）解析數(shù)據(jù)包，獲得每一線的相對水平角度、測距信息、強度數(shù)據(jù)和微秒時間戳信息；（2）讀取設備包，獲取水平修正角度值、UTC 時間（GPS 或NTP 授時）和設備當前狀態(tài)配置等信息；（3）依據(jù)雷達光束分布得到每一線的垂直角度；（4）根據(jù)點云數(shù)據(jù)的測距值、垂直角度以及計算后的水平角度，得到XYZ坐標值；（5）如果需要，通過UTC 時間、微秒時間戳、雷達每一線發(fā)光時刻和單雙回波模式，計算點云數(shù)據(jù)的精確時間。

單回波模式時，一次單點激光發(fā)射測量一次回波數(shù)據(jù)。一個點云數(shù)據(jù)包包含12 個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊包含2 組按照打包順序測量的16 個通道點云數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)塊只返回一個方位角，每個方位角輸出2 組數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 16 線單回波數(shù)據(jù)格式

為得到每個點云的XYZ空間坐標、角度、所屬通道、距離的信息，定義一個通道i（從0 至15）為整數(shù)類型，對應{-15，1，-13，3，-11，5，-9，7，-7，9，-5，11，-3，13，-1，15}共16 個通道，在存放激光雷達采集的原始數(shù)據(jù)中得到點云的角度lidar_angle和距離lidar_dist，設為float類型。隨后采用笛卡爾的轉(zhuǎn)換關系，得到XYZ空間坐標，具體實現(xiàn)算法如圖10 所示。

圖10 點云空間坐標解析

2.4 點云濾波

在利用三維激光雷達掃描儀掃描目標時，會受到掃描設備、周圍環(huán)境、人為擾動、目標特性等因素的影響，使得點云數(shù)據(jù)無法避免地存在一些噪點[8]，導致數(shù)據(jù)無法正確表達掃描對象的空間位置，為此設計一種高效的點云小尺度噪聲濾波算法。利用PCL 庫通過C++實現(xiàn)點云濾波。目前數(shù)據(jù)平滑濾波主要采取的是中通濾波、高斯濾波、均值濾波以及中值濾波。這里采用簡單高效的直通濾波技術(shù)。首先，指定一個維度以及該維度下的值域；其次，遍歷點云中的每個點，判斷該點在指定維度上的取值是否在值域內(nèi)，刪除取值不在值域內(nèi)的點；最后，遍歷結(jié)束，留下的點即構(gòu)成濾波后的點云[9]。直通濾波實現(xiàn)代碼如圖11 所示。

圖11 直通濾波

2.5 點云數(shù)據(jù)的保存與顯示

C++將處理后的點云坐標數(shù)據(jù)（點云的XYZ空間坐標、角度、所屬通道、距離）寫入txt 文件中，保存格式如圖12所示。

圖12 點云數(shù)據(jù)格式

3 MATLAB 繪制圖像

對于處理完的點云數(shù)據(jù)集，需要進行繪圖，而與其他的計算機高級語言相比，選擇MATLAB 有著許多非常明顯的優(yōu)勢。MATLAB 允許用戶以數(shù)學形式語言編寫程序，用戶在命令窗口中輸入命令即可直接得到結(jié)果；并且用MATLAB畫圖，數(shù)值計算高效快速，還能夠?qū)Ψ栠M行計算；對于繁雜的數(shù)據(jù)處理也非常高效，省去用戶通過復雜手段處理數(shù)據(jù)的步驟。MATLAB 能夠?qū)⑻幚斫Y(jié)果以圖形方式展現(xiàn)出來，將結(jié)果可視化，方便用戶更好地對數(shù)據(jù)進行分析。由于它是用C 語言開發(fā)的，所以它的流程控制語句與C 語言中的相應語句幾乎一致。MATLAB 軟件能夠?qū)υ囼灚@取的點云進行預處理，降低無關因素對圖像的影響，為后續(xù)三維重建奠定基礎[10]。

采用load（‘Test1.txt’）讀取txt 文件的方法，繪制點云圖像。對采集的點云數(shù)據(jù)進行處理后，繪制圖像結(jié)果如圖13所示。

圖13 MATLAB 繪制點云數(shù)據(jù)圖像

4 結(jié) 語

本文開展了智慧礦山中激光雷達點云處理的研究與應用，采用激光雷達，掃描獲取礦山工業(yè)現(xiàn)場的散料三維空間分布情況，運用PCL 庫通過C++語言實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的濾波與處理；采用MATLAB 軟件進行三維建模，將采集的信號圖像化后發(fā)送給系統(tǒng)，根據(jù)三維特征分布進行精準抓取，實現(xiàn)工業(yè)散料自動抓取的功能?；诩す饫走_的三維采集，實現(xiàn)少人或無人的機器操作與散料抓取，既能減少抓取散料中雜質(zhì)的占比，提高效率，也能使相關從業(yè)人員的安全得到保障。