具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的第一方面，提供一种识别方法，如图1所示，包括：

步骤101：采用激光扫描仪，按照预设时间间隔对预设角度范围的目标进行扫描，获取激光扫描仪采集的原始数据，对原始数据进行数据处理，得到能进行三维重建的点云数据；

本发明中，采用安装于行车上的二维激光扫描仪，按照预设时间间隔对角度为145°的角度范围进行目标扫描。对原始数据进行数据处理包括：数据提取、数据滤波、坐标解算以及格式转换。激光扫描仪通过伺服电机转动以及行车移动的方式，从不同位置对目标表面进行扫描。本方法能有效克服激光扫描仪扫描视场的限制对目标采集数据不完整的问题，能够获取目标即火车车厢煤料表面的完整信息。

进一步的，从激光扫描仪采集的原始数据中提取有效信息，并将有效信息由十六进制数组转换为十进制数据。对于激光扫描仪采集到的原始数据为十六进制数组，且有效信息即目标的距离信息只占其中的一部分，因此需要提取数据中的有效信息，并将这些信息转换为相对直观地十进制数。

将极坐标形式的坐标数据转化为直角坐标，如图2所示，极坐标点P坐标为(ρ，α，θ)，其中ρ为距离值，α与θ分别为水平和俯仰扫描角，转化为直角坐标，根据数量关系可以将其表达为：

在本发明中，由于激光扫描仪通过步进一定间隔来完成145°范围的扫描，所以在扫描过程中产生编号为1，2，3，…，i，…的一组数据，所获得的数据为极坐标形式，点P坐标为(ρ，α，θ)，其中ρ为距离值，α与θ分别为水平和俯仰扫描角。因为极坐标可读性较差，因而需要将极坐标转化为直角坐标，根据数量关系可以将其表达为：

通过旋转矩阵对激光扫描仪所获得的坐标进行转换：

其中：

a₁＝cosθ·cosβ+sinθ·sinα·sinβ

a₂＝-cosαsinβ

a₃＝-sinθcosβ+cosθsinαsinβ

b₁＝cosαcosβ-sinθsinαcosβ

b₂＝cosαcosβ

b₃＝-sinθcosβ-cosθsinαsinβ

c₁＝sinθcosα

c₂＝sinα

c₃＝cosθcosα

若大地坐标系为O-UVW，则任意点P在新坐标系中的坐标为：

由于激光扫描仪所获得的数据点坐标均为以激光发射中心为原点，想要获得以大地坐标系构建的点云模型，就必须将所得到的数据点坐标进行转换。

对数据滤波处理如图3所示，包括：将信噪比过低、测量值溢出、读取错误、眩光以及测量距离大于最大量程等情况下的数据识别并剔除，并使用与这些数据邻近且符合重建要求的数据对剔除的数据进行替换。

数据滤波处理得到的数据为能进行三维重建的点云数据。

步骤102：对扫描得到的目标图像检测目标的边缘信息；

本发明中，获取限制条件，计算限制条件和区域边界之间的空间关系信息，计算邻接点之间的关系信息，以此来确定目标的边界位置及方向。受到激光发散特性的影响，使得激光扫描仪发射的激光到达煤料表面的光斑要比实际发射的光斑大很多，这会造成目标边界的模糊与缺失，以目标为煤场为例，影响到火车车厢煤料位置信息的识别。为正确估算边界方向及位置，通过计算限制条件和区域边界之间的空间关系，计算邻接点之间的关系来确定区域的内部或外部边界位置及方向。

步骤103：对点云数据进行匹配连接，使得各点云数据位于同一坐标系；

在本发明中，激光扫描仪通过伺服电机转动以及行车移动，从不同位置对煤料表面进行扫描，得到不同位置的扫描结果，采用数据匹配算法对采集到的数据点云进行快速匹配，其中，数据匹配算法可以为ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点)算法，ICP算法的基本原理是根据空间几何变换使数据完成配对，选取待配准点云，运用最小二乘法的优化思想，具体通过对点云数据旋转、平移处理，使得两个点集之间的距离最小，以此达到各点云数据位于同一坐标系的效果。

步骤104：根据得到的位于同一坐标系的点云数据建立目标实体表面模型。

本发明中，对处于同一坐标系的点云数据，采用三角转化法对目标建立实体表面模型。

进一步的，设原始图像表示为I＝f(x,y),(x,y)∈D，其中，D为图像所在区域，I为灰度值，x为三维点云数据在直角坐标系的横坐标,y为三维点云数据在直角坐标系的纵坐标，再设用来表示灰度图像的DT网格共有N个三角形，记为{T_i,i＝0,…,N-1}，其中T_i为第i+1个三角形。图像的逼近函数为G，

逼近函数g_i(x,y)可以在每一个三角形3个顶点确定的平面上进行构造。如可采用线性插值，即取g_i(x,y)为第i个三角形3个顶点处的灰度值进行线性插值的平面方程之解。

定义函数C表示在D上的一个准则

C＝C(T_i)≤C₀

这里的“灰度误差”指原始图像与逼近函数表示的图像之间的误差，准则函数C定义为两者之间的绝对误差的最大值，即

即绝对误差的最大值小于或等于预先给定的门限值，如满足则停止迭代；否则，绝对误差的最大值发生的位置即为新一层逼近时应优先考虑的数据点。随着迭代的进行和三角形个数的不断增加，每个三角形面积不断减小，三角形面会不断逼近图像曲面，直到满足准则，迭代停止。

迭代完成后即可生成煤场的三维点云图，操作人员可根据点云图直观地看到火车车厢煤料的存放情况，且三维扫描识别软件还将三维点云数据发送到数据处理软件，数据处理软件可以通过计算得到符合条件的行车抓取点位置，以便后续的行车自动抓取定位。

在本发明另一实施例中，在采用本发明第一方面所述的方法进行目标三维扫描时，系统显示的界面上方可以显示料区的三维点云图，界面左下方是系统运行时的数据记录，方便操作人员对运行过程进行监测及对故障进行排查，界面右下方可以查看大车当前位置、此次扫描的开始和结束位置、左右侧扫描范围，扫描帧数表示与PLC(ProgrammableLogic Controller,可编程逻辑控制器)的通讯状态，当大车移动时数字就会开始跳动。在“显示坐标”区域，可分别获取用户输入的大车坐标，小车坐标，以及抓斗高度坐标，然后在检测到用户点击“显示抓取点位”按钮时，显示用户输入的点位在三维图中的位置。

在本发明另一实施例中，获取用户输入的坐标，该坐标用于作为一个明显的参照物，控制行车行驶坐标对应的位置并驻车，将与实际行车位置差值补偿到参数设置的右侧X/Y/Z补偿值中。界面右下角设有喷煤原料三维扫描系统的六个功能按钮，用于通过点击功能按钮实现扫描系统的不同功能，功能按钮包括：开始扫描、日志查询、参数设置、数据加载、点云显示以及退出系统。其中，开始扫描按钮用于在数据库文件夹中自动生成一个当前煤料区的扫描数据文件。

日志查询按钮用于通过设置时间范围，查看该时间范围内软件的运行记录。以便用户根据运行记录来对扫描系统进行监测，另外在发生故障时可以根据运行记录对系统及时地进行排查和检测，提高维修检测效率。

参数设置按钮用于进入参数设置界面，对激光扫描头的左右两侧补偿值、最小角度、最大角度、模型颜色、检测高度等参数进行设置和更改。

数据加载按钮，用于会自动跳转到选择文件窗口，文件夹中放置的为扫描完成后自动生成的点云数据文件。根据用户打开的文件，自动加载文件对应的点云数据。

点云显示按钮，用于对加载的点云数据进行图像显示。

在本发明的第二方面，提供一种识别行车物料装置，如图4所示，包括：

点云数据采集模块401，用于采用激光扫描仪，按照预设时间间隔对预设角度范围的目标进行扫描，获取所述激光扫描仪采集的原始数据，对所述原始数据进行数据处理，得到能进行三维重建的点云数据；

本发明中，点云数据采集模块401采用安装于行车上的二维激光扫描仪，按照预设时间间隔对角度为145°的角度范围进行目标扫描。对原始数据进行数据处理包括：数据提取、数据滤波、坐标解算以及格式转换。激光扫描仪通过伺服电机转动以及行车移动的方式，从不同位置对目标表面进行扫描。本方法能有效克服激光扫描仪扫描视场的限制对目标采集数据不完整的问题，能够获取目标即火车车厢煤料表面的完整信息。

进一步的，从激光扫描仪采集的原始数据中提取有效信息，并将有效信息由十六进制数组转换为十进制数据。对于激光扫描仪采集到的原始数据为十六进制数组，且有效信息即目标的距离信息只占其中的一部分，因此需要提取数据中的有效信息，并将这些信息转换为相对直观地十进制数。

将极坐标形式的坐标数据转化为直角坐标，坐标点P坐标为(ρ，α，θ)，其中ρ为距离值，α与θ分别为水平和俯仰扫描角，转化为直角坐标，根据数量关系可以将其表达为：

在本发明中，由于点云数据采集模块401中的激光扫描仪通过步进一定间隔来完成145°范围的扫描，所以在扫描过程中产生编号为1，2，3，…，i，…的一组数据，所获得的数据为极坐标形式，点P坐标为(ρ，α，θ)，其中ρ为距离值，α与θ分别为水平和俯仰扫描角。因为极坐标可读性较差，因而需要将极坐标转化为直角坐标，根据数量关系可以将其表达为：

通过旋转矩阵对激光扫描仪所获得的坐标进行转换：

其中：

a₁＝cosθ·cosβ+sinθ·sinα·sinβ

a₂＝-cosαsinβ

a₃＝-sinθcosβ+cosθsinαsinβ

b₁＝cosαcosβ-sinθsinαcosβ

b₂＝cosαcosβ

b₃＝-sinθcosβ-cosθsinαsinβ

c₁＝sinθcosα

c₂＝sinα

c₃＝cosθcosα

若大地坐标系为O-UVW，则任意点P在新坐标系中的坐标为：

由于激光扫描仪所获得的数据点坐标均为以激光发射中心为原点，想要获得以大地坐标系构建的点云模型，就必须将所得到的数据点坐标进行转换。

对数据滤波处理，包括：将信噪比过低、测量值溢出、读取错误、眩光以及测量距离大于最大量程等情况下的数据识别并剔除，并使用与这些数据邻近且符合重建要求的数据对剔除的数据进行替换。

数据滤波处理得到的数据为能进行三维重建的点云数据。

边缘信息检测模块402，用于对扫描得到的目标图像检测目标的边缘信息；

本发明中，边缘信息检测模块402，用于获取限制条件，计算限制条件和区域边界之间的空间关系信息，计算邻接点之间的关系信息，以此来确定目标的边界位置及方向。受到激光发散特性的影响，使得激光扫描仪发射的激光到达煤料表面即目标表面的光斑要比实际发射的光斑大很多，这会造成目标边界的模糊与缺失，以目标为煤场为例，影响到火车车厢煤料位置信息的识别。为正确估算边界方向及位置，通过计算限制条件和区域边界之间的空间关系，计算邻接点之间的关系来确定区域的内部或外部边界位置及方向。

坐标转换模块403，用于对所述点云数据进行匹配连接，使得各点云数据位于同一坐标系；

在本发明中，点云数据采集模块401中的激光扫描仪通过伺服电机转动以及行车移动，从不同位置对煤料表面进行扫描，得到不同位置的扫描结果，坐标转换模块403，采用数据匹配算法对采集到的数据点云进行快速匹配，其中，数据匹配算法可以为ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点)算法，ICP算法的基本原理是根据空间几何变换使数据完成配对，选取待配准点云，运用最小二乘法的优化思想，具体通过对点云数据旋转、平移处理，使得两个点集之间的距离最小，以此达到各点云数据位于同一坐标系的效果。

建模模块404，用于根据得到的位于同一坐标系的点云数据建立目标实体表面模型。

本发明中，建模模块404，具体用于对处于同一坐标系的点云数据，采用三角转化法对目标建立实体表面模型。

进一步的，建模模块404设原始图像表示为I＝f(x,y),(x,y)∈D，其中，D为图像所在区域，I为灰度值，x为三维点云数据在直角坐标系的横坐标,y为三维点云数据在直角坐标系的纵坐标，再设用来表示灰度图像的DT网格共有N个三角形，记为{T_i,i＝0,…,N-1}，其中，T_i为第i+1个三角形。图像的逼近函数为G，

逼近函数g_i(x,y)可以在每一个三角形3个顶点确定的平面上进行构造。如可采用线性插值，即取g_i(x,y)为第i个三角形3个顶点处的灰度值进行线性插值的平面方程之解。

定义函数C表示在D上的一个准则

C＝C(T_i)≤C₀

这里的“灰度误差”指原始图像与逼近函数表示的图像之间的误差，准则函数C定义为两者之间的绝对误差的最大值，即

即绝对误差的最大值小于或等于预先给定的门限值，如满足则停止迭代；否则，绝对误差的最大值发生的位置即为新一层逼近时应优先考虑的数据点。随着迭代的进行和三角形个数的不断增加，每个三角形面积不断减小，三角形面会不断逼近图像曲面，直到满足准则，迭代停止。

迭代完成后即可生成煤场的三维点云图，操作人员可根据点云图直观地看到火车车厢煤料的存放情况，且三维扫描识别软件还将三维点云数据发送到数据处理软件，数据处理软件可以通过计算得到符合条件的行车抓取点位置，以便后续的行车自动抓取定位。

在本发明第三方面，提供一种识别行车物料设备，如图5所示，包括：

激光扫描仪501、扫描机械装置及驱动502、控制单元503、数据采集单元504。

其中，激光扫描仪501包括：激光二极管、分光镜、光信号接收器和旋转的反射镜。

其中，激光二极管用于产生并发射出激光脉冲信号，激光脉冲信号经分光镜分为两束，一束进入光信号接收器，另一束进入旋转的反射镜，射向目标并发生散射，其中，经散射的一部分光反射回光信号接收器，由计时器记录下发射激光脉冲与回波激光脉冲之间的时间间隔，乘以光速即可得到扫描仪到目标点的距离。由于反射镜的转动，扫描仪得以在145°的角度范围内进行扫描，且扫描仪每次都是从同一起点由右向左逆时针方向以步进一定间隔来完成145°范围的扫描，从而获得以扫描线形式给出的测距数据。

在本发明另一实施例中，激光扫描仪501中设有用于测量脉冲发射角度的编码器，在获得扫描点距离的同时，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲的水平角度以及俯仰角度。

本发明中，激光扫描仪501被安装到行车上，使得激光扫描仪501能随着行车移动而对火车车厢整体进行扫描，从而得到所有火车车厢的点云模型。本发明技术方案有效克服了激光扫描仪扫描的范围受限，无法对整个火车车厢所有目标点位置全面采集的技术难题。

本发明另一实施中，将所要进行扫描的区域划分为一个一个小的靶区域，激光扫描仪501向每个靶区域发送五个脉冲，获得五个回波脉冲，得到五次测量结果，将这五个测量结果通过处理获得该区域的平均测量值，并将其作为该靶区域的测量距离。同时激光扫描仪501随着行车进行移动，对所有火车车厢的煤料进行扫描，因而就能得到所有火车车厢煤料的三维点云数据。采用本方案能够提高扫描识别的效率，能避免对每一个煤料点进行测量时所耗费的时间长，本方案后期处理简单，容易实时获取煤料位置信息。

扫描机械装置及驱动502包括：支架、旋转轴、伺服电机。用于移动调整激光扫描仪的位置和方向。

控制单元503由单片机为核心的控制系统组成。单片机和上位机相连接，用于接受上位机发送的控制指令，其中控制指令包括但不限于启动扫描、停止扫描、扫描范围设定、扫描速度设定，并将接收到的指令转化为伺服电机的控制信号，将控制信号发送到伺服电机；单片机还用于向上位机发送当前的俯仰角。

数据采集单元504用于不断地接收并保存激光扫描仪501获得的距离数据以及控制单元503获得的俯仰角度数据。

本发明中，数据采集单元504具体用于不断接收并保存激光扫描仪502获得的距离数据以及不断接收并保存单片机所获得的俯仰角度数据，以此获得目标点的空间位置。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。