露天煤場(chǎng)運(yùn)用多旋翼無人機(jī)盤煤系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

袁千軍

摘? ?要：采用無人機(jī)技術(shù)，搭載先進(jìn)感知平臺(tái)，采用高清（4K）數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤場(chǎng)的自動(dòng)巡查，通過使用三維建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，對(duì)空間位置信息數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，重構(gòu)實(shí)景三維模型，還原被測(cè)煤堆的真實(shí)形狀分布，科學(xué)計(jì)算出煤堆體積等，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)盤煤，是一種專用于露天煤場(chǎng)盤煤的全新盤煤方式。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 4K? 露天煤場(chǎng)? 三維建模? 精準(zhǔn)盤煤

中圖分類號(hào)：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（b）-0079-02

Abstract： using unmanned aerial vehicle （uav） technology， with advanced sensing platform， in hd （4 k） digital photographic technology， to realize automatic search for open coal yard， through the use of 3 d modeling technology and computer image processing technology， the spatial location information data on the computer platform for 3 d coordinate transformation， reconstructing three-dimensional models of real measured real shape distribution of coal pile， restore science and calculate the coal pile such as volume， rapid， accurate plate coal， is a dedicated to open the new dish plate coal of coal.

Key Words：? Unmanned aerial vehicle; 4 k; Open pit coal mine; 3d modeling; Precision plate of coal

儲(chǔ)煤場(chǎng)的存煤盤點(diǎn)監(jiān)管是各生產(chǎn)煤礦、港口及火力發(fā)電廠等企業(yè)安全管理的重要工作之一，同時(shí)也是企業(yè)生產(chǎn)管理、運(yùn)銷調(diào)度及成本? 核算的重要組成部分。

無人機(jī)盤煤技術(shù)采用無人機(jī)搭載先進(jìn)感知平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)煤場(chǎng)的全區(qū)域巡查，并進(jìn)行儲(chǔ)煤場(chǎng)三維重構(gòu)、儲(chǔ)量計(jì)算等，實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)存煤的精確盤點(diǎn)，為企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、運(yùn)銷調(diào)度等提供科學(xué)決策依據(jù)。

無人機(jī)盤煤系統(tǒng)有效地避免了人為誤差，簡(jiǎn)單可靠，高效快捷，省時(shí)省力，是代替現(xiàn)有盤煤方式的優(yōu)選方案。

1? 系統(tǒng)組成

露天煤場(chǎng)盤煤系統(tǒng)由無人機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。無人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和檢測(cè)終端及云臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)鐵路沿線及采空區(qū)高清圖像獲取、及GPS高精度空間位置融合。GPS系統(tǒng)包括導(dǎo)航衛(wèi)星及高精度差分GPS數(shù)據(jù)獲取。通信系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)鏈路及高清圖傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)載感知平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)的高效傳輸。地面站系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)智能管理分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，地面站系統(tǒng)中的體積計(jì)算模塊通過獲取圖像時(shí)記錄的GPS信息計(jì)算出三維模型的體積，從而計(jì)算出煤堆體積，實(shí)現(xiàn)露天煤場(chǎng)煤量三維重構(gòu)、體積計(jì)算和數(shù)據(jù)處理等。

2? 系統(tǒng)基本工作原理

系統(tǒng)以無人機(jī)為載體，采用高清（4K）數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)和差分GPS綜合位置傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤場(chǎng)實(shí)景三維重構(gòu)，即時(shí)獲取煤場(chǎng)的空間位置，并同步傳輸?shù)降孛嬲居?jì)算機(jī)平臺(tái)。通過使用三維建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)，對(duì)空間位置信息數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，重構(gòu)實(shí)景三維模型，還原被測(cè)煤堆的真實(shí)形狀，科學(xué)計(jì)算出煤堆體積等數(shù)據(jù)參數(shù)。

3? 三維重構(gòu)實(shí)例數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 實(shí)例數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)以淮北國(guó)安電廠露天儲(chǔ)煤場(chǎng)作為研究對(duì)象，淮北國(guó)安電廠露天儲(chǔ)煤場(chǎng)具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)的激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)（通過激光盤煤儀裝在斗輪機(jī)上進(jìn)行盤煤），并且該露天儲(chǔ)煤場(chǎng)對(duì)煤炭的進(jìn)出量有著詳細(xì)的記錄（理論存煤量），方便進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。通過無人機(jī)搭載4K高清相機(jī)與高精度GPS在露天儲(chǔ)煤場(chǎng)上方飛行8min，獲取86張分辨率為4000×2250像素并且含有高精度三維地理信息的高清圖像。在獲取圖像時(shí)，記錄每張圖像的GPS定位數(shù)據(jù)并要求每一張圖像與前一張拍攝的圖像都有重合，以便于圖像之間的特征匹配。

將無人機(jī)所拍攝的圖片等數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面站數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，通過圖像的特征提取與匹配、稀疏重建和稠密重建三個(gè)步驟獲得露天儲(chǔ)煤場(chǎng)的三維模型，如圖2所示?；幢眹?guó)安電廠露天儲(chǔ)煤場(chǎng)分為2個(gè)小型煤場(chǎng)。

地面站系統(tǒng)中的體積計(jì)算模塊通過獲取圖像時(shí)記錄的GPS信息計(jì)算出三維模型的體積，從而計(jì)出煤堆體積。所計(jì)算出兩儲(chǔ)煤場(chǎng)體積等數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

（1）盤煤時(shí)間對(duì)比。作業(yè)中利用激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)對(duì)東、西兩露天儲(chǔ)煤場(chǎng)進(jìn)行盤煤，所需時(shí)間約為65min。兩露天儲(chǔ)煤場(chǎng)無人機(jī)自動(dòng)盤煤系統(tǒng)中無人機(jī)獲取圖像等數(shù)據(jù)時(shí)間為8min，地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)間為37min，整個(gè)盤煤時(shí)間約為45min，盤煤過程縮短了30.8%的盤煤時(shí)間。若適當(dāng)?shù)馗纳频孛嬲咎幚砥髋渲?，能夠加快試?yàn)數(shù)據(jù)處理速度，進(jìn)一步縮短盤煤時(shí)間。

（2）三維模型及誤差對(duì)比。以西儲(chǔ)煤場(chǎng)為例，露天儲(chǔ)煤場(chǎng)激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)產(chǎn)生的三維模型（如圖2最下面那副三維重構(gòu)模型）所示。通過對(duì)比可以看出，無人機(jī)盤煤所產(chǎn)生的三維模型細(xì)節(jié)更加明顯，邊角更加突出且更接近煤場(chǎng)的真實(shí)外貌。激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)產(chǎn)生的三維模型邊緣有許多陰影和盲區(qū)，在計(jì)算體積時(shí)會(huì)加大誤差。

4? 效益分析

露天儲(chǔ)煤場(chǎng)無人機(jī)自動(dòng)盤煤系統(tǒng)相較與激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)在盤煤時(shí)間上速度更快、效率更高，其三維重構(gòu)畫面細(xì)節(jié)更加清晰、接近真實(shí)煤場(chǎng)外貌，從而無人機(jī)盤煤系統(tǒng)在體積計(jì)算上也更加精確。操作及維護(hù)更為方便，降低了煤場(chǎng)的投入，有效節(jié)省了人力、物力和財(cái)力。為煤場(chǎng)配煤決策提供高精度的數(shù)據(jù)管理參數(shù)和可靠的查詢依據(jù)。降低了企業(yè)管理成本，具有較大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。在升級(jí)盤煤技術(shù)具有典型示范作用，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

5? 結(jié)語

針對(duì)于露天儲(chǔ)煤場(chǎng)的盤煤?jiǎn)栴}，提出了一種有效的露天儲(chǔ)煤場(chǎng)無人機(jī)自動(dòng)盤煤系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)組成和理論依據(jù)。通過對(duì)該系統(tǒng)在淮北國(guó)安電廠露天儲(chǔ)煤場(chǎng)的盤煤試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在盤煤效率和精確度上無人機(jī)自動(dòng)盤煤系統(tǒng)都要優(yōu)越于原激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)。露天儲(chǔ)煤場(chǎng)無人機(jī)自動(dòng)盤煤系統(tǒng)適用于煤礦、港口和燃煤電廠的大中小型露天儲(chǔ)煤場(chǎng)，能夠解決煤炭清潔、高效盤煤所面臨的實(shí)際問題，應(yīng)用測(cè)量測(cè)繪領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)新的高效應(yīng)用系統(tǒng)，提高儲(chǔ)煤場(chǎng)監(jiān)管的信息化程度，為企業(yè)成本核算提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為儲(chǔ)煤場(chǎng)安全生產(chǎn)提供可靠保障，為提升煤場(chǎng)企業(yè)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)的技術(shù)手段。具有很好的應(yīng)用前景。

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