露天煤場運用多旋翼無人機盤煤系統的研究與應用

袁千軍

摘? ?要：采用無人機技術，搭載先進感知平臺，采用高清（4K）數字攝影技術，實現對露天煤場的自動巡查，通過使用三維建模技術和計算機圖形處理技術，對空間位置信息數據在計算機平臺進行三維坐標轉換，重構實景三維模型，還原被測煤堆的真實形狀分布，科學計算出煤堆體積等，實現快速、精準盤煤，是一種專用于露天煤場盤煤的全新盤煤方式。

關鍵詞：無人機? 4K? 露天煤場? 三維建模? 精準盤煤

中圖分類號：V279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

儲煤場的存煤盤點監管是各生產煤礦、港口及火力發電廠等企業安全管理的重要工作之一，同時也是企業生產管理、運銷調度及成本? 核算的重要組成部分。

無人機盤煤技術采用無人機搭載先進感知平臺，實現對儲煤場的全區域巡查，并進行儲煤場三維重構、儲量計算等，實現煤場存煤的精確盤點，為企業生產計劃、運銷調度等提供科學決策依據。

無人機盤煤系統有效地避免了人為誤差，簡單可靠，高效快捷，省時省力，是代替現有盤煤方式的優選方案。

1? 系統組成

露天煤場盤煤系統由無人機系統、通信系統、GPS系統、地面站系統四部分組成，如圖1所示。無人機系統主要包括飛控系統、傳感器系統和檢測終端及云臺等，實現鐵路沿線及采空區高清圖像獲取、及GPS高精度空間位置融合。GPS系統包括導航衛星及高精度差分GPS數據獲取。通信系統包括數據鏈路及高清圖傳系統，實現機載感知平臺獲取數據的高效傳輸。地面站系統包括數據智能管理分析系統和數據管理系統，地面站系統中的體積計算模塊通過獲取圖像時記錄的GPS信息計算出三維模型的體積，從而計算出煤堆體積，實現露天煤場煤量三維重構、體積計算和數據處理等。

2? 系統基本工作原理

系統以無人機為載體，采用高清（4K）數字攝影技術和差分GPS綜合位置傳感技術實現煤場實景三維重構，即時獲取煤場的空間位置，并同步傳輸到地面站計算機平臺。通過使用三維建模技術和計算機圖形處理技術，對空間位置信息數據在計算機平臺進行三維坐標轉換，重構實景三維模型，還原被測煤堆的真實形狀，科學計算出煤堆體積等數據參數。

3? 三維重構實例數據及試驗結果對比

3.1 實例數據

本實驗以淮北國安電廠露天儲煤場作為研究對象，淮北國安電廠露天儲煤場具有國內先進的激光雷達盤煤系統（通過激光盤煤儀裝在斗輪機上進行盤煤），并且該露天儲煤場對煤炭的進出量有著詳細的記錄（理論存煤量），方便進行試驗對比分析。通過無人機搭載4K高清相機與高精度GPS在露天儲煤場上方飛行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，記錄每張圖像的GPS定位數據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。

將無人機所拍攝的圖片等數據導入地面站數據處理分析系統，通過圖像的特征提取與匹配、稀疏重建和稠密重建三個步驟獲得露天儲煤場的三維模型，如圖2所示。淮北國安電廠露天儲煤場分為2個小型煤場。

地面站系統中的體積計算模塊通過獲取圖像時記錄的GPS信息計算出三維模型的體積，從而計出煤堆體積。所計算出兩儲煤場體積等數據如表1所示。

3.2 試驗結果對比分析

（1）盤煤時間對比。作業中利用激光雷達盤煤系統對東、西兩露天儲煤場進行盤煤，所需時間約為65min。兩露天儲煤場無人機自動盤煤系統中無人機獲取圖像等數據時間為8min，地面站進行數據處理時間為37min，整個盤煤時間約為45min，盤煤過程縮短了30.8%的盤煤時間。若適當地改善地面站處理器配置，能夠加快試驗數據處理速度，進一步縮短盤煤時間。

（2）三維模型及誤差對比。以西儲煤場為例，露天儲煤場激光雷達盤煤系統產生的三維模型（如圖2最下面那副三維重構模型）所示。通過對比可以看出，無人機盤煤所產生的三維模型細節更加明顯，邊角更加突出且更接近煤場的真實外貌。激光雷達盤煤系統產生的三維模型邊緣有許多陰影和盲區，在計算體積時會加大誤差。

4? 效益分析

露天儲煤場無人機自動盤煤系統相較與激光雷達盤煤系統在盤煤時間上速度更快、效率更高，其三維重構畫面細節更加清晰、接近真實煤場外貌，從而無人機盤煤系統在體積計算上也更加精確。操作及維護更為方便，降低了煤場的投入，有效節省了人力、物力和財力。為煤場配煤決策提供高精度的數據管理參數和可靠的查詢依據。降低了企業管理成本，具有較大的推廣和應用價值。在升級盤煤技術具有典型示范作用，具有極大的經濟價值和社會效益。

5? 結語

針對于露天儲煤場的盤煤問題，提出了一種有效的露天儲煤場無人機自動盤煤系統，介紹了其系統組成和理論依據。通過對該系統在淮北國安電廠露天儲煤場的盤煤試驗數據分析發現，在盤煤效率和精確度上無人機自動盤煤系統都要優越于原激光雷達盤煤系統。露天儲煤場無人機自動盤煤系統適用于煤礦、港口和燃煤電廠的大中小型露天儲煤場，能夠解決煤炭清潔、高效盤煤所面臨的實際問題，應用測量測繪領域的先進技術，開發新的高效應用系統，提高儲煤場監管的信息化程度，為企業成本核算提供科學依據，同時也為儲煤場安全生產提供可靠保障，為提升煤場企業的社會經濟效益提供科學的技術手段。具有很好的應用前景。

參考文獻

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