西克应用 | LRS4000雷达在智能行车中的动态建模与显示

概述

LRS4000是一款远距离检测的2D LiDAR传感器，具有分辨率高、可靠性强、耐用性好，灵活性大等优点。雷达通过随行车移动进行同步扫描，实现对料场环境的实时三维动态建模及其可视化，以覆盖百米车间、抗粉尘能力、远距离物料扫描检测三大能力，成为智慧钢厂、港口料场的核心感知器官。

建模原理

LRS4000激光雷达应用HDDM+技术获取有关距离和回波信号的信息，实现具有多重回波功能的传感器。系统通过刚性支架将激光雷达模块集成于行车行走机构底部，随行车大车协同运动。在扫描过程中，系统实时融合以下三类空间数据：

1.  激光雷达自身采集的极坐标测量数据（距离值+方位角）；

2.  行车实时提供的编码器信息（行车坐标）；

3.  激光雷达安装位置参数（旋转平移参数）。

通过多源数据时空同步算法，系统以固定频率刷新料场三维实时模型，上位机采用VTK可视化库实现动态点云渲染显示。

实时三维建模及可视化

应用优势

智能行车系统搭载LRS4000进行作业场景三维扫描建模，具备扫描节拍块，检测距离远、抗灰尘雨雾能力强，检测精度高等优势。

恶劣环境下的高可靠检测

LRS4000激光雷达采用HDDM+测量法以及多重回波技术，在恶劣环境条件下高可用性和可靠的测量数据，自带的回波滤波器可消隐由于边缘识别、雨、灰尘、雪和其它环境条件引起的不必要的测量数据和信号。可设置输出第一个、最后一个还是所有三个回波，相应地过滤因环境条件触发的错误信号。

有回波滤波器                     无回波滤波器

 灰尘干扰现场             LastEcho回波数据

低成本、覆盖范围广智能行车搭载LRS4000激光雷达的扫描方案在成本效益和空间覆盖能力方面具有显著的技术优势。具体表现为：

覆盖性能：在30m安装高度工况下。单雷达解决方案可检测截面半径更大，例如，当安装高度约H为30米时，雷达的常规入射角θ约为55°~75°时，雷达的水平检测半径：

实际作业中需考虑料堆表面漫反射效应，由于Lrs4000采用小光斑且能量适宜，能较好 覆盖粗糙料堆。因此，在行车运动中，单雷达每次仅扫描一切面，将常规最大入射角θ发挥最大效用，时刻以最优状态覆盖更大的料场范围。

30m安装高度LRS4000最大扫描轮廓示意图

系统配置经济性：每台行车仅需要配备1个LRS4000单雷达，即可实现料场的三维动态建模。因此，单雷达模式可将智能行车的精度与稳定性进行二次有效利用，降低三维建模的成本，也提高行车性能的利用率，最终实现有效降低设备整体成本。

高分辨率LRS4000雷达具有高分辨率的特性，雷达的角度分辨率最高可以达到0.02°，配合高精度行车可以在远距离的工况下，清晰地检测出精细的物料细节和结构。该系统采用双维度分辨率调节机制，确保在不同工况下都能获得较优的扫描效果。分辨率调节范围：

1.   径向空间分辨率（激光雷达方向）：可选择范围有0.02，0.04，0.06，0.08，0.1，0.12，0.24。2.   切向空间分辨率（行车运动方向）：由行车运动速度和雷达扫描频率动态调节计算公式：分辨率(mm) = 行车速度(mm/s)/ 扫描频率(Hz)，如2mm分辨率（行车运动速度50mm/s，雷达频率为25Hz），8mm分辨率（行车运动速度100mm/s，12.5Hz扫描），16mm分辨率（200mm/s速度，12.5Hz扫描）。

精细化料场扫描图

应用案例

智能行车搭载LRS4000雷达，在各种场景均能提供有效可靠的场地三维点云数据，例如：黑色焦炭储运综合厂房、钢材输送作业线，以及白色骨料库区等。

智能行车钢材库区多雷达扫描

钢材检测

智能行车煤粉盘库库区单雷达扫描

铜矿盘库

智能行车铜矿库区双雷达扫描

铜矿盘库

SICK单雷达动态建模与可视化系统应用工艺包

本技术方案是基于SICK激光雷达（LRS4000系列）开发的工业级实时三维建模解决方案，主要实现以下技术功能：

单雷达扫描动态建模显示应用工艺包是一款基于SICK激光雷达的实时动态建模与显示的应用工艺包。该工艺包通过融合实时获取的激光雷达的轮廓数据与智能行车的编码器位置信息进行三维建模，最终生成行车行走过程中覆盖场景的三维模型，最终使用基于VTK的三维可视化引擎进行渲染显示，如下图所示。

单雷达动态建模与可视化系统主界面

在单雷达动态建模与可视化的实际应用中，通过使用SICK雷达SDK实时获取激光雷达的轮廓数据以及和智能行车的位置信息进行多维数据融合，最终使用VTK三维可视化工具动态显示每帧获取的场景轮廓。该应用包能够实现料场轮廓的实时数字化、提供可视化界面并支持建模质量实时诊断。