一种基于激光雷达定位的喷雾除尘方法及系统与流程

1.本发明涉及粉尘治理技术领域，具体是一种基于激光雷达定位的喷雾除尘方法及系统。


背景技术：

2.近年来，为推动行业高质量发展、促进产业转型升级、助力打赢蓝天保卫战，钢铁、焦化等行业开展超低排放改造工程，取得显著成效。行业内对于无组织排放粉尘的治理主要采用喷雾机进行喷雾降尘，而对喷雾机进行喷雾控制的依据主要是依赖于粉尘监测仪监测的数据，由于粉尘监测仪安装位置与数量的局限性，难以对产尘点源及其粉尘浓度进行精准监测，特别无法对粉尘进行定位与跟踪，使得喷雾机难以对粉尘进行精准喷雾降尘，进而无法做到降低能耗、水耗。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于激光雷达定位的喷雾除尘方法及系统，其利用激光雷达对喷雾机的可喷射三维雾场空间进行粉尘测量，实现待治理空域的除尘处理。
4.为实现上述目的，本发明提供一种基于激光雷达定位的喷雾除尘方法，在待除尘空域内布设一台喷雾机与一台激光雷达，喷雾机、激光雷达均具有方位、俯仰的行程，且喷雾机喷雾区域与激光雷达扫描区域覆盖待治理空域；所述喷雾除尘方法包括如下步骤：步骤1，建立激光雷达旋转轴与俯仰轴交点为原点的第一坐标系，并基于第一坐标系构建激光回波信息与空域粉尘浓度相匹配的激光回波信息样本库；步骤2，建立喷雾机旋转轴与俯仰轴交点为原点的第二坐标系，根据喷雾机的旋转、俯仰运动的方位角、俯仰角极限，以及喷雾机在不同方位角、俯仰角位置时的喷射雾场区域，确定整个喷雾机的可喷射三维雾场空间；步骤3，基于第一坐标系，求解喷雾机的可喷射三维雾场空间在第一坐标系中的空域分布，和以第一坐标系原点为顶点的可喷射三维雾场覆盖空域的包络锥面，以及激光扫描雾场覆盖空域的方位角、俯仰角极限；步骤4，激光雷达在方位角、俯仰角极限范围内，旋转轴、俯仰轴联合运动，使激光光轴扫描可喷射三维雾场覆盖空域，根据激光散射回波的时间与强度信息，建立基于第一坐标系的激光扫描空域的粉尘分布；步骤5，将基于第一坐标系的激光扫描的空域粉尘分布转换为基于第二坐标系的空域粉尘分布；步骤6，在喷雾机方位角、俯仰角极限范围内，旋转、俯仰喷雾机，在粉尘分布空域的顶层，从左至右，或从右至左，进行喷雾机喷射雾场扫描；步骤7，经过预设时段后，重复步骤4-步骤6。
5.在其中一个实施例，步骤1中，所述激光回波信息样本库的建立过程为：步骤1.1，在不同光照条件下，在待治理空域不同点位，采用不同物质成分、不同颗粒大小的标准粉末，通过粉尘发生器，产生不同浓度的空域粉尘，并通过粉尘监测仪获得精确浓度值；步骤1.2，通过激光照射步骤1.1中产生的空域粉尘，采集激光散射回波的时间与强度信息，建立激光回波信息样本库。
6.在其中一个实施例，步骤2的过程为：步骤2.1，建立以喷雾机旋转轴与俯仰轴交点为原点，喷雾机俯仰轴、旋转轴、喷雾筒中心为坐标轴的第二坐标系；步骤2.2，采用仿真分析和/或实物试验的方法，使喷雾机处于最小方位角位置，并使喷雾机从最小俯仰角到最大俯仰角进行俯仰运动，确定喷雾机的雾场覆盖区域；步骤2.3，使喷雾机方位角增加，并使喷雾机从最小俯仰角到最大俯仰角进行俯仰运动，确定喷雾机的雾场覆盖区域的增量，完成喷雾机的雾场覆盖区域更新；步骤2.4，重复步骤2.3直至喷雾机处于最大方位角位置，并输出最后更新的喷雾机的雾场覆盖区域；步骤2.5，求解步骤2.4所输出喷雾机的雾场覆盖区域的极小包络几何体，建立基于第二坐标系的喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型，即得到整个喷雾机的可喷射三维雾场空间。
7.在其中一个实施例，步骤2.5中，采用长方体包络喷雾机的雾场覆盖区域，并采用计算或仿真或优化求得极小包络长方体。
8.在其中一个实施例，步骤3的过程为：步骤3.1，将第二坐标系中的喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型变换为第一坐标系中的喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型；步骤3.2，基于第一坐标系，求解基于第一坐标系原点的第一坐标系下喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型的最小包络锥面；步骤3.3，基于第一坐标系，找到一条过第一坐标系原点，并在最小包络锥面内部的直线，在该直线上任取一点，过该点作垂直于该直线的平面，获得该平面与最小包络锥面的相交轮廓线，该轮廓线的封闭区域即激光雷达光轴的扫描区域；步骤3.4，基于第一坐标系的极坐标系，根据步骤3.3中的相交轮廓线，即能得到激光光轴能够扫描到轮廓线的激光雷达的方位角、俯仰角极限。
9.在其中一个实施例，步骤3.3中，所述直线具体为过最小包络锥面的锥顶与喷雾机喷口中心点的直线。
10.在其中一个实施例，步骤4的具体过程为：步骤4.1，在激光雷达方位角、俯仰角极限范围内，驱动激光雷达旋转轴、俯仰轴联合运动，使激光光轴呈“z”字形或环绕型扫描步骤3.3中相交轮廓线的封闭区域；步骤4.2，根据激光散射回波的时间与强度信息，对比步骤1中建立的激光回波信息样本库，以及基于激光回波信息样本库进行插值计算，建立基于第一坐标系的激光扫描空域的粉尘分布。
11.在其中一个实施例，步骤6的具体过程为：
步骤6.1，基于第二坐标系，采用计算或仿真或优化，调整喷雾机的方位角、俯仰角，当喷雾机雾场在水平面上投影的最左侧边界刚好包含空域粉尘分布数字化模型在水平面上投影的最左侧边界时，确定出喷雾机的喷雾机方位角
10
、俯仰角
10
，作为喷雾机第一次扫射运动起始位置；步骤6.2，基于第二坐标系，通过计算或仿真或优化，调整喷雾机的方位角、俯仰角，使喷雾机雾场在水平面上投影的最右侧边界刚好包含空域粉尘分布数字化模型在水平面上投影的最右侧边界时，得到喷雾机极坐标系下的喷雾机第一次扫射运动终止位置：方位角
1e
、俯仰角
1e
；步骤6.3，基于第二坐标系的极坐标系，以过垂直坐标轴的平面从方位角
10
开始，每次增加，对空域粉尘分布数字化模型进行切片，得到粉尘上部的一系列分布曲线；步骤6.4，当过原点的喷雾机雾场中间垂直平面与雾场相交的上表面喷雾迹线刚好覆盖步骤6.3中每次增加得到粉尘上部的一系列分布曲线，得到第二极坐标系下的喷雾机方位角
11
、
12
、
13
、
…
、，俯仰角
11
、
12
、
13
、
…
、；步骤6.5，控制喷雾机从起始位置：方位角
10
、俯仰角θ
10
开始喷雾，然后控制喷雾机依次按照（
11
、
11
）、（
12
、
12
）、（
13
、
13
）、
……
、（
1e
、
1e
），依次运动，使喷雾机雾场精准覆盖粉尘。
12.在其中一个实施例，步骤6.5中，喷雾机按照俯仰角
11
、
12
、
13
、
…
、作俯仰运动过程中，采用s形加减速平滑控制。
13.为实现上述目的，本发明还提供一种基于激光雷达定位的喷雾除尘系统，包括：喷雾机，包括至少旋转、俯仰两自由度的转动，可以进行远射程喷雾；激光雷达，包括至少旋转、俯仰两自由度的转动，用于对喷雾机雾场覆盖范围内的粉尘及粉尘排放信息进行采集；智能控制器，对激光雷达采集的空域粉尘信息进行处理，并控制喷雾机进行喷雾降尘，即进行上述的基于激光雷达定位的喷雾除尘方法的部分或全部步骤。
14.本发明提供的一种基于激光雷达定位的喷雾除尘方法及系统，其利用激光雷达对喷雾机的可喷射三维雾场空间进行粉尘测量，构建激光雷达坐标系下的空域粉尘分布模型，然后转换为喷雾机坐标系下的粉尘分布模型；在喷雾机坐标系下，根据粉尘分布模型，通过插补，规划喷雾机的运动轨迹，进行喷雾降尘。该方法可以直接测量空域粉尘的分布与深度信息，可以直接对空域粉尘进行定位与跟踪，并联动喷雾机，精准、高效地实现待治理空域的定点除尘处理。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例中喷雾除尘方法的总体流程图；
图2为本发明实施例中激光回波信息样本库的构建流程图；图3为本发明实施例中可喷射三维雾场空间的确定流程图；图4为本发明实施例中步骤3的具体实施流程图；图5为本发明实施例中步骤4的具体实施流程图；图6为本发明实施例中步骤6的具体实施流程图；图7为本发明实施例中喷雾机喷雾轨迹的示意图；图8为基于激光雷达定位的喷雾除尘系统的结构示意图。
17.附图标记：喷雾机1、激光雷达2、平台3、立轴4、安装架5。
18.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
21.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
24.本实施例公开了一种基于激光雷达定位的喷雾除尘方法，在待除尘空域内布设一台喷雾机与一台激光雷达，且喷雾机、激光雷达均具有方位、俯仰的行程，且喷雾机喷雾区域与激光雷达扫描区域覆盖待治理空域，其中，待治理空域为堆场或厂房或煤矿等场景。该方法利用激光雷达对喷雾机的可喷射三维雾场空间进行扫描，并将扫描结果与激光回波信息样本库匹配，得到喷雾机的可喷射三维雾场空间内的粉尘分布情况，最后利用喷雾机进行定点除尘。参考图1，本实施例中的喷雾除尘方法具体包括如下步骤1-7。
25.步骤1，建立激光雷达旋转轴与俯仰轴交点为原点的第一坐标系，并基于第一坐标系构建激光回波信息与空域粉尘浓度相匹配的激光回波信息样本库，参考图2，激光回波信息样本库的建立过程具体为：
步骤1.1，在清晨、正午或黄昏等不同光照条件下，在待治理空域不同点位，采用不同物质成分、不同颗粒大小的标准粉末，通过粉尘发生器，产生不同浓度的空域粉尘，并通过粉尘监测仪获得精确浓度值，例如煤的标准粉末产生10mg/m3浓度的空域粉尘后，通过粉尘监测仪获得精确浓度值；步骤1.2，通过激光雷达的激光照射步骤1.1中产生的空域粉尘，并采集激光散射回波的时间与强度信息，建立激光回波信息样本库，具体实施方式可参考《中国环境监测》第34卷第2期“基于激光雷达技术的粉尘污染源监测”或《应用光学》第33卷第5期“南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-－瑞利-－米激光雷达测量”等论文所公开的技术方案。
26.步骤2，建立喷雾机旋转轴与俯仰轴交点为原点的第二坐标系，根据喷雾机的旋转、俯仰运动的方位角、俯仰角极限，以及喷雾机在不同方位角、俯仰角位置时的喷射雾场区域，确定整个喷雾机的可喷射三维雾场空间。
27.参考图3，步骤2中确定喷雾机的可喷射三维雾场空间的具体实施过程为：步骤2.1，建立以喷雾机旋转轴与俯仰轴交点为原点，喷雾机俯仰轴、旋转轴、喷雾筒中心为坐标轴的第二坐标系；步骤2.2，采用仿真分析和/或实物试验的方法，使喷雾机处于最小方位角位置，并使喷雾机从最小俯仰角到最大俯仰角进行俯仰运动，确定喷雾机的雾场覆盖区域；步骤2.3，使喷雾机方位角增加，并使喷雾机从最小俯仰角到最大俯仰角进行俯仰运动，确定喷雾机的雾场覆盖区域的增量，完成喷雾机的雾场覆盖区域更新，其中，的取值可设置为0.5
°
、1
°
等；步骤2.4，重复步骤2.3直至喷雾机处于最大方位角位置，并输出最后更新的喷雾机的雾场覆盖区域；步骤2.5，求解步骤2.4所输出喷雾机的雾场覆盖区域的极小包络几何体，建立基于第二坐标系的喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型，即得到整个喷雾机的可喷射三维雾场空间。
28.作为优选地实施方式，采用长方体包络喷雾机的雾场覆盖区域，并采用计算或仿真或优化求得极小包络长方体，其获取过程为：步骤2.5.1，基于喷雾机雾场数字化模型，在喷雾机雾场数字化模型外任选一点o；步骤2.5.2，过o点作一与喷雾机雾场数字化模型不相交的平面一，过o点建立坐标系o-xyz，且使x、y轴位于平面内；步骤2.5.3，作与平面一平行，且与喷雾机雾场数字化模型相切的平面二；步骤2.5.4，作与平面二垂直，且与喷雾机雾场数字化模型相切的平面三；步骤2.5.5，作与平面二、平面三垂直，且与喷雾机雾场数字化模型相切的平面四；步骤2.5.6，作与平面二、平面三、平面四平行，且与喷雾机雾场数字化模型相切的平面五、平面六、平面七；步骤2.5.7，求平面二、平面三、平面四、平面五、平面六、平面七包围形成的长方体的体积；步骤2.5.8，平面一间隔地绕x轴转动一小角度 (0.5
°
或1
°
等)，且与喷雾机雾场数字化模型不相交，重复步骤2.5.3-步骤2.5.7；
步骤2.5.9，平面一间隔地绕y轴转动一小角度 (0.5
°
或1
°
等)，且与喷雾机雾场数字化模型不相交，重复步骤2.5.3-步骤2.5.7；步骤2.5.10，在喷雾机雾场数字化模型外选择新的点o；重复步骤2.5.2-步骤2.5.9；步骤2.5.11，从步骤2.5.8-步骤2.5.10中找到最小长方体及其坐标参数。
29.步骤3，基于第一坐标系，求解喷雾机的可喷射三维雾场空间在第一坐标系中的空域分布，和以第一坐标系原点为顶点的可喷射三维雾场覆盖空域的包络锥面，以及激光扫描雾场覆盖空域的方位角、俯仰角极限。参考图4，步骤3的具体实施过程为：步骤3.1，将第二坐标系中的喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型变换为第一坐标系中的喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型，其中，坐标系变换为所属领域的常规手段，因此本实施例中不再对其赘述；步骤3.2，基于第一坐标系，求解基于第一坐标系原点的第一坐标系下喷雾机雾场极小包络几何体的数字化模型的最小包络锥面，即以及第一坐标系的原点为顶点，且包络喷雾机雾场极小包络几何体的最小包络锥面；步骤3.3，基于第一坐标系，找到一条过第一坐标系原点，并在最小包络锥面内部的直线，利用选择过最小包络锥面的锥顶与喷雾机喷口中心点的直线，在该直线上任取一点，过该点作垂直于该直线的平面，获得该平面与最小包络锥面的相交轮廓线，该轮廓线的封闭区域即激光雷达光轴的扫描区域；步骤3.4，基于第一坐标系的极坐标系，根据步骤3.3中的相交轮廓线，即能得到激光光轴能够扫描到轮廓线的激光雷达的方位角、俯仰角极限。
30.步骤4，激光雷达在方位角、俯仰角极限范围内，旋转轴、俯仰轴联合运动，使激光光轴扫描可喷射三维雾场覆盖空域，根据激光散射回波的时间与强度信息，建立基于第一坐标系的激光扫描空域的粉尘分布。参考图5，步骤4的具体实施过程为：步骤4.1，在激光雷达方位角、俯仰角极限范围内，驱动激光雷达旋转轴、俯仰轴联合运动，使激光光轴呈“z”字形或环绕型扫描步骤3.3中相交轮廓线的封闭区域；步骤4.2，根据激光散射回波的时间与强度信息，对比步骤1中建立的激光散射回波信息样本库，以及基于激光回波信息样本库进行插值计算，即能建立基于第一坐标系的激光扫描空域的粉尘分布。
31.步骤5，将基于第一坐标系的激光扫描的空域粉尘分布转换为基于第二坐标系的空域粉尘分布，坐标系变换为所属领域的常规手段，因此本实施例中不再对其赘述；步骤6，在喷雾机方位角、俯仰角极限范围内，旋转、俯仰喷雾机，在粉尘分布空域的顶层，从左至右，或从右至左，进行喷雾机喷射雾场扫描。参考图6，其具体实施过程为：步骤6.1，基于第二坐标系，采用计算或仿真或优化，调整喷雾机的方位角、俯仰角，当喷雾机雾场在水平面上投影的最左侧边界刚好包含空域粉尘分布数字化模型在水平面上投影的最左侧边界时，确定出喷雾机的喷雾机方位角
10
、俯仰角
10
，作为喷雾机第一次扫射运动起始位置；步骤6.2，基于第二坐标系，通过计算或仿真或优化，调整喷雾机的方位角、俯仰角，使喷雾机雾场在水平面上投影的最右侧边界刚好包含空域粉尘分布数字化模型在水平面上投影的最右侧边界时，得到喷雾机极坐标系下的喷雾机第一次扫射运动终止位置：方
位角
1e
、俯仰角
1e
；步骤6.3，基于第二坐标系的极坐标系，以过垂直坐标轴的平面从方位角
10
开始，每次增加，对空域粉尘分布数字化模型进行切片，得到粉尘上部的一系列分布曲线；步骤6.4，当过原点的喷雾机雾场中间垂直平面与雾场相交的上表面喷雾迹线刚好覆盖步骤6.3中每次增加得到粉尘上部的一系列分布曲线，得到第二极坐标系下的喷雾机方位角
11
、
12
、
13
、
…
、，俯仰角
11
、
12
、
13
、
…
、；步骤6.5，控制喷雾机从起始位置：方位角
10
、俯仰角
10
开始喷雾，然后控制喷雾机依次按照（
11
、
11
）、（
12
、
12
）、（
13
、
13
）、
……
、（
1e
、
1e
），依次运动，使喷雾机雾场精准覆盖粉尘，即图7所示。
32.作为优选地实施方式，在步骤6.5中，喷雾机按照俯仰角
11
、
12
、
13
、
…
、作俯仰运动过程中，采用s形加减速平滑控制，具体地：根据喷雾机俯仰角的位置
10
、
11
、
12
、
13
、
…
1e
，进行连续下俯运动、连续上仰运动分段、、、、
…
、，在每段内采用s形加减速平滑控制，减少喷雾机的俯仰振动，避免过大的加速度对喷雾机的冲击，其中，为连续下俯运动段，为连续上仰运动段。
33.步骤7，经过预设时段后，重复步骤4-步骤6，其中，预设时段可设置为6~12小时。
34.参考图8，本实施例还公开了一种基于激光雷达定位的喷雾除尘系统，包括喷雾机1、激光雷达2与智能控制器，喷雾机1与激光雷达2安装于同一平台3上。
35.激光雷达2包括至少旋转、俯仰两自由度的转动，用于对喷雾机1雾场覆盖范围内的粉尘及粉尘排放信息进行采集，得到喷雾机1雾场覆盖范围内的粉尘分布情况。具体地，激光雷达2通过一立轴4安装在平台3上，立轴4顶部转动连接有一安装架5，激光雷达2转动连接在通过连接轴转动连接在安装架5上，其中，立轴4的轴线即为激光雷达2的旋转轴，连接轴的轴线即为激光雷达2的俯仰轴。
36.喷雾机1同样包括至少旋转、俯仰两自由度的转动，可以进行远射程喷雾，本实施例中，喷雾机1的具体实施方式可直接采用公开号为：cn111298562a的中国发明专利申请所公开的智能风送式多流抑尘装置。智能控制器则用于对激光雷达2采集的空域粉尘信息进行处理，并根据激光扫描得到的喷雾机1雾场覆盖范围内的粉尘分布情况控制喷雾机1进行喷雾降尘，即进行上述喷雾除尘方法中的部分或全部步骤。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。