基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法及系统

本技术涉及光学方法为特征的计量设备领域，具体而言，涉及一种基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法及系统。

背景技术：

1、在地质勘探与矿产资源开发等诸多行业中，全液压履带式钻机是获取地下深孔实物岩心数据、打通瓦斯抽采通道必不可少的核心装备。随着钻探工程逐步向深部、复杂地层、超长孔深方向展布推进，起下钻作业中频繁的管柱接卸成为了制约生产效率和安全的严重瓶颈。为此，行业内研发出了与钻机主机配套使用的履带集成式全自动钻杆排放与转运装备（又称无人管柱仓、自动化排管车）。履带集成式全自动钻杆排放与转运装备能够利用车载的多层存储框架密集有序地存放大量高自重的钢制钻杆，并依靠上方的平移及垂直剪叉机构执行自动化的上下料存取，可以取代落后且极易发生砸伤、挤伤工伤事故的传统全人工搬运模式。

2、但是，这种自动化排管装备在持续高强度、长时间的上百个大循环加卸管柱流转作业中，其库存资产数据流的管理控制面临着以下一系列难以克服的技术缺陷：传统的钻杆数量盘点与清点方式主要依赖人工在操纵台hmi触摸屏上手动点击扣减或增加，或者依赖现场工人的纸质单据账目清点。在矿山坑道施工中，由于回收上来的废旧管柱表面百分之百浸润、外表面涂抹有极其粘稠的防松润滑脂、尖锐硬质合金铁屑、以及高粘度粘土颗粒泥浆流，这极易导致存取机构末端的电磁吸盘发生偶发性的微幅滑脱滑移。同时，现场电网的强电磁颤动容易引发接近开关产生电平抖动误得电信号。在这种模式下，plc主控系统内部预设的递增或递减简单计数加减法程序常会发生不可逆的“累计计数错乱”。

3、一旦发生累计计数发生错乱，系统内部的模拟账目便与存储框架内的真实实物库存严重失真脱节，极易导致排管车在执行一键式自动化回收存储或补给时，主控制器因错误的账目指令，盲目地驱动机械手将一根重载钻杆强行推向一个已经放置有管柱的满载定位卡槽孔位内，引发剧烈的机械刚性挤压断裂、构件溃断或管柱变形掉落的恶性重大工程设备损坏事故；或者机械手盲目地将吸盘下放到空置孔位上导致空载等待，破坏矿山无人化系统的连贯顺畅运行。

4、此外，现有的少许光电检测探头多采用固定单点对推式光电管，在长期的浓浆喷淋与粉尘侵入下，表面极易被泥浆挂壁遮挡发生信号封锁，且其无法识别重型钻杆在框架卡槽内部由于行走震动产生的空间非平行倾斜、异物阻挡、甚至是管柱规格错乱等复杂的几何异变形态。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法及系统，其能够消除计数误差并滤除钻杆表面污垢产生的噪声干扰，提升复杂工况下的盘点抗干扰鲁棒性。

2、本技术是这样实现的：

3、本技术提供一种基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法，包括以下步骤：

4、钻杆存储框架内定位卡槽储存的钻杆移出或回收钻杆储存至定位卡槽后，将多个位于钻杆存储框架顶部的激光测距传感器沿水平方向移动以对钻杆存储框架内各个定位卡槽进行非接触光学点云测距扫描获取高度数据；

5、基于非接触光学点云测距扫描获取的高度数据重构出反映当前钻杆存储框架内钻杆储存情况的当前实际高度特征向量矩阵；

6、基于当前实际高度特征向量矩阵及预存的历史库存钻杆高度特征向量矩阵，计算出当前周期下的测距变化量差分矩阵，采用基于时序收敛宽度的滤波算法清除测距变化量差分矩阵中由于钻杆表面污垢产生的噪声干扰；

7、基于测距变化量差分矩阵的幅值跃变特征，结合预设的钻杆外径公差参数、钻杆层数参数和单层钻杆理论高度阈值进行阈值切割，判断定位卡槽储存钻杆的状态变化；

8、根据定位卡槽储存钻杆的状态变化计算出移出或回收的钻杆实物账目数量。

9、在一些可选的实施方案中，采用基于时序收敛宽度的滤波算法清除测距变化量差分矩阵中由于钻杆表面污垢产生的噪声干扰包括以下步骤：对激光测距传感器在连续n个采样脉冲内检测的高度数据绝对值变化进行偏离度评估；当检测的高度数据绝对值变化满足，且高度数据绝对值变化在激光测距传感器沿水平方向移动过程中所覆盖的持续测距次数对应的横向几何宽度

w小于预设的钻杆表面连续特征宽度阈值

wmin时，判断为钻杆表面污垢产生的噪声干扰，并在当前周期下的测距变化量差分矩阵中将对应的数据清除。

10、在一些可选的实施方案中，判断定位卡槽储存钻杆的状态变化时，当某一定位卡槽对应的高度数据绝对值变化落在单个钻杆的直径区间时，判定对应定位卡槽发生钻杆移出或回收钻杆；当某一定位卡槽对应的高度数据绝对值变化偏离单个钻杆的直径区间，判断对应定位卡槽发生钻杆歪斜错位、异物卡阻、或钻杆规格不匹配的多维异常形态异变。

11、在一些可选的实施方案中，判断对应定位卡槽发生多维异常形态异变时，使用至少一对沿钻杆存储框架储存钻杆轴向两端对称布置的激光测距传感器获取对应定位卡槽两端的高度数据hfront和hrear并计算倾斜向量

δh=hfront-hrear，当倾斜向量

δh的绝对值大于5mm时，判断对应定位卡槽内钻杆发生轴向空间非平行歪斜错位。

12、在一些可选的实施方案中，还包括以下步骤：将计算出移出或回收的钻杆实物账目数量结果与移出或回收的钻杆规划的目标用量进行一致性校验对账；若核对一致，则更新历史库存钻杆高度特征向量矩阵和钻杆存储框架的本地库存钻杆数据库；若核对不一致，则阻断后续流程并触发库存账目数据异常报警。

13、在一些可选的实施方案中，更新钻杆存储框架的本地库存资产数据库时，利用更新后的各个定位卡槽中钻杆数量、各个定位卡槽的行列空间离散三维坐标及钻杆质量计算钻杆存储框架质心的横向偏移量；

14、根据钻杆存储框架质心的横向偏移量调整后续移出或回收的钻杆的对应定位卡槽，以减小钻杆存储框架质心的横向偏移量的绝对值。

15、在一些可选的实施方案中，根据以下公式计算钻杆存储框架质心的横向偏移量：

16、；

17、式中，

mi为第

i根钻杆的质量；

xi为第

i根钻杆距离存储框架中心线的横向距离坐标，位于存储框架中心线一侧为正值，位于存储框架中心线另一侧为负值；

mtotal为钻杆存储框架的总质量。

18、在一些可选的实施方案中，判断定位卡槽储存钻杆的状态变化时，当计算出钻杆存储框架内定位卡槽的钻杆存储数量达到满载预设阈值时，发送存储框架已满的信号；当钻杆存储框架的定位卡槽的空位数量小于待回收钻杆数量时，发送存储空间不足的信号，并输出定位卡槽的空位数量。

19、在一些可选的实施方案中，当一致性校验对账的移出或回收的钻杆实物账目数量结果与移出或回收的钻杆规划的目标用量不一致，发送账目失真警告，控制多个位于钻杆存储框架顶部的激光测距传感器沿水平方向移动以对钻杆存储框架内各个定位卡槽进行第二次非接触光学点云测距扫描获取高度数据。

20、本技术还提供了一种基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点系统，用于实现上述基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法，包括：

21、钻杆存储框架，设有多个沿水平方向间隔布置的定位卡槽，定位卡槽用于容纳多个沿高度方向依次布置的钻杆；

22、滑移构架，可沿水平方向移动地连接于钻杆存储框架顶部；

23、多个激光测距传感器，间隔连接于滑移构架底部，用于向下方发射激光后接收以对定位卡槽进行测距获取高度数据；

24、控制器，分别与激光测距传感器和滑移构架电连接，以控制滑移构架沿水平方向移动，及接收激光测距传感器获取高度数据。

25、本技术的有益效果是：本技术提供的基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法是钻杆存储框架内定位卡槽储存的钻杆移出或回收钻杆储存至定位卡槽后，将多个位于钻杆存储框架顶部的激光测距传感器沿水平方向移动以对钻杆存储框架内各个定位卡槽进行非接触光学点云测距扫描获取高度数据；基于非接触光学点云测距扫描获取的高度数据重构出反映当前钻杆存储框架内钻杆储存情况的当前实际高度特征向量矩阵；基于当前实际高度特征向量矩阵及预存的历史库存钻杆高度特征向量矩阵，计算出当前周期下的测距变化量差分矩阵，采用基于时序收敛宽度的滤波算法清除测距变化量差分矩阵中由于钻杆表面污垢产生的噪声干扰；基于测距变化量差分矩阵的幅值跃变特征，结合预设的钻杆外径公差参数、钻杆层数参数和单层钻杆理论高度阈值进行阈值切割，判断定位卡槽储存钻杆的状态变化；根据定位卡槽储存钻杆的状态变化计算出移出或回收的钻杆实物账目数量。本技术提供的基于顶部激光扫描的钻杆堆栈动态盘点方法及系统能消除计数误差并滤除钻杆表面污垢产生的噪声干扰，提升复杂工况下的盘点抗干扰鲁棒性。