一種基于標(biāo)定板的集裝箱起重機(jī)3D激光掃描標(biāo)定方法

李孟濤 吳 翔

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 上海 200125

0 引言

3D激光掃描系統(tǒng)能夠快速掃描目標(biāo)物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]，已在工業(yè)檢測(cè)、汽車(chē)自動(dòng)駕駛、空間目標(biāo)識(shí)別追蹤、山體滑坡預(yù)警等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。全自動(dòng)碼頭不僅可以提高生產(chǎn)效率，改善操作者的工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高港口的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。在自動(dòng)化碼頭運(yùn)行過(guò)程中，需要多種激光和視覺(jué)傳感器互相配合才能完成設(shè)備之間的交互。在作業(yè)過(guò)程中，更換設(shè)備后，由于安裝位置的變化，需重新標(biāo)定傳感器，手動(dòng)標(biāo)定方法耗時(shí)費(fèi)力，操作復(fù)雜；本文提出的基于標(biāo)定板的標(biāo)定方法，能夠提高標(biāo)定的效率和精度，減少標(biāo)定時(shí)間。

3D激光器的標(biāo)定原理主要包含以下4方面：1）3D激光器坐標(biāo)系中識(shí)別標(biāo)定板坐標(biāo)；2）通過(guò)萊卡全站儀測(cè)量起重機(jī)坐標(biāo)系中標(biāo)定板的坐標(biāo)；3）3D激光坐標(biāo)系到起重機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換；4）借助PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)定3D激光掃描系統(tǒng)的流程。本文實(shí)驗(yàn)選用SICK-LMS511-20100激光器，實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)定板上的貼膜采用鉆石級(jí)漫反射感應(yīng)膜，激光點(diǎn)打到該貼膜上能返回較高的能量值，能量值范圍0～255，根據(jù)能量值能夠識(shí)別出標(biāo)定板的坐標(biāo)[5]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)定精度和集裝箱的檢測(cè)精度進(jìn)行測(cè)試，滿(mǎn)足使用需求。

1 3D激光器掃描原理

圖1說(shuō)明了坐標(biāo)系中各點(diǎn)的定義，其中O點(diǎn)是光心G點(diǎn)在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂足點(diǎn)。A點(diǎn)和G點(diǎn)同處于激光器的中心線(xiàn)上，且有OA⊥AG。圖2是在O點(diǎn)建立的三維坐標(biāo)系圖。故對(duì)于激光器而言，O點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，光心G點(diǎn)相對(duì)于O點(diǎn)在Z-Y平面中轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)裝配完成后，OA與AG值便已確定。3D轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用激光測(cè)距原理和伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，準(zhǔn)確再現(xiàn)了被測(cè)物體的空間位置關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)3D激光數(shù)據(jù)采集的主要工具。

圖1 系統(tǒng)各點(diǎn)定義說(shuō)明

圖2 O點(diǎn)建立的三維坐標(biāo)系圖

現(xiàn)針對(duì)O點(diǎn)建立坐標(biāo)模型（見(jiàn)圖3），O點(diǎn)是激光器旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，G點(diǎn)是光心點(diǎn)，B點(diǎn)是掃描采樣點(diǎn)。其中OA=d1，GA=d2，在采樣時(shí)刻，系統(tǒng)獲取激光器掃描角α，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角度β，掃描距離GB=l。在任意的時(shí)刻，OA、GA的長(zhǎng)度是定值，且有OA⊥AG。

經(jīng)計(jì)算，采樣點(diǎn)B處的三維坐標(biāo)值為

2 3D激光器基于標(biāo)定板的標(biāo)定原理

建立3D激光坐標(biāo)系與通過(guò)萊卡全站儀建立的起重機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。利用3個(gè)有結(jié)構(gòu)關(guān)系的標(biāo)定板，在起重機(jī)坐標(biāo)系中測(cè)量3個(gè)標(biāo)定板的坐標(biāo)Pw；在3D激光器坐標(biāo)系中測(cè)量3個(gè)標(biāo)定板的坐標(biāo)PO；建立PO與Pw之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣(旋轉(zhuǎn)矩陣R/平移矩陣T)，即為3D激光坐標(biāo)系到萊卡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系[6-8]。

1)在3D激光器能掃描的范圍內(nèi)，安裝3個(gè)標(biāo)定板a、b、c；a與c之間的連線(xiàn)與大車(chē)方向平行，a與c在同一高度，b低于a和c，a、b、c組成三角形結(jié)構(gòu)，大車(chē)方向?yàn)閄軸，小車(chē)方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸，安裝關(guān)系如圖4所示。

圖4 標(biāo)定板位置與坐標(biāo)系

2)通過(guò)萊卡全站儀建立起重機(jī)坐標(biāo)系，X軸為起重機(jī)大車(chē)方向，Y軸為起重機(jī)小車(chē)方向，Z軸為起重機(jī)起升方向。把棱鏡放置于貼片中心，利用萊卡全站儀測(cè)量 3 個(gè)標(biāo)定板的坐標(biāo)Pw：a(xa，ya，za)、b(xb，yb，zb)、c(xc，yc，zc)；記錄此時(shí)小車(chē)位置S0(x0，y0，z0)。把標(biāo)定板坐標(biāo)和小車(chē)位置寫(xiě)入軟件的配置文件。萊卡測(cè)量設(shè)備如圖5所示。

圖5 標(biāo)定板與測(cè)量設(shè)備

3)在3D激光掃描坐標(biāo)系中，開(kāi)啟3D掃描，通過(guò)算法識(shí)別出3個(gè)標(biāo)定板的坐標(biāo)PO：d(xd，yd，zd)、e(xe，ye，ze)、f(xf，yf，zf) ；算法識(shí)別出的標(biāo)定板如圖6中的d、e、f，圖像中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)顏色根據(jù)不同的能量值進(jìn)行顯示，標(biāo)定板能量值最高，顯示為紅色。

圖6 3D掃描系統(tǒng)識(shí)別出的標(biāo)定板坐標(biāo)d、e、f

4)計(jì)算坐標(biāo)PO與Pw之間的轉(zhuǎn)換矩陣關(guān)系，建立Oxyz到wxyz之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系Pw=Rt·P t+Tt+S0，然后把（R，T）寫(xiě)入軟件的配置文件。

3 3D激光器自動(dòng)標(biāo)定原理

3D機(jī)構(gòu)硬件設(shè)備更換或者位置調(diào)整后，需要重新標(biāo)定，在PLC控制系統(tǒng)中寫(xiě)一個(gè)自動(dòng)標(biāo)定流程，把小車(chē)開(kāi)到標(biāo)定位置，給3D掃描系統(tǒng)發(fā)送標(biāo)定指令，3D掃描系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)掃描并識(shí)別出標(biāo)定板，然后計(jì)算出轉(zhuǎn)換關(guān)系（R，T）并寫(xiě)入配置文件。

圖7 集裝箱的標(biāo)定流程

4 標(biāo)定板標(biāo)定精度測(cè)試

標(biāo)定精度實(shí)驗(yàn)用了3組萊卡的測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)3組萊卡數(shù)據(jù)標(biāo)定完成后，把起重機(jī)小車(chē)開(kāi)到標(biāo)定位置，然后開(kāi)啟掃描指令，獲取激光器點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)激光器反射能量值識(shí)別出標(biāo)定板坐標(biāo)，并與標(biāo)定板在萊卡全站儀下的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，坐標(biāo)誤差小于10 mm，滿(mǎn)足應(yīng)用需求。測(cè)試數(shù)據(jù)如表所示。

5 集裝箱的識(shí)別精度測(cè)試

2D激光器采用SICK激光器，型號(hào)為SICKLMS511-20100；電機(jī)型號(hào)為EC-max40+CSF-11；轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)馬達(dá)編碼器值范圍0～65 536；激光器離箱子表面的高度為20 m。在地面上做箱子的范圍標(biāo)記，把箱子扭轉(zhuǎn)和平移后，測(cè)量并計(jì)算集裝箱的平移和扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，集裝箱標(biāo)記位置如圖8所示。采集集裝箱3D數(shù)據(jù)，并識(shí)別計(jì)算箱子的位置信息，包括大小車(chē)方向偏移距離和扭轉(zhuǎn)角度；測(cè)試6組數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際測(cè)量值和3D掃描值，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3D掃描系統(tǒng)檢測(cè)箱子精度測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

圖8 測(cè)量集裝箱位置標(biāo)記

表1 標(biāo)定精度測(cè)試記錄

在碼頭自動(dòng)化運(yùn)行過(guò)程中，吊具抓集裝箱的精度要求為：大小車(chē)方向誤差±30mm，扭轉(zhuǎn)角度誤差±0.28°。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，滿(mǎn)足起重機(jī)自動(dòng)化抓箱需求。

6 結(jié)語(yǔ)

在3D激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法費(fèi)時(shí)耗力，對(duì)調(diào)試人員的要求較高；且標(biāo)定后需對(duì)檢測(cè)精度進(jìn)行測(cè)試，影響起重機(jī)作業(yè)。本文提出了一種基于標(biāo)定板的應(yīng)用于集裝箱起重機(jī)3D激光掃描儀的標(biāo)定方法，該方法標(biāo)定精度高、操作簡(jiǎn)單；通過(guò)借助PLC的自動(dòng)控制流程，可實(shí)現(xiàn)一鍵標(biāo)定，方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員的維護(hù)；本文對(duì)該方案標(biāo)定精度和檢測(cè)集裝箱位置精度進(jìn)行了測(cè)試，該標(biāo)定及檢測(cè)精度在自動(dòng)化作業(yè)精度要求范圍內(nèi)，起重機(jī)能夠使用檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。