激光掃描儀安裝偏差測量及糾偏方法

莊 鵬，楊 成，嚴(yán) 創(chuàng)，陳 凡，饒 銳

（湖北荊州煤炭港務(wù)有限公司，湖北荊州 434020）

1 問題的提出

散貨料場斗輪機(jī)在堆、取料作業(yè)中，其行進(jìn)、俯仰和回轉(zhuǎn)姿態(tài)的精確性，決定著作業(yè)的效率及能耗。斗輪機(jī)堆料或取料作業(yè)時(shí)姿態(tài)的參數(shù)值，由料場位置或料堆三維點(diǎn)云、及料場坐標(biāo)等的數(shù)據(jù)推算得出。特別是取料時(shí)，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵性作用。

料堆的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)由安裝在斗輪機(jī)大臂前端兩側(cè)的激光掃描儀（以下簡稱“掃描儀”），在斗輪機(jī)運(yùn)行中經(jīng)掃描采集，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等計(jì)算后獲得。由于斗輪機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大，掃描儀在實(shí)際安裝工程中，以掃描儀中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立起來的坐標(biāo)系的三軸，難以與以斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)或俯仰中心建立起來的坐標(biāo)系的三軸處于平行位置。圖1 中，O—XYZ 為料場坐標(biāo)系，OJ—XJYJZJ為斗輪機(jī)坐標(biāo)系，OL—XLYLZL為掃描儀坐標(biāo)系，它們與斗輪機(jī)坐標(biāo)系的三軸會(huì)存在一定的旋轉(zhuǎn)角度誤差。

圖1 掃描儀、斗輪機(jī)及料場坐標(biāo)系示意

根據(jù)理論模型，掃描儀和斗輪機(jī)的兩個(gè)坐標(biāo)系的X、Y、Z三軸應(yīng)該一一平行。因此，需要進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角度的測量和安裝位置的微調(diào)。

2 偏轉(zhuǎn)角度測量

掃描儀坐標(biāo)系相對于斗輪機(jī)坐標(biāo)系存在的3 個(gè)角度偏轉(zhuǎn)，分別是繞X 軸旋轉(zhuǎn)的α 角、繞Y 軸旋轉(zhuǎn)的β 角和繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的γ 角。

2.1 測量準(zhǔn)備

（1）測量工具及道具包括鉛垂線（15 m）、卷尺（5 m）、皮尺（30 m）、水平儀（長1 m）、激光測距儀、1 大紙盒（長、寬、高約100 cm×60 cm×28 cm，可以用2U 服務(wù)器外包裝盒）、3 個(gè)小紙盒（長、寬、高約20 cm×20 cm×15 cm）、北斗定位手簿（需連接差分系統(tǒng)，精度厘米級(jí)）、記號(hào)筆等。

（2）在有Sopas 軟件的筆記本電腦，并可連接上待測量掃描儀，且能正確展示掃描圖（本文使用的掃描儀為Sick 3601 型號(hào)，配置及展示軟件為Sopas）。

（3）測試人員兩名，一名在斗輪機(jī)上放鉛垂線、放置水平儀、查看電腦上Sopas 軟件等，另一名在相應(yīng)的地面上放置紙箱子、測量長度、標(biāo)定位置等。

（4）斗輪機(jī)上已有北斗定位系統(tǒng)。將斗輪機(jī)大臂回轉(zhuǎn)角調(diào)整到0°（斗輪機(jī)前進(jìn)方向?yàn)?°，由北斗校準(zhǔn)并能讀取回轉(zhuǎn)角。大臂處于軌道上方，地面更加平整，更易于測量。為了方便拍照和展示，大臂處于料場中，回轉(zhuǎn)角并不為0°），俯仰角調(diào)整到0°（用水平儀校準(zhǔn)且能通過北斗讀取俯仰角）。

2.2 測量工作

（1）從安裝在大臂前緣的掃描儀發(fā)光中心位置放鉛垂線下來，在地面標(biāo)記鉛錘位置A 點(diǎn)。

（2）斗輪機(jī)大臂邊緣所處位置基本上平行于Y 軸，斗輪機(jī)上測試人員沿著大臂外緣選取3 個(gè)點(diǎn)放鉛垂線。地面配合人員在地面上標(biāo)記鉛錘位置為B、C、D，此時(shí)B、C、D 所在的直線平行于大臂。如果斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)角為0°，則直線BCD 也應(yīng)平行于軌道。

（3）在地面上，使用卷尺等工具作矩形AEDF。如果掃描儀空間坐標(biāo)系三軸與斗輪機(jī)空間坐標(biāo)系三軸平行，則激光在地面的投射點(diǎn)連線為直線AF（圖2）。

圖2 掃描儀各投影點(diǎn)及激光理論掃描線

2.3 繞Z 軸旋轉(zhuǎn)γ 角的測量及調(diào)整

當(dāng)掃描儀與Z 軸有旋轉(zhuǎn)角γ 時(shí)，測量γ 的方法如下：

（1）將大紙盒的中心點(diǎn)放在上圖的A 點(diǎn)，大紙盒的長邊平行于直線AF，并使用水平儀調(diào)整大紙盒為水平放置狀態(tài)。

（2）通過筆記本電腦的Sopas 軟件查看大紙盒的凹槽圖像信息（Sopas 上呈現(xiàn)的是YJOJZJ切面圖）。在Sopas 軟件上將上述缺口圖像放大，并在大紙盒上使用水平儀的一端沿著垂線AE的方向逐步移入，直到從Sopas 軟件上監(jiān)測到水平儀的頭部點(diǎn)處在線段GH 線上，并在大紙盒上標(biāo)記水平儀頭部的這個(gè)點(diǎn)。

（3）在大紙盒上至少找到3 個(gè)點(diǎn)，將這些點(diǎn)連起來，此時(shí)連起來的這條直線與大紙盒長邊的角度就是γ 角（圖3）。

圖3 γ 角測量及地面投影線圖

（4）在掃描儀安裝位置的XY 水平面上，使掃描儀繞Z 軸微微旋轉(zhuǎn)，逐步將大紙盒上的“實(shí)際激光投射點(diǎn)連線”與“理論激光投射點(diǎn)連線”重合或平行。重合或平行后，掃描儀的坐標(biāo)軸YL則平行于斗輪機(jī)坐標(biāo)軸YJ。

2.4 繞Y 軸旋轉(zhuǎn)角β 的測量及調(diào)整

當(dāng)掃描儀與Y 軸有旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，激光發(fā)射中心點(diǎn)，與在地面的掃描投射點(diǎn)連線，形成的平面將不垂直于地面。此時(shí)，在地面的投射線與直線AF 不重合。

（1）用記號(hào)筆在大紙盒上面畫直線AF 的投影線段，此線段即為激光理論投射線。

（2）根據(jù)2.3 節(jié)，確定激光實(shí)際投射線（圖4）。

圖4 β 角測量及地面投影線圖

（3）測量上圖兩條投射點(diǎn)連線之間的距離，測量掃描儀中心與大紙盒中線點(diǎn)（即地面A 點(diǎn)）之間的距離，兩者相除可以得到tanβ 的值，進(jìn)而得到β。

（4）通過使用加減墊片厚度的方法調(diào)整掃描儀近大臂端或遠(yuǎn)大臂端的安裝螺栓，使得大臂在俯仰角為0°時(shí)，實(shí)際投射線與理論投射線重合。

2.5 繞X 軸旋轉(zhuǎn)α 角的測量及調(diào)整

當(dāng)掃描儀與X 軸旋轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，水平面在Sopas 上顯示的圖就是一條直線，而當(dāng)掃描儀與X 軸旋轉(zhuǎn)角不為0°時(shí)，水平面在Sopas 軟件上顯示的圖就是一條斜線，這條斜線的傾角就是α。

（1）由于地面不是絕對水平，斜線在Soaps 上的成像存在抖動(dòng)。為了精確地測量α，也可以將3 個(gè)小紙盒均勻地放在激光投射點(diǎn)連線上，并使用北斗手簿測量其高程，調(diào)整3 個(gè)小箱子水平高程值一致（圖5）。其中，“理論180°激光射線”為掃描儀偏轉(zhuǎn)角α 為0°時(shí)向下發(fā)射的激光線，與Z 軸重合；“實(shí)際180°激光射線”為α 不等于0°時(shí)垂直向下發(fā)射的激光線，其與Z 軸夾角也為α。

圖5 α 角測量及Sopas 軟件圖

（2）在Sopas 軟件上查看小紙盒成像點(diǎn)，并將3 個(gè)點(diǎn)連成直線，這條直線與水平線的夾角即為α。

（3）也可以通過調(diào)整大臂俯仰角的方式測得α，使3 個(gè)小紙盒成像點(diǎn)連成的直線為水平線，此時(shí)大臂的俯仰角就是α。

（4）當(dāng)夾角α 不為0 時(shí)，可通過加減墊片厚度的方法，調(diào)整掃描儀安裝位置兩側(cè)的螺栓，使得Sopas 軟件上呈現(xiàn)的小紙盒所連成的直線為水平線。

3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法

根據(jù)掃描儀激光發(fā)射及掃描原理，料堆外輪廓任點(diǎn)P 在掃描儀極坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為P（ρ，θ）。圖6b）的坐標(biāo)方向及角度與Sick LD_LRS 36x1 在Sopas 軟件上定義的一致。

圖6 掃描儀掃描示意

4 方法總結(jié)

3 個(gè)旋轉(zhuǎn)角邊測量邊調(diào)整，經(jīng)過多次反復(fù)操作后，能夠使掃描儀與斗輪機(jī)兩者的坐標(biāo)系三軸平行誤差達(dá)到最小。這種方法未引入復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，因此是最直接、最可靠、效果最好的。

5 結(jié)束語

本文通過對斗輪機(jī)上激光掃描儀安裝位置及掃描成像的研究，提出了簡單可行的安裝偏轉(zhuǎn)角測量方法，通過對安裝位置進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到糾偏處理目的，能夠大大提高數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，為開發(fā)無人化堆取料作業(yè)軟件提供有力的技術(shù)支持。通過在某港口的實(shí)踐，印證了方法的有效性，并可為類似項(xiàng)目激光掃描儀安裝偏轉(zhuǎn)的測量及糾偏處理提供參考。