王旭修，蔡有高，時(shí)培領(lǐng)，陳 煌，李 祥，劉 明

(華能(福建)海港有限公司，福建 福州 350602)

堆取料機(jī)作為一種連續(xù)高效的散料輸送設(shè)備廣泛應(yīng)用在涉及大宗散貨儲(chǔ)運(yùn)的各行業(yè)中,在散貨集疏運(yùn)中發(fā)揮了重要作用。如何有效地降低人工成本、提高生產(chǎn)效率，是所有大型散貨料場(chǎng)亟需解決的問題[1-2]。

近年來，隨著傳感器、視覺、圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，利用工業(yè)相機(jī)、激光掃描儀、攝像機(jī)等視覺傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位、識(shí)別、三維重建來指導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)化作業(yè)的技術(shù)越來越成熟，通過對(duì)散貨料場(chǎng)進(jìn)行三維重建可以完成斗輪堆取料機(jī)無人化控制和料場(chǎng)的可視化管理[3]。 我國(guó)基于Lidar(激光雷達(dá))的視覺技術(shù)在堆取料機(jī)應(yīng)用較晚，相關(guān)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。依托福州華能羅源灣港區(qū)將軍帽作業(yè)區(qū)一期工程堆取料機(jī)無人化操作自動(dòng)控制系統(tǒng)，針對(duì)現(xiàn)代斗輪機(jī)的作業(yè)要求和特點(diǎn)，研發(fā)了一套基于Lidar機(jī)器視覺的散貨料場(chǎng)堆取料機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，系統(tǒng)具有環(huán)境自動(dòng)感知、控制策略自動(dòng)生成、安全可靠性高的特點(diǎn)，未來具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

堆取料機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制的一個(gè)重要前提是感知作業(yè)周邊環(huán)境和作業(yè)對(duì)象形狀，并根據(jù)作業(yè)料堆形狀進(jìn)行相關(guān)的作業(yè)規(guī)劃和策略生成，最終控制設(shè)備按照預(yù)定規(guī)劃路徑進(jìn)行作業(yè)。在作業(yè)過程中如果對(duì)象和環(huán)境發(fā)生實(shí)時(shí)變化，則進(jìn)行動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)配備了高性能的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為核心計(jì)算單元，用來接收處理激光掃描儀的實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)、GPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，并在線將實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，實(shí)時(shí)料堆建模，生成作業(yè)指令，通過堆取料機(jī)的機(jī)載可編程控制器(PLC)下發(fā)各傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，指導(dǎo)堆取料機(jī)完成自動(dòng)作業(yè)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 坐標(biāo)系建立及標(biāo)定

激光掃描儀安裝在堆取料機(jī)上，作業(yè)過程中激光掃描儀本身進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，同時(shí)堆取料機(jī)進(jìn)行臂架俯仰、臂架回轉(zhuǎn)、整機(jī)走行運(yùn)動(dòng)。因此在將激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至料場(chǎng)靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行建模時(shí)，首先須根據(jù)堆取料機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性建立相應(yīng)子坐標(biāo)系，包括成像設(shè)備(激光掃描儀)坐標(biāo)系CLA、俯仰機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系CLU、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系CSL和走行(軌道)坐標(biāo)系CTR(因堆取料機(jī)的走行為在固定軌道上的一維運(yùn)動(dòng)，且軌道是靜止的，因此也稱全局靜止坐標(biāo)系)，各坐標(biāo)系的建立見圖2。同時(shí)，設(shè)矩陣R1、R2、R3分別對(duì)應(yīng)CLA到CLU、CLU到CSL、CSL到CTR的坐標(biāo)系變換關(guān)系[4-5]。因此掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系進(jìn)行堆形建模必須通過標(biāo)定方法來確定R1、R2、R3這3個(gè)矩陣參數(shù)。

圖2 各坐標(biāo)系的建立

設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過程中的俯仰、回轉(zhuǎn)和走行姿態(tài)數(shù)據(jù)利用RTK-GPS計(jì)算后得出，輸出俯仰角度(°)、回轉(zhuǎn)角度(°)、走行距離(m)共3種姿態(tài)數(shù)據(jù)值。

采用標(biāo)定球進(jìn)行R1、R2和R3矩陣參數(shù)標(biāo)定的方法，主要流程如下：

1)建立全料場(chǎng)全局坐標(biāo)系，并在全料場(chǎng)確定3個(gè)及以上不共線的目標(biāo)點(diǎn)(本文布置4個(gè)標(biāo)定球)，測(cè)量標(biāo)定球球心在全局坐標(biāo)系下的值。

2)在堆取料機(jī)處于不同回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度下，采用激光掃描儀掃描目標(biāo)物輪廓獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取球體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)對(duì)球體表面數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行求解。

(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2=r2

(1)

式(1)可以寫成式(2)中的x、y、z，為采集的球體表面坐標(biāo)值，a、b、c、r為待求的球心坐標(biāo)和半徑。

(2)

X=(A-1A)-1AB

(3)

在全料場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取球體表面特征點(diǎn)，根據(jù)提取的特征點(diǎn)求解出35組不同位姿下的球心坐標(biāo)中，表1中給出了部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 部分球心坐標(biāo)計(jì)算

3)采用Rodrigues形式將R表示為R(k,θ),k1為回轉(zhuǎn)軸、k2為俯仰軸、k3為掃描儀與大機(jī)安裝位置的固定關(guān)系，θ為不同位姿下回轉(zhuǎn)或俯仰軸所對(duì)應(yīng)的角度值,μi,j為第i個(gè)位姿下第j個(gè)球的在掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，t為與k對(duì)應(yīng)的平移量，Gcj為第j個(gè)球在料場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，矩陣M為掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)俯仰坐標(biāo)系、俯仰坐標(biāo)系轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的一個(gè)綜合表達(dá)式，全局標(biāo)定歸結(jié)為如式(4)所示的優(yōu)化問題，采用列文伯格-馬夸爾特(LM)算法進(jìn)行優(yōu)化。

M=

(4)

F(k1,k2,k3,t1,t2,t3)=

(5)

采集35組不同位姿的掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目標(biāo)球的全局坐標(biāo)見表2。

表2 標(biāo)定球全局坐標(biāo)值

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出不同位置下的球心在掃描儀坐標(biāo)系下的值，采用LM算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，解算結(jié)果為：

k1=[-0.024 132 235 657 823 0，-0.008 487 429 298 749 68，-1.003 458 402 126 93]，

k2=[-0.006 986 397 116 652 64，1.004 044 115 515 83，-0.006 878 217 490 527 25]，

k3=[0.442 325 868 464 691，0.884 651 736 929 383，0.147 441 956 154 897]，

t1=[89.448 745 222 113 3，600.106 793 609 578，14.585 922 738 912 8]，

t2=[-4.960 648 574 857 26，125.966 577 019 193，-32.508 919 304 048 5]，

t3=[14.404 003 528 372 4，-126.590 439 618 449，-13.593 962 074 243 8]。

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對(duì)球心進(jìn)行誤差反算，見圖3，在100 m處其結(jié)果偏差為8 cm，滿足精度控制要求。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)球反算誤差

2.2 全料場(chǎng)數(shù)據(jù)的拼接

三維激光發(fā)射方式是沿直線方向的，不能一次將目標(biāo)掃描重建，在掃描過程中可能需要在幾個(gè)不同的方向和角度上掃描同一個(gè)物體，每個(gè)不同的位置其局部坐標(biāo)系都不一樣，將多個(gè)坐標(biāo)系下的料場(chǎng)數(shù)據(jù)還原到同一坐標(biāo)系中，完成全料場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)的可視化控制與管理。

想要求出兩組點(diǎn)云的變換關(guān)系，必須要找到兩站點(diǎn)云中3對(duì)或3對(duì)以上的特征點(diǎn)，在三維點(diǎn)云拼接算法中，最經(jīng)典的算法是ICP(iterative closest point)算法[6-7]，該算法是由Besl P.和McKay N.提出，ICP算法原理是利用最小二乘來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)變換，本文采用基于奇異值分解(SVD)迭代點(diǎn)云配準(zhǔn)算法對(duì)兩組點(diǎn)云的變換關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化求解。

將兩組點(diǎn)云P和Q中的點(diǎn)之間的關(guān)系描述為：

q′i=Mp′i+T+Ni

(6)

式中：pi和qi分別為P、Q中的點(diǎn)；M為兩組點(diǎn)云的旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移量；Ni為對(duì)應(yīng)的誤差。將匹配問題轉(zhuǎn)換為目標(biāo)函數(shù)求極小值，建立誤差函數(shù)：

(7)

采用計(jì)算3×3的矩陣

(8)

對(duì)矩陣H作奇異分解：

H=UΛVT

(9)

計(jì)算：

M=VU-1

(10)

T=p-Rq

(11)

重復(fù)上述過程進(jìn)行多次迭代計(jì)算，設(shè)第m次迭代后的旋轉(zhuǎn)矩陣Mk、平移矩陣為Tk，令pk+1=Mpk+Tk，然后計(jì)算下一次的Mk+1和Tk+1。迭代終止的條件為：

(12)

數(shù)據(jù)拼接效果見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)拼接效果

2.3 作業(yè)路徑預(yù)測(cè)

目前常見的斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)，大多利用PLC主從站、變頻器、繼電器、終端顯示等，采用總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合邏輯控制，并可以完成半自動(dòng)和手動(dòng)控制，由于PLC很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能控制，難以解決無人值守操作，為此本系統(tǒng)采用了基于Lidar的機(jī)器視覺技術(shù)，依據(jù)堆取料機(jī)作業(yè)工藝特點(diǎn)[8]，提出了一種基于視覺圖像處理算法的作業(yè)路徑規(guī)劃算法，能夠提前對(duì)設(shè)備的作業(yè)路徑進(jìn)行規(guī)劃，并能利用視覺系統(tǒng)采集的料堆數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)路徑的實(shí)時(shí)更新。

路徑規(guī)劃算法流程：1)掃描目標(biāo)作業(yè)區(qū)域獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2)對(duì)非料堆區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，降低干擾數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的影響。3)將料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的X、Y、Z值轉(zhuǎn)換為圖像中的像素點(diǎn)，X、Y為圖像中的位置，Z為圖像的灰度。4)為降低小區(qū)域凸起和空洞對(duì)全局規(guī)劃造成的影響，采用5×5的卷積核對(duì)料堆的圖像膨脹腐蝕處理后，再采用Canny算子進(jìn)行邊界識(shí)別，求出料堆的邊界。5)根據(jù)作業(yè)模式(堆料或取料)、作業(yè)方式(新堆、續(xù)堆、覆蓋堆、分層分段取、分層整取)、識(shí)別出的料堆邊界、安息角等參數(shù)，計(jì)算出每次臂架的回轉(zhuǎn)折返點(diǎn)的控制線，如果在取料路徑中發(fā)現(xiàn)有空洞會(huì)快速跳過該區(qū)域，在堆料路徑中發(fā)現(xiàn)有料會(huì)造成碰撞將提前進(jìn)行避讓。圖5為續(xù)堆和覆蓋堆在設(shè)備作業(yè)前生成的作業(yè)路徑，圖中弧線為軌跡規(guī)劃結(jié)果。

圖5 續(xù)堆和覆蓋堆軌跡規(guī)劃

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

以福州華能羅源灣港區(qū)將軍帽作業(yè)區(qū)一期工程堆取料機(jī)無人化操作自動(dòng)控制系統(tǒng)為背景，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試，在接收到中控下發(fā)的作業(yè)任務(wù)后，完成一系列的處理，包括作業(yè)任務(wù)分析、目標(biāo)作業(yè)區(qū)域掃描、料堆的三維重建、作業(yè)路徑的生成、自動(dòng)化堆取作業(yè)等無人化操作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程見圖6。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3 結(jié)論

1)通過研究Lidar機(jī)器視覺在散料堆取料機(jī)全自動(dòng)控制應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)，有效解決了三維激光掃描儀在項(xiàng)目應(yīng)用過程中的難點(diǎn)。

2)基于設(shè)備自身位移傳感器和角度傳感器建立全局標(biāo)定模型，采用回轉(zhuǎn)、俯仰角度傳感器與標(biāo)定球構(gòu)成的標(biāo)定點(diǎn)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全局標(biāo)定，完成了掃描儀坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，在多個(gè)大機(jī)位姿下掃描儀三維數(shù)據(jù)的料場(chǎng)坐標(biāo)歸一化誤差可控制在8 cm以內(nèi)，滿足自動(dòng)作業(yè)要求。

3)設(shè)計(jì)開發(fā)出全料場(chǎng)二維和三維可視化庫和作業(yè)路徑規(guī)劃庫,集成于料場(chǎng)無人化系統(tǒng)，該技術(shù)在福州華能羅源灣港區(qū)將軍帽作業(yè)區(qū)一期工程堆取料機(jī)無人化操作自動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目中得到應(yīng)用和驗(yàn)證，項(xiàng)目性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類型先進(jìn)產(chǎn)品水平。