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)物體的點云數(shù)據(jù)[1]，已在工業(yè)檢測、汽車自動駕駛、空間目標(biāo)識別追蹤、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，降低勞動強度，還可以提高港口的綜合競爭力。在自動化碼頭運行過程中，需要多種激光和視覺傳感器互相配合才能完成設(shè)備之間的交互。在作業(yè)過程中，更換設(shè)備后，由于安裝位置的變化，需重新標(biāo)定傳感器，手動標(biāo)定方法耗時費力，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)系中識別標(biāo)定板坐標(biāo)；2）通過萊卡全站儀測量起重機(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)實現(xiàn)自動化標(biāo)定3D激光掃描系統(tǒng)的流程。本文實驗選用SICK-LMS511-20100激光器，實驗所用的標(biāo)定板上的貼膜采用鉆石級漫反射感應(yīng)膜，激光點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)能量值能夠識別出標(biāo)定板的坐標(biāo)[5]。通過實驗對標(biāo)定精度和集裝箱的檢測精度進(jìn)行測試，滿足使用需求。

1 3D激光器掃描原理

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

圖1 系統(tǒng)各點定義說明

圖2 O點建立的三維坐標(biāo)系圖

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

經(jīng)計算，采樣點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個有結(jié)構(gòu)關(guān)系的標(biāo)定板，在起重機(jī)坐標(biāo)系中測量3個標(biāo)定板的坐標(biāo)Pw；在3D激光器坐標(biāo)系中測量3個標(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個標(biāo)定板a、b、c；a與c之間的連線與大車方向平行，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)，大車方向為X軸，小車方向為Y軸，高度方向為Z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)通過萊卡全站儀建立起重機(jī)坐標(biāo)系，X軸為起重機(jī)大車方向，Y軸為起重機(jī)小車方向，Z軸為起重機(jī)起升方向。把棱鏡放置于貼片中心，利用萊卡全站儀測量 3 個標(biāo)定板的坐標(biāo)Pw：a(xa，ya，za)、b(xb，yb，zb)、c(xc，yc，zc)；記錄此時小車位置S0(x0，y0，z0)。把標(biāo)定板坐標(biāo)和小車位置寫入軟件的配置文件。萊卡測量設(shè)備如圖5所示。

圖5 標(biāo)定板與測量設(shè)備

3)在3D激光掃描坐標(biāo)系中，開啟3D掃描，通過算法識別出3個標(biāo)定板的坐標(biāo)PO：d(xd，yd，zd)、e(xe，ye，ze)、f(xf，yf，zf) ；算法識別出的標(biāo)定板如圖6中的d、e、f，圖像中的點云數(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)識別出的標(biāo)定板坐標(biāo)d、e、f

4)計算坐標(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）寫入軟件的配置文件。

3 3D激光器自動標(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)中寫一個自動標(biāo)定流程，把小車開到標(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)會自動掃描并識別出標(biāo)定板，然后計算出轉(zhuǎn)換關(guān)系（R，T）并寫入配置文件。

圖7 集裝箱的標(biāo)定流程

4 標(biāo)定板標(biāo)定精度測試

標(biāo)定精度實驗用了3組萊卡的測量數(shù)據(jù)。對3組萊卡數(shù)據(jù)標(biāo)定完成后，把起重機(jī)小車開到標(biāo)定位置，然后開啟掃描指令，獲取激光器點云數(shù)據(jù)，根據(jù)激光器反射能量值識別出標(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)行對比分析，坐標(biāo)誤差小于10 mm，滿足應(yīng)用需求。測試數(shù)據(jù)如表所示。

5 集裝箱的識別精度測試

2D激光器采用SICK激光器，型號為SICKLMS511-20100；電機(jī)型號為EC-max40+CSF-11；轉(zhuǎn)動機(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，測量并計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)，并識別計算箱子的位置信息，包括大小車方向偏移距離和扭轉(zhuǎn)角度；測試6組數(shù)據(jù)，計算實際測量值和3D掃描值，對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3D掃描系統(tǒng)檢測箱子精度測試數(shù)據(jù)記錄

圖8 測量集裝箱位置標(biāo)記

表1 標(biāo)定精度測試記錄

在碼頭自動化運行過程中，吊具抓集裝箱的精度要求為：大小車方向誤差±30mm，扭轉(zhuǎn)角度誤差±0.28°。從測試結(jié)果來看，滿足起重機(jī)自動化抓箱需求。

6 結(jié)語

在3D激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用過程中，傳統(tǒng)的標(biāo)定方法費時耗力，對調(diào)試人員的要求較高；且標(biāo)定后需對檢測精度進(jìn)行測試，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、操作簡單；通過借助PLC的自動控制流程，可實現(xiàn)一鍵標(biāo)定，方便現(xiàn)場操作人員的維護(hù)；本文對該方案標(biāo)定精度和檢測集裝箱位置精度進(jìn)行了測試，該標(biāo)定及檢測精度在自動化作業(yè)精度要求范圍內(nèi)，起重機(jī)能夠使用檢測結(jié)果進(jìn)行自動化作業(yè)。