斗轮堆取料机激光扫描系统标定和精度验证方法

瞿蔚波 荣延平 盛恺弘
上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：为保证斗轮堆取料机全自动系统精度满足要求，首先明确该全自动系统中三个坐标系的数学关系，其次确定关键位置的标定方法，然后确定系统精度的验证方法。系统标定和验证主要采用全站仪多点多次测量的方式进行，结果表明该种方法可以准确校正系统偏差。

关键词：斗轮堆取料机全自动系统；坐标系；标定方法；验证方法

中图分类号：U653.928.+5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）02-0058-05

0 引言
是否安装激光扫描、激光定位系统是衡量码头或港口设备智能化、自动化程度的一个重要技术指标。激光扫描或定位系统具有测量实时性高、扫描精度高、检测距离远、受环境影响小、技术水平成熟等优点。而判断激光扫描或定位系统优劣的一个关键参数和重要指标是全自动系统的精度。要保证全自动系统精度，要明确全自动系统中存在的三个坐标系及坐标系间的关系，要标定好全自动系统中几个关键位置参数，然后在上述基础上进行实际验证。

全站型电子测距仪（以下简称全站仪），是一种利用光电测距原理，集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，因其仅需一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作而被称作全站仪。

1 全自动系统坐标系界定及关系
在堆取料自动化系统中，存在三个坐标系，分别为大机坐标系、激光扫描系统坐标系和堆场坐标系，三个坐标系的关系如图1 所示。

图 1 三个坐标系的关系

1.1 大机坐标系
大机坐标系，即堆取料机自身各个机构的位置组成的三维坐标系，包括大车、回转和俯仰等主要机构的位置，也是控制系统软件控制本机机构动作、保证本机设备安全范围直接使用的坐标系。

1.2 激光扫描系统坐标系
激光扫描系统坐标系如图2 所示，包括原始球坐标数据和激光扫描三维坐标系。激光扫描系统中，各个激光器直接扫描得到的数据点云为球坐标形式（r，θ，φ）。单个点（r，θ，φ）中，r 为激光器扫描返回距离，θ 为激光单线扫描中扫描角度，φ 为激光扫描装置转动机构转动角度( 对不带转动机构的激光扫描装置，φ=0 )。激光扫描系统通过将球坐标转换为三维直角坐标的形式，得到激光扫描系统坐标系下的激光点云。

图 2 YPSS 坐标系与YPSS 原始数据

堆取料机全自动系统需要安装4 套激光器，分别为2 套安装于臂架前端两侧的2D 激光器，2 套安装于梯形架上平台两侧的3D 激光器，具体安装位置如图3 和图4 所示。由于4 套系统安装位置的不同，坐标系之间的关系需要通过全站仪标定确认。

图 3 2D 扫描激光器安装位置

图 4 3D 扫描激光器安装位置

设定球坐标系坐标(r, θ, φ)，三维直角坐标(x, y, z)，有

图 5 球坐标三维直角坐标

1.3 堆场坐标系
堆场坐标系，指堆场中的三维直角坐标系，通常用于堆场的管理使用。一般以大车沿轨道前进方向为X 轴正向，垂直于轨道向堆场方向为Y 轴正向，竖直向上方向为Z 轴正向。其中0 点位置设置，大车后停止位置为X 轴0 点，大车轨道的中心线作为Y 轴的0 点，堆场的最低点作为Z 轴的0 点。

1.4 坐标系间数学关系
1）激光扫描系统坐标系转化为堆场坐标系定义激光扫描系统坐标系为YPSS 坐标系，定义堆场坐标系为Yard 坐标系，则二者间的数学关系如下

或简写为

式中：Pyard 为堆场坐标系，Pypss 为YPSS 坐标系。R为旋转，T 为平移，R、T 与本机当时机构位置( 主要包括大车位置、回转角度、俯仰角度) 和标定数据有关。
2）大机坐标系和堆场坐标系间的转换大机几个主要的参数得位置关系如图6 所示。

根据式（4）~ 式（7）可分别求得回转角度、俯仰角度和大车位置。

图 6 坐标系关键参数示意图

2 全自动系统标定方法
为保证标定的可靠性，采用全站仪和反射片对关键位置进行多点多次标定，包括基准标定、臂架定点标定和激光器标定。标定过程中，两个基准点位置不可以变化移动，对于设备不同位置的标定需要开启全站仪的搬站功能，保证全站仪更换位置后测量基准前后一致。

2.1 基准标定
在轨道上贴2 个反光片作为基点O1 和O2，调整全站仪，建立坐标系。O1 和O2 点作为基准点。全站仪距离堆取料机及轨道尽可能的远，减小后续测量误差。两基点的连线为X 轴，Y 轴位于垂直轨道的水平方向，Z 轴垂直水平面向上。

2.2 臂架定点标定
如图7 所示，沿悬臂左侧长度方向贴2 个反光片M和N，两点之间的距离选取大一些，注意MN 连线要与悬臂保持平行，用同样的方式再标定臂架右侧。

图 7 悬臂贴片

2.3 激光器标定
如图8 所示，在激光器（或者转动机构）外侧贴3个反光片，其中2 个与激光器扫描方向平行，2 个与扫描方向垂直。

（a）左侧3D 激光器

图 8 激光器贴片

表1 为堆取料机4 台激光器及主要机械参数的标定结果。

3 精度验证方法
选取固定料堆对象，利用全站仪对堆垛边界的典型位置进行标定，分别对应不同的俯仰角度或者回转角度，测得多组数据，通过人工计算或者智能计算与编码器值进行比较，完成编码器的标定。测量的料堆轮廓如图9所示。

图 9 测试料堆轮廓图

3D 激光器的验证需要考虑三种情况
1）单机静止状态下，利用3D 扫描仪转动扫描物料，保存物料的三维数据并对全站仪标定的物料参数进行计算比较，验证此种测量模式的测量精度。
2）3D 扫描仪在机械零点位置，单机大车移动，对物料进行扫描测量，保存三维数据并与全站仪标定的物料参数进行计算比较，验证此种测量模式的测量精度。
3）2D 扫描仪在机械零点位置，堆取料机悬臂摆动，对堆垛进行扫描测量，保存三维数据并与全站仪标定的参数进行计算比较，验证此种测量模式的测量精度。经测试和参数调整，全自动系统的精度满足全自动系统精度技术指标要求（偏差＜ 20 cm），如表2 所示，扫描偏差≤ 11 cm，满足全自动功能要求。

4 总结
在理清堆取料机全自动系统中三个坐标系之间的数学关系后，将相关计算融合进全自动软件，通过对系统中关键位置进行精确标定，确定相关激光器的姿态参数，再通过标定料堆高度，与全自动扫描数据进行比较，从而完成全自动系统的精度验证。通过精度验证确保了全自动堆取料机激光扫描系统的扫描精度，从而确保堆取料机的全自动运行。

由于堆取料机回转、大车等机构本身存在回程间隙，全自动系统精度的进一步提高还需要机械方面的加工和安装精度进一步提高。