摘 要：為保證斗輪堆取料機全自動系統精度滿足要求，首先明確該全自動系統中三個坐標系的數學關系，其次確定關鍵位置的標定方法，然后確定系統精度的驗證方法。系統標定和驗證主要采用全站儀多點多次測量的方式進行，結果表明該種方法可以準確校正系統偏差。
關鍵詞：斗輪堆取料機全自動系統；坐標系；標定方法；驗證方法
中圖分類號：U653.928.+5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）02-0058-05
0 引言
是否安裝激光掃描、激光定位系統是衡量碼頭或港口設備智能化、自動化程度的一個重要技術指標。激光掃描或定位系統具有測量實時性高、掃描精度高、檢測距離遠、受環境影響小、技術水平成熟等優點。而判斷激光掃描或定位系統優劣的一個關鍵參數和重要指標是全自動系統的精度。要保證全自動系統精度，要明確全自動系統中存在的三個坐標系及坐標系間的關系，要標定好全自動系統中幾個關鍵位置參數，然后在上述基礎上進行實際驗證。
全站型電子測距儀（以下簡稱全站儀），是一種利用光電測距原理，集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統，因其僅需一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作而被稱作全站儀。
1 全自動系統坐標系界定及關系
在堆取料自動化系統中，存在三個坐標系，分別為大機坐標系、激光掃描系統坐標系和堆場坐標系，三個坐標系的關系如圖1 所示。
圖 1 三個坐標系的關系
1.1 大機坐標系
大機坐標系，即堆取料機自身各個機構的位置組成的三維坐標系，包括大車、回轉和俯仰等主要機構的位置，也是控制系統軟件控制本機機構動作、保證本機設備安全范圍直接使用的坐標系。
1.2 激光掃描系統坐標系
激光掃描系統坐標系如圖2 所示，包括原始球坐標數據和激光掃描三維坐標系。激光掃描系統中，各個激光器直接掃描得到的數據點云為球坐標形式（r，θ，φ）。單個點（r，θ，φ）中，r 為激光器掃描返回距離，θ 為激光單線掃描中掃描角度，φ 為激光掃描裝置轉動機構轉動角度( 對不帶轉動機構的激光掃描裝置，φ=0 )。激光掃描系統通過將球坐標轉換為三維直角坐標的形式，得到激光掃描系統坐標系下的激光點云。
圖 2 YPSS 坐標系與YPSS 原始數據
堆取料機全自動系統需要安裝4 套激光器，分別為2 套安裝于臂架前端兩側的2D 激光器，2 套安裝于梯形架上平臺兩側的3D 激光器，具體安裝位置如圖3 和圖4 所示。由于4 套系統安裝位置的不同，坐標系之間的關系需要通過全站儀標定確認。
圖 3 2D 掃描激光器安裝位置
圖 4 3D 掃描激光器安裝位置
設定球坐標系坐標(r, θ, φ)，三維直角坐標(x, y, z)，有
圖 5 球坐標三維直角坐標
1.3 堆場坐標系
堆場坐標系，指堆場中的三維直角坐標系，通常用于堆場的管理使用。一般以大車沿軌道前進方向為X 軸正向，垂直于軌道向堆場方向為Y 軸正向，豎直向上方向為Z 軸正向。其中0 點位置設置，大車后停止位置為X 軸0 點，大車軌道的中心線作為Y 軸的0 點，堆場的最低點作為Z 軸的0 點。
1.4 坐標系間數學關系
1）激光掃描系統坐標系轉化為堆場坐標系定義激光掃描系統坐標系為YPSS 坐標系，定義堆場坐標系為Yard 坐標系，則二者間的數學關系如下
或簡寫為
式中：Pyard 為堆場坐標系，Pypss 為YPSS 坐標系。R為旋轉，T 為平移，R、T 與本機當時機構位置( 主要包括大車位置、回轉角度、俯仰角度) 和標定數據有關。
2）大機坐標系和堆場坐標系間的轉換大機幾個主要的參數得位置關系如圖6 所示。
根據式（4）~ 式（7）可分別求得回轉角度、俯仰角度和大車位置。
圖 6 坐標系關鍵參數示意圖
2 全自動系統標定方法
為保證標定的可靠性，采用全站儀和反射片對關鍵位置進行多點多次標定，包括基準標定、臂架定點標定和激光器標定。標定過程中，兩個基準點位置不可以變化移動，對于設備不同位置的標定需要開啟全站儀的搬站功能，保證全站儀更換位置后測量基準前后一致。
2.1 基準標定
在軌道上貼2 個反光片作為基點O1 和O2，調整全站儀，建立坐標系。O1 和O2 點作為基準點。全站儀距離堆取料機及軌道盡可能的遠，減小后續測量誤差。兩基點的連線為X 軸，Y 軸位于垂直軌道的水平方向，Z 軸垂直水平面向上。
2.2 臂架定點標定
如圖7 所示，沿懸臂左側長度方向貼2 個反光片M和N，兩點之間的距離選取大一些，注意MN 連線要與懸臂保持平行，用同樣的方式再標定臂架右側。
圖 7 懸臂貼片
2.3 激光器標定
如圖8 所示，在激光器（或者轉動機構）外側貼3個反光片，其中2 個與激光器掃描方向平行，2 個與掃描方向垂直。
（a）左側3D 激光器
圖 8 激光器貼片
表1 為堆取料機4 臺激光器及主要機械參數的標定結果。
3 精度驗證方法
選取固定料堆對象，利用全站儀對堆垛邊界的典型位置進行標定，分別對應不同的俯仰角度或者回轉角度，測得多組數據，通過人工計算或者智能計算與編碼器值進行比較，完成編碼器的標定。測量的料堆輪廓如圖9所示。
圖 9 測試料堆輪廓圖
3D 激光器的驗證需要考慮三種情況
1）單機靜止狀態下，利用3D 掃描儀轉動掃描物料，保存物料的三維數據并對全站儀標定的物料參數進行計算比較，驗證此種測量模式的測量精度。
2）3D 掃描儀在機械零點位置，單機大車移動，對物料進行掃描測量，保存三維數據并與全站儀標定的物料參數進行計算比較，驗證此種測量模式的測量精度。
3）2D 掃描儀在機械零點位置，堆取料機懸臂擺動，對堆垛進行掃描測量，保存三維數據并與全站儀標定的參數進行計算比較，驗證此種測量模式的測量精度。經測試和參數調整，全自動系統的精度滿足全自動系統精度技術指標要求（偏差＜ 20 cm），如表2 所示，掃描偏差≤ 11 cm，滿足全自動功能要求。
4 總結
在理清堆取料機全自動系統中三個坐標系之間的數學關系后，將相關計算融合進全自動軟件，通過對系統中關鍵位置進行精確標定，確定相關激光器的姿態參數，再通過標定料堆高度，與全自動掃描數據進行比較，從而完成全自動系統的精度驗證。通過精度驗證確保了全自動堆取料機激光掃描系統的掃描精度，從而確保堆取料機的全自動運行。
由于堆取料機回轉、大車等機構本身存在回程間隙，全自動系統精度的進一步提高還需要機械方面的加工和安裝精度進一步提高。
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