應(yīng)冬軍，李恒， 李嘉辰，劉強(qiáng)，陳劍，胡文波

（國(guó)家電投江西電力有限公司新昌發(fā)電分公司，浙江 新昌 312500）

1 研究背景

碼頭散料裝卸的主要方式根據(jù)自動(dòng)化程度進(jìn)行分類可分為手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)運(yùn)行方式。目前，橋式抓斗卸船機(jī)是散料碼頭最重要并且最普遍的接卸設(shè)備，其工作穩(wěn)定性和效率會(huì)直接影響碼頭的生產(chǎn)力。過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)，卸船機(jī)自動(dòng)化發(fā)展非常緩慢，卸船機(jī)接卸散料的工作主要還是通過(guò)人工進(jìn)行操作，也就是手動(dòng)運(yùn)行方式，但是在這種方式下操作手的工作經(jīng)驗(yàn)以及工作狀態(tài)極大地影響了散料接卸的效率和安全性，并且工作環(huán)境相對(duì)惡劣，操作強(qiáng)度也比較大，對(duì)于操作手來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間的低頭操作對(duì)于操作手的身體健康以及生產(chǎn)安全造成了一定的隱患。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)在市場(chǎng)的大規(guī)模擴(kuò)展，為了提升卸船機(jī)工作的安全性和穩(wěn)定性，改善工人的工作條件，高度智能化自動(dòng)化的卸船機(jī)已經(jīng)逐漸成為新的發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)橋式抓斗式卸船機(jī)的自動(dòng)化接卸功能是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，其中包括在惡劣天氣下抓斗的防撞、防搖、防擺問(wèn)題以及抓取策略等難題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于抓斗的防擺的自動(dòng)策略研究相對(duì)比較多，但是對(duì)于在散料料堆中如抓斗的抓取點(diǎn)的位置規(guī)劃研究相對(duì)比較少，為使卸船機(jī)進(jìn)行高效率的工作，接卸過(guò)程中散料的三維數(shù)據(jù)就成為實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將基于DEM 模型，對(duì)船艙內(nèi)三維數(shù)據(jù)重建進(jìn)行討論和驗(yàn)證。

2 三維激光掃描系統(tǒng)

快速獲取空間的三維信息目前主要有兩種測(cè)試方式，一種是基于測(cè)距原理來(lái)進(jìn)行獲取，另一種則是基于視覺(jué)的三維檢測(cè)技術(shù)。目前激光掃描技術(shù)是三維掃描技術(shù)的一個(gè)分支，它具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量的數(shù)據(jù)尺度大的特點(diǎn)，并且其抗干擾能力強(qiáng)，近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，激光掃描技術(shù)的成本持續(xù)降低，因此可以利用激光雷達(dá)快速獲取料堆精度比較高的三維數(shù)據(jù)，并且通過(guò)所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行料堆三維模型的重建。

2.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀是一種具有高點(diǎn)位測(cè)量精度、高密度空間點(diǎn)、速度快并且融合激光反射強(qiáng)度和物體色彩等信息的，基于大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)采集的非接觸式的主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。其主要是由兩部分組成，分別是一組反射棱鏡以及激光測(cè)距儀。通過(guò)激光測(cè)距儀發(fā)射高速激光并經(jīng)過(guò)所測(cè)物體表面得到相關(guān)的反射信號(hào)，再返回測(cè)距儀中，以達(dá)到測(cè)距的目的。

并且可以通過(guò)掃描儀至掃描點(diǎn)的斜距等相關(guān)信息建立每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖1 所示。

圖1 激光掃描儀坐標(biāo)系

三維激光掃描儀是通過(guò)利用激光測(cè)距儀發(fā)出激光脈沖信號(hào)，這一激光信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)對(duì)象的表面形成漫反射之后，將激光信號(hào)反傳至測(cè)距儀的接收器，將脈沖測(cè)距法獲得測(cè)距觀測(cè)值S，精密時(shí)鐘控制編碼器則同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α 和縱向掃描角度觀測(cè)值θ。三維激光掃描測(cè)量一般采用其儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)P，X 軸與Y 軸都是處在橫向的掃描面之內(nèi)，并且X、Y軸相互垂直，Z 軸與橫向掃描面垂直。由此可得三維激光腳點(diǎn)P 坐標(biāo)(XS,YS,ZS)的計(jì)算公式如式（1）所示。

2.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)的成果形式

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)：三維激光掃描所采集的離散數(shù)據(jù)是目前對(duì)物體現(xiàn)狀進(jìn)行檔案保存最快捷、最完整并且最精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對(duì)實(shí)際物體的尺寸進(jìn)行真實(shí)的復(fù)原，其中不僅包括所檢測(cè)對(duì)象的反射率信息和空間尺寸信息，而且結(jié)合高解析度的外置數(shù)碼相機(jī),能夠?qū)ξ矬w的紋理色彩信息進(jìn)行逼真的保留；結(jié)合全站儀、GPS 等其他測(cè)量?jī)x器，可將整個(gè)掃描數(shù)據(jù)置于一定空間坐標(biāo)系內(nèi)。并且可以通過(guò)專用的點(diǎn)云瀏覽軟件，對(duì)物體的大小、角度、面積、體積等進(jìn)行漫游、瀏覽、量測(cè)，完全在點(diǎn)云中實(shí)現(xiàn)。它取代了傳統(tǒng)的測(cè)量的方式，將物體直接移至計(jì)算機(jī)內(nèi)，利用點(diǎn)云完成計(jì)算機(jī)內(nèi)傳統(tǒng)的資料測(cè)繪工作。激光雷達(dá)準(zhǔn)直性好，發(fā)散角很小，因此，可以使得掃描儀進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描，更好地適應(yīng)測(cè)量環(huán)境非常復(fù)雜的情況，所以在很多無(wú)人駕駛系統(tǒng)上，大多都去選擇使用激光雷達(dá)當(dāng)作三維輪廓數(shù)據(jù)獲取的傳感器。

2.3 數(shù)據(jù)濾波

由于激光雷達(dá)對(duì)灰塵、雨水、光線的敏感度較高，容易受環(huán)境的影響，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取時(shí)，其中原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往包括很多噪聲干擾，為了提高三維重建數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要采用合適的濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理。常用的濾波方式有中值濾波、鄰域?yàn)V波和高斯濾波等。

3 數(shù)學(xué)高程模型DEM

數(shù)學(xué)高程模型DEM（Digital elevation model）是DTM 中最基本的部分，它是對(duì)地形地貌表面的一種離散的數(shù)學(xué)表達(dá)。其表達(dá)具有多樣性，容易以多種形式顯示地形信息；其精度恒定，常規(guī)地圖隨著時(shí)間推移，圖形一般會(huì)變形，然而，若是采用DEM 這種數(shù)字媒介，則可以保持其精度相對(duì)穩(wěn)定不變，更新更具有實(shí)時(shí)性，也更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化，并且也具有多比例尺的特性。

3.1 DEM 數(shù)據(jù)類型

DEM（Digital elevation model）的數(shù)據(jù)模型主要有規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型。

（1）規(guī)則格網(wǎng)模型。規(guī)則格網(wǎng)是將區(qū)域空間分為規(guī)則的網(wǎng)格單元，這些網(wǎng)格單元形狀可以是三角形、矩形等，但是其中正方形最普遍，每個(gè)網(wǎng)格單元都對(duì)應(yīng)了一個(gè)高程值。而規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以讓計(jì)算機(jī)更加方便地進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并且由于簡(jiǎn)單的算法以及拓?fù)潢P(guān)系，目前其是行業(yè)應(yīng)用最普遍的一種模型。

（2）等高線模型。等高線模型中每條等高線對(duì)應(yīng)一個(gè)已知的高程值，這樣一系列等高線集合和它們的高程值就構(gòu)成了一種地面高程模型，可以更加直觀地描述地形的表面，方便觀察和理解地形表面的規(guī)律。

（3）不規(guī)則三角網(wǎng)模型。不規(guī)則三角網(wǎng)模型是另一種地理數(shù)據(jù)類型，很多沒(méi)有規(guī)則離散分布的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)是可以通過(guò)建立三角網(wǎng)、四邊形以及用其他多邊形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型的建造的，其中三角形是最簡(jiǎn)單的一種。目前最普遍使用的是Delaunay 三角網(wǎng)剖分。

3.2 DEM 數(shù)據(jù)的分布特征

數(shù)據(jù)高程模型DEM（Digital elevation model）其數(shù)據(jù)所采用的觀測(cè)方法以及其獲取的途徑有很大的不同，所以在數(shù)據(jù)分布規(guī)律方面有相對(duì)明顯的差異，按照空間分布特征可以將其分為兩類：離散數(shù)據(jù)和網(wǎng)格狀數(shù)據(jù)。

（1）離散數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于測(cè)量手段的限制，地理位置上的全部觀測(cè)值是很難完全得到的，并且規(guī)則網(wǎng)數(shù)據(jù)同時(shí)也不能獲取，這時(shí)就需要得到離散數(shù)據(jù)。其中分布沒(méi)有那么規(guī)則的離散點(diǎn)的二維坐標(biāo)也可以實(shí)現(xiàn)定位二維的地理空間位置，第三維也可以是屬性特征值或者是高程。

（2）網(wǎng)格狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。將DEM 所覆蓋的區(qū)域分別劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，其中每個(gè)網(wǎng)格的形狀和大小都是一致的，再用對(duì)應(yīng)的矩陣元素的行列號(hào)去定位每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的相應(yīng)的二維空間位置，而在第三維為特征值依舊可以是屬性或者為高程。相比離散數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格DEM 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是前者的1/2，這樣更便于檢查和管理，也更適合進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.3 離散數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

由于通過(guò)激光掃描儀所獲取的數(shù)據(jù)，在掃描過(guò)程中往往會(huì)由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的因素，導(dǎo)致間隔不相等問(wèn)題，所以，要想獲得更精確的數(shù)據(jù)，需要將濾波完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，將平面分布的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化，也就是上述的網(wǎng)格狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。規(guī)范化處理的過(guò)程中需要采用適當(dāng)?shù)牟逯涤?jì)算方法，保證不丟失所掃描對(duì)象的地理特征，并且不影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。在新昌電廠卸船機(jī)無(wú)人接卸系統(tǒng)船艙和艙內(nèi)物料的應(yīng)用中，采用加權(quán)平均算法，將分布在同一個(gè)網(wǎng)格的點(diǎn)的高度值Z 進(jìn)行均值化，其計(jì)算速度快，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)以上網(wǎng)格規(guī)范化后會(huì)產(chǎn)生某些網(wǎng)格空數(shù)據(jù)的情況，在這種情況下，就需要進(jìn)行選用合適的值進(jìn)行插值處理，由于計(jì)算實(shí)時(shí)性以及計(jì)算量等問(wèn)題，在此次項(xiàng)目中采用按距離平方倒數(shù)加權(quán)法，這樣就可以建立一個(gè)網(wǎng)格DEM。

在進(jìn)行規(guī)范化處理后，就可以進(jìn)行重建料堆表面，觀測(cè)圖像灰度值來(lái)進(jìn)行距離遠(yuǎn)近的探測(cè)。

4 應(yīng)用效果

新昌電廠卸船機(jī)無(wú)人接卸系統(tǒng)中，在卸船機(jī)大梁中部的位置面向下安裝兩臺(tái)激光雷達(dá)。為了可以獲取整個(gè)船艙的三維表面輪廓數(shù)據(jù)，獲取方式是通過(guò)大車移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)船體進(jìn)行掃描測(cè)量。另外，在接卸過(guò)程中，為了實(shí)時(shí)更新艙內(nèi)的料堆模型，雷達(dá)會(huì)在抓斗離開(kāi)船艙向陸側(cè)運(yùn)行后，實(shí)時(shí)對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行掃描（圖2）。

圖2 卸船機(jī)雷達(dá)布局

4.1 三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程

（1）要對(duì)整體散貨料堆進(jìn)行掃描，建立初始結(jié)構(gòu)；（2）對(duì)目前實(shí)時(shí)區(qū)域進(jìn)行掃描更新，去計(jì)算下次的抓取位置，根據(jù)抓斗目前所張開(kāi)的尺寸搜索區(qū)間的遞進(jìn)方向，接下來(lái)繼續(xù)進(jìn)行區(qū)間的遍歷掃描，對(duì)每個(gè)掃描的位置進(jìn)行評(píng)估，得出此時(shí)位置的抓取效率的估計(jì)值，找到效率最高的一個(gè)位置進(jìn)行取料；（3）對(duì)抓取后的局部區(qū)域進(jìn)行模型重建。

總的來(lái)說(shuō)，取得船艙艙口數(shù)據(jù)并獲取船艙內(nèi)準(zhǔn)確的散貨物料的三維輪廓和相關(guān)抓取點(diǎn)坐標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)抓斗卸船機(jī)自動(dòng)抓取的關(guān)鍵所在。根據(jù)新昌電廠卸船機(jī)自動(dòng)作業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量很大，所以需要先進(jìn)行濾波、去消除噪聲等冗余數(shù)據(jù)，完成后再進(jìn)行規(guī)范化處理。這樣可以快速并且更加準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且消除一定量數(shù)據(jù)誤差。進(jìn)行以上的數(shù)據(jù)處理之后，就可以生成DEM 數(shù)據(jù)，并且根據(jù)其進(jìn)行船艙內(nèi)部物料的重新繪制，最后可以根據(jù)灰度值來(lái)判斷物料距離的遠(yuǎn)近。

4.2 常見(jiàn)問(wèn)題與解決方法

基于DEM 的三維模型重建目前已在新昌電廠卸船機(jī)全自動(dòng)作業(yè)的艙內(nèi)物料分布建模中得到了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。工程應(yīng)用中，以下幾點(diǎn)值得注意。

（1）小車在海陸兩側(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因軌道不平等原因，大梁會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，有時(shí)幅度較大，雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)基準(zhǔn)會(huì)發(fā)生小幅偏移，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)建模產(chǎn)生負(fù)面影響。軟件可以匯總兩臺(tái)雷達(dá)的獨(dú)立數(shù)據(jù)，降低偏差值。

（2）電廠來(lái)煤品種較多，有的煤種煤質(zhì)不好，抓斗抓取后粉塵升騰飄散，因激光雷達(dá)波長(zhǎng)與粉塵顆粒尺寸相近，在雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)誤判為料堆輪廓，從而對(duì)建模結(jié)果產(chǎn)生很大干擾。軟件可以采用關(guān)聯(lián)濾波等方法，剔除粉塵干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，基于DEM 的三維模型重建技術(shù)在卸船機(jī)艙內(nèi)物料分布建模中的應(yīng)用效果良好，較好地滿足了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在實(shí)踐應(yīng)用中有效解決了雷達(dá)基準(zhǔn)偏移和點(diǎn)云數(shù)據(jù)受粉塵干擾等問(wèn)題，提高了建模的準(zhǔn)確性和還原度，具有較好的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。