一种基于标定板的集装箱起重机3D激光扫描标定方法

李孟涛 吴 翔

上海振华重工(集团)股份有限公司 上海 200125

0 引言

3D激光扫描系统能够快速扫描目标物体的点云数据[1]，已在工业检测、汽车自动驾驶、空间目标识别追踪、山体滑坡预警等领域得到了广泛应用[2-4]。全自动码头不仅可以提高生产效率，改善操作者的工作环境，降低劳动强度，还可以提高港口的综合竞争力。在自动化码头运行过程中，需要多种激光和视觉传感器互相配合才能完成设备之间的交互。在作业过程中，更换设备后，由于安装位置的变化，需重新标定传感器，手动标定方法耗时费力，操作复杂；本文提出的基于标定板的标定方法，能够提高标定的效率和精度，减少标定时间。

3D激光器的标定原理主要包含以下4方面：1）3D激光器坐标系中识别标定板坐标；2）通过莱卡全站仪测量起重机坐标系中标定板的坐标；3）3D激光坐标系到起重机坐标系的转换；4）借助PLC控制系统实现自动化标定3D激光扫描系统的流程。本文实验选用SICK-LMS511-20100激光器，实验所用的标定板上的贴膜采用钻石级漫反射感应膜，激光点打到该贴膜上能返回较高的能量值，能量值范围0～255，根据能量值能够识别出标定板的坐标[5]。通过实验对标定精度和集装箱的检测精度进行测试，满足使用需求。

1 3D激光器扫描原理

图1说明了坐标系中各点的定义，其中O点是光心G点在电机转动轴垂足点。A点和G点同处于激光器的中心线上，且有OA⊥AG。图2是在O点建立的三维坐标系图。故对于激光器而言，O点是旋转点，光心G点相对于O点在Z-Y平面中转动。当系统装配完成后，OA与AG值便已确定。3D转动机构利用激光测距原理和伺服马达转动，准确再现了被测物体的空间位置关系，是实现3D激光数据采集的主要工具。

图1 系统各点定义说明

图2 O点建立的三维坐标系图

现针对O点建立坐标模型（见图3），O点是激光器旋转点，G点是光心点，B点是扫描采样点。其中OA=d1，GA=d2，在采样时刻，系统获取激光器扫描角α，马达转动角度β，扫描距离GB=l。在任意的时刻，OA、GA的长度是定值，且有OA⊥AG。

经计算，采样点B处的三维坐标值为

2 3D激光器基于标定板的标定原理

建立3D激光坐标系与通过莱卡全站仪建立的起重机坐标系之间的转换关系。利用3个有结构关系的标定板，在起重机坐标系中测量3个标定板的坐标Pw；在3D激光器坐标系中测量3个标定板的坐标PO；建立PO与Pw之间的转换关系矩阵(旋转矩阵R/平移矩阵T)，即为3D激光坐标系到莱卡坐标系的转换关系[6-8]。

1)在3D激光器能扫描的范围内，安装3个标定板a、b、c；a与c之间的连线与大车方向平行，a与c在同一高度，b低于a和c，a、b、c组成三角形结构，大车方向为X轴，小车方向为Y轴，高度方向为Z轴，安装关系如图4所示。

图4 标定板位置与坐标系

2)通过莱卡全站仪建立起重机坐标系，X轴为起重机大车方向，Y轴为起重机小车方向，Z轴为起重机起升方向。把棱镜放置于贴片中心，利用莱卡全站仪测量 3 个标定板的坐标Pw：a(xa，ya，za)、b(xb，yb，zb)、c(xc，yc，zc)；记录此时小车位置S0(x0，y0，z0)。把标定板坐标和小车位置写入软件的配置文件。莱卡测量设备如图5所示。

图5 标定板与测量设备

3)在3D激光扫描坐标系中，开启3D扫描，通过算法识别出3个标定板的坐标PO：d(xd，yd，zd)、e(xe，ye，ze)、f(xf，yf，zf) ；算法识别出的标定板如图6中的d、e、f，图像中的点云数据颜色根据不同的能量值进行显示，标定板能量值最高，显示为红色。

图6 3D扫描系统识别出的标定板坐标d、e、f

4)计算坐标PO与Pw之间的转换矩阵关系，建立Oxyz到wxyz之间的转换关系Pw=Rt·P t+Tt+S0，然后把（R，T）写入软件的配置文件。

3 3D激光器自动标定原理

3D机构硬件设备更换或者位置调整后，需要重新标定，在PLC控制系统中写一个自动标定流程，把小车开到标定位置，给3D扫描系统发送标定指令，3D扫描系统会自动扫描并识别出标定板，然后计算出转换关系（R，T）并写入配置文件。

图7 集装箱的标定流程

4 标定板标定精度测试

标定精度实验用了3组莱卡的测量数据。对3组莱卡数据标定完成后，把起重机小车开到标定位置，然后开启扫描指令，获取激光器点云数据，根据激光器反射能量值识别出标定板坐标，并与标定板在莱卡全站仪下的坐标进行对比分析，坐标误差小于10 mm，满足应用需求。测试数据如表所示。

5 集装箱的识别精度测试

2D激光器采用SICK激光器，型号为SICKLMS511-20100；电机型号为EC-max40+CSF-11；转动机构马达编码器值范围0～65 536；激光器离箱子表面的高度为20 m。在地面上做箱子的范围标记，把箱子扭转和平移后，测量并计算集装箱的平移和扭转数据，集装箱标记位置如图8所示。采集集装箱3D数据，并识别计算箱子的位置信息，包括大小车方向偏移距离和扭转角度；测试6组数据，计算实际测量值和3D扫描值，对数据结果进行误差分析。测试数据如表2所示。

表2 3D扫描系统检测箱子精度测试数据记录

图8 测量集装箱位置标记

表1 标定精度测试记录

在码头自动化运行过程中，吊具抓集装箱的精度要求为：大小车方向误差±30mm，扭转角度误差±0.28°。从测试结果来看，满足起重机自动化抓箱需求。

6 结语

在3D激光扫描系统应用过程中，传统的标定方法费时耗力，对调试人员的要求较高；且标定后需对检测精度进行测试，影响起重机作业。本文提出了一种基于标定板的应用于集装箱起重机3D激光扫描仪的标定方法，该方法标定精度高、操作简单；通过借助PLC的自动控制流程，可实现一键标定，方便现场操作人员的维护；本文对该方案标定精度和检测集装箱位置精度进行了测试，该标定及检测精度在自动化作业精度要求范围内，起重机能够使用检测结果进行自动化作业。