三维建模技术在垃圾吊抓料自动控制的应用研究

陈洋，周明，曾峥，肖燃，江学文，王宇聪

（1.德阳和新环保发电有限责任公司，四川 德阳 618003；2.中电国际新能源控股有限公司，上海 200086；3.杭州集益科技有限公司，浙江 杭州 311200）

随着国民经济发展和国家新能源发展政策的支持，生活垃圾焚烧发电产业近10 年得到了迅猛发展，已成为我国垃圾处理的主要方式。国内专家学者对垃圾吊全自动化控制展开了研究。李力等利用三维定位技术，提出了桥式起重机空间避让策略。胡阳军等研究了无人化垃圾吊全自动控制系统的功能要求。聂福全等通过对垃圾高度、区域划分、防摇摆、全自动工艺优先级等关键技术的研究，提出了全自动垃圾吊技术方案。张冒等基于“PLC+2D 激光雷达”硬件结构，提出垃圾表面高度测量方法以及网格划分邻域点差值法选择垃圾安全取料位置，实现了垃圾搬运起重机的全自动、无人值守运行。本文利用激光扫描系统，建立垃圾库和投料区的三维模型，利用网格法分析可选取料点周围的坡度，确定平坦安全取料点，同时监测垃圾吊抓斗抓料时倾斜状态，确保垃圾吊抓取料安全，成为垃圾吊全自动控制关键技术之一。

1 激光扫描系统

激光扫描系统包括系统服务器、2 套垃圾库激光扫描装置、2 套投料区激光扫描装置，激光扫描装置的扫描数据实时传输至系统服务器。

2 套投料区激光扫描装置分别布置于2 个投料区的上方，用于扫描投料区内部物料和边缘的全景信息。投料区激光扫描装置包括固定支架、角度调节机构、激光扫描仪。固定支架安装于垃圾库固定建筑物上，角度调节机构通过螺丝固定于固定支架，激光扫描仪通过螺丝固定于可调节角度安装支架。固定支架为不锈钢材料，用于将整个装置固定在垃圾库的固定建筑物上。角度调节机构为不锈钢材料，用于安装时调节激光扫描仪的角度。激光扫描仪为固定视角的、采用非重复式扫描技术的激光扫描仪。角度调节机构采用三维万向节结构，可左右旋转和上下俯仰调节激光扫描仪的照射角度。

2 套垃圾库激光扫描装置，分别布置于垃圾库一侧的2 端上方，每套为4 台激光扫描仪组合而成，通过调整激光扫描仪的安装角度，确保料堆内全场无死角，库内物料不被遮挡，实现8 台扫描仪实时生成垃圾库全景点云数据。系统服务器布置于控制机房，用于接收激光扫描装置的激光扫描数据，建立垃圾库和投料区的物料三维模型和边缘三维模型，抓斗抓料时，选取平坦安全的目标取料点，并实时监测抓斗抓料时的倾斜状态，确保垃圾吊抓料时的安全倾斜角度，避免发生倾覆等安全事件。

2 三维建模

通过对整个垃圾库的测绘定位参数，以垃圾库中心靠近投料区一侧边缘中点为O 原点建立坐标系，令该坐标系为场地坐标系，已知垃圾库长宽均为固定值，由全站仪测量得出，测量得垃圾库长宽高度分别为，坐标系Y 轴对应垃圾库宽度，坐标系X 轴对应垃圾库长度。

通过测量得扫描仪安装位置，旋转角度，得扫描仪坐标系至场地坐标系的变换矩阵：

对各台扫描仪点云数据，采用ICP（Iterative Closest Point，迭代最近点）算法进行拼接，得到垃圾库的整体三维模型，如图1 所示。

图1 垃圾库三维模型

3 抓料点选择

3.1 垃圾库网格化

根据垃圾库长宽高将场地按照Grid 粒度进行划分，得X 轴方向点数量为Num1=LG/Grid，Y 轴方向点数量为Num2=WG/Grid,将长和宽二边上的点分别记为集合XHead={x1i|i∈[1,Num2]},YHead={yi1|j∈[1,Num1]}。依次遍历集合XHead、YHead，过XHead中元素做横线，过YHead做竖线得一系列交点，构成垃圾库网格点集合MP。

由于Grid 粒度远大于扫描仪原始点云，即点Pij周围会存在若干点云坐标。Pij点高程可定为这些原始点云坐标高程的平均值：对以Pij为中心，边长为Grid 的正方形区域内扫描仪点云进行高程平均值计算,得Pij高程。

3.2 安全抓料点判定

对满足抓斗抓料空间要求的工作区域，遍历所有点坐标，选取出符合条件的抓料点。

计算每个目标取料点工作区域的坡度：

对目标取料点坐标T(xT,yT,zT)，设抓斗工作区域半径为r1，对该点周围进行n 次遍历次判断,其中n=(r1/Grid)2，得到M=r1/Grid 行，N=r1/Grid 列的区域，遍历该区域中的网格点，计算其与目标取料点的斜率，将区域内的网格点记为：

将Dir 投影在XY 平面得：

根据垃圾库工作技术要求，设定适合垃圾吊正常作业的物料坡度阈值为THD,，若存在一定数量的则认为该取料点周围平坦，可判定该目标取料点为安全取料点。

在所有安全取料点中，进一步加以限制条件，选择高程最大的一个安全取料点，作为最终目标取料点。

4 抓斗倾角分析

4.1 抓斗点云提取

将定位装置坐标转换到场地坐标系下：

已知抓斗半径为rc, 抓斗垂直方向长度为Hc, 得一个长方体区域，其对角线上二点坐标分别为：

从扫描仪的场地点云集合MG，剔除所有不在该长方体区域内的点集，得抓斗点云集合MG，提取出的抓斗点云数据图像如图2 所示。

图2 提取出的抓斗点云数据图像

4.2 抓斗二维轮廓线提取

将抓斗点云集合投影到XZ，YZ 平面得投影点云集合MCxz，MCyz对抓斗点云集合根据高程进行遍历，提取抓斗左右侧轮廓。由于抓斗长度已知，抓斗位置高程已知，得抓斗底部Z 轴坐标为ZB，顶部Z 轴坐标为ZT。根据扫描仪点云粒度设置步长ZTick，根据高程对抓斗投影点云进行MCxz，MCyz遍历,可得点云集合，即抓斗XZ平面投影的左右轮廓PLeftxz，PRightxz以及YZ 平面投影的左右轮廓PLeftxz，PRightxz。

4.3 抓斗倾斜角计算

根据抓斗固定的机械结构，在保持抓斗张开时，通过同时遍历左右轮廓可以找到唯一一对边l1，l2，l1，l2夹角固定为θ，这对边上的点云满足特征，l1，l2上向量夹角为β 且θ-β ＜ε，ε 为一个固定微小值，表示θ 与β 差距极小。

遍历PLeftxz、PRightxz，如下：

设遍历两点之间的索引下标相差定值为k,令m=i，n=j，得向量。

令Count=0

若θ-β1＜ε，则Count=Count+1，m=m+1，n=n+1。

循环判断直到m=i+k-1，n=i+j-1 如果最终Count大于等于设置的次数阈值THDCount，则将PXZ(i+k)1加入集合FXZ，PXZ(i+k)2加入集合FYZ，最终得两条固定边集合FXZ，FYZ，采用ransac 算法进行直线拟合，得l1和l2，计算l1，l2的夹角中心线lc，计算XZ 平面投影，抓斗中心线与Z 轴夹角。

5 结语

生活垃圾焚烧发电已成为我国当前垃圾处理的主要方式。垃圾吊的全自动控制正成为业界的研究重点。本文利用激光扫描系统，建立垃圾库和投料区的三维模型，利用网格法分析可选取料点与取料区间范围的坡度，确定平坦安全取料点及最优取料点，同时监测垃圾吊抓斗抓料时倾斜角度，确保垃圾吊抓取料安全，成为垃圾吊全自动控制关键技术之一。

对各台扫描仪点云数据，采用ICP 算法进行拼接，得到垃圾库的整体三维模型。

对满足抓斗抓料空间要求的工作区域，通过遍历法，选取出符合坡度条件的抓料点集合。选择高程为最大的一个安全取料点，作为最终目标取料点。

通过对抓斗点云提取、轮廓提取，再拟合轮廓边线，计算2 条边线的中心线，进而计算抓斗的倾角，实时监测抓斗抓料时安全状态。