CN106017351B - 一种用于集装箱识别定位的3d数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于集装箱识别定位的3D数据采集系统及方法，系统包括数据处理器和分别与数据处理器连接的2D激光扫描仪、电机驱动器、惯性器件和交换机。本发明结构相对简单，且易于实现，同时结合多传感器数据融合技术，对探测目标实现高精度和快速扫描。本发明以技术成熟的2D激光扫描仪和高精度伺服电机为基础，开发高精度转动云台。在2D激光扫描仪的基础上，增加一个转动轴向的转动量。通过对相关传感器数据的计算得到三维点云数据。本发明可解决轮胎式集装箱起重机自主识别目标集装箱位置的功能需求；也可解决轮胎式集装箱起重机在作业过程识别箱区轮廓及位置的需求。对提升起重机作业效率和安全性起到关键的作用。

Description

一种用于集装箱识别定位的3D数据采集系统及方法

技术领域

本发明属于物体识别及位置检测技术，具体涉及一种用于集装箱识别定位的3D数据采集系统及方法，应用在集装箱码头的轮胎式集装箱起重机上对集装箱进行三维识别与定位。

背景技术

当前国内集装箱码头在发展自动化的过程中都遇到需要对堆场中的集装箱进行高精度地识别和定位。而采用2D激光装置和现有的3D激光装置虽然能在一定程度上描绘出扫描面内的箱区轮廓，但是无法实现邻近位置的集装箱位置和姿态信息的检测。

在使用2D激光扫描仪进行目标物体识别和位置检测过程中，由于2D激光只能在一个扫描面内实现激光扫描，所以只能对扫描目标物的某一个截面进行检测。而通常情况下，扫描目标物体表面并非规则形状，如果只对某一个截面进行扫描和识别，无法得到完整表面信息。而且现有的3D激光产品都为国外公司生产的利用多线激光或双棱镜反射技术实现的整套性的产品，如果应用这些3D激光产品来对集装箱进行识别和定位，获取的数据稀疏，对目标物体扫描和识别存在较大的误差，无法满足应用的需要。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种用于集装箱识别定位的3D数据采集系统及方法，利用设置在转动云台上的2D激光扫描仪，并配以多传感器融合算法，持续获取统一坐标系下的三维空间点云数据，进行实时计算从而获取集装箱的三维位置与姿态。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于集装箱识别定位的3D数据采集系统，包括数据处理器和分别与数据处理器连接的2D激光扫描仪、电机驱动器、惯性器件和交换机；所述2D激光扫描仪设置在转动云台上，所述转动云台通过联轴器与伺服电机的减速器连接；所述2D激光扫描仪通过数据线与数据处理器连接，用于将实时扫描的集装箱的二维数据传输给数据处理器，同时按数据处理器发出的控制命令进行扫描；所述数据处理器通过信号线与电机驱动器连接，用于接受数据处理器发出的指令控制伺服电机带动云台在垂直方向上转动；所述惯性器件通过数据线与数据处理器连接，用于将检测到的2D激光扫描仪的位置变化信息和姿态变化信息传送给数据处理器；所述交换机通过数据线与数据处理器连接，用于将数据处理器计算得到的三维点云数据输出给外部设备。

本发明还提供了一种用于集装箱识别定位的3D数据采集方法，包括如下步骤：

步骤一、利用2D激光扫描仪扫描获取点云数据，得到原始3D激光坐标系下的坐标值：

设定2D扫描仪的扫描方向为水平方向，转动云台的转动方向为垂直方向；2D激光扫描仪每隔40ms收集一次激光扫描面的扫描信息；伺服电机以匀速带动云台从而带动2D激光扫描仪旋转，在每次收集激光数据的最后一个点的时刻通过读取一次电机编码器数据采集一次云台转动角度信息；

步骤二、将原始3D激光坐标系下的坐标值变换到统一的大地坐标系下的坐标值：

惯性器件以50Hz的频率向数据处理器发送2D激光扫描仪的位置变化信息和姿态变化信息，确保系统在每一个电机编码器数据刷新周期内获取一次位置变化和姿态变化周期；数据处理器通过具备RTK功能的GPS芯片模块在0.1秒周期后对位置信息进行矫正，获得空间位置相对于原点的变换位移量(Δx，Δy，Δz)和姿态变化角度量(α，β，γ)；然后按如下公式计算三维点云数据(x_n，y_n，z_n)：

x_n＝(Dl_n×cosθ_n+Δx)cosα

对于空间坐标系中的某一点n来说，θ_n为在获取该点数据时刻2D激光扫描仪内部电机相对于0位的转动角度，为在获取该点数据时刻云台的转动角度，Dl_n为该点的激光扫描仪测量的距离；

步骤三、将三维点云数据中n点的位置信息(x_n，y_n，z_n)以PCD文件格式保存并输出给外部设备。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明结构相对简单，且易于实现，同时结合多传感器数据融合技术，对探测目标实现高精度扫描。本发明以技术成熟的2D激光扫描仪和高精度伺服电机为基础，开发高精度转动云台。在2D激光扫描仪的基础上，增加一个转动轴向的转动量。通过对相关传感器数据的计算得到三维点云数据。

本发明提供两种扫描方式，一种称为高精度扫描，另一种称为快速扫描。高精度扫描方式可解决轮胎式集装箱起重机自主识别目标集装箱位置的功能需求；快速扫描可解决轮胎式集装箱起重机在作业过程识别箱区轮廓及位置的需求。对提升起重机作业效率和安全性起到关键的作用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本系统的结构示意图；

图2三维激光位移变换坐标示意图；

图3三维激光姿态变换坐标示意图。

具体实施方式

一种用于集装箱识别定位的3D数据采集系统，如图1所示，包括：2D激光扫描仪1、转动云台2、联轴器3、减速器4、伺服电机5、电机驱动器6、数据处理器7、惯性器件8、交换机9、GPS天线10等，其中：

所述数据处理器7分别与2D激光扫描仪1、电机驱动器6、惯性器件8、交换机9和GPS天线10连接；其中：

所述2D激光扫描仪1设置在转动云台2上，转动云台2通过联轴器3与伺服电机5的减速器4连接；所述2D激光扫描仪1通过数据线与数据处理器7连接，用于将实时扫描的集装箱的二维数据传输给数据处理器7，同时按数据处理器7发出的控制命令进行扫描；所述数据处理器7通过信号线与电机驱动器6连接，用于接受数据处理器发出的指令控制伺服电机带动云台2在垂直方向上转动；所述惯性器件8通过数据线与数据处理器7连接，用于将检测到的3D激光扫描仪设备整体的位置变化信息和姿态变化信息传送给数据处理器7；所述交换机9通过数据线与数据处理器7连接，用于将数据处理器7计算得到的三维点云数据输出给外部设备；所述GPS天线10通过同轴馈线与数据处理器7连接，用于将其接收到的GPS卫星信号传送到数据处理器7中的GPS芯片模块，GPS芯片模块通过计算得出3D激光扫描仪设备的位置信息。

该装置的高精度伺服电机通过联动机构带动云台在垂直方向上转动，从而带动安装在云台上的2D激光扫描仪在与云台中轴线垂直的平面内扫描。

所述惯性器件包含3轴陀螺和3轴加速度计，其以每秒50hz的频率向数据处理器7发送3D激光扫描仪位置变化信息和姿态变化信息，能保证本系统在每一个电机编码器数据刷新周期内获取一次位置变化和姿态变化周期。

本发明还提供了一种用于集装箱识别定位的3D数据采集方法，包括如下步骤：

步骤一、利用2D激光扫描仪扫描获取点云数据：

在本系统中，设定2D扫描仪的扫描方向为水平方向，转动云台的转动方向为垂直方向；2D激光扫描仪以每40ms的时间内收集一次激光扫描面的扫描信息。伺服电机以匀速带动云台从而带动2D激光扫描仪旋转，以每次收集激光数据的最后一个点的时刻读取一次电机编码器数据。

同时本发明采用了两种扫描方式，其一提供了更高的扫描精度，称之为精确扫描模式；其二提供了更快的扫描速度，称之为快速扫描模式；两种方式分辨满足了在使用中更高精度和更高实时性两种需求。高精度扫描是指在6秒中的周期内，本系统可提供横向190度，纵向10度的扫描视角，并在这个空间内，以横向角度分辨率为最小0.125度和纵向角度分标率最小0.06度，均匀扫描获得不小于17万的点云数据。快速扫描是指在1秒周期内本系统可提供横向190度，纵向50度的扫描视角，并在这个空间内以横向角度分辨率最小0.125度和纵向角度分辨率最小2度，均匀获得不小于3万点的点云数据。

在精确扫描模式下，在水平方向上保持2D激光扫描步进0.1667度的分辨率。而在垂直方向上，为了保证更高的分辨率，本发明通过降低云台转速的方式，使每一个激光扫描仪的2D扫描周期内，云台只旋转0.06度，以得到0.06度的垂直方向分辨率。根据使用需求的不同，精确扫描可以设置不同的转动角度，其最大的扫描范围为+50度～-50度，最大扫描范围的周期为1分钟。根据集装箱码头轮胎式起重机(下简称RTG)对自动抓取集装箱的精度要求两个集装箱堆放偏离误差不应超过4cm，本系统的扫描装置(云台和2D激光扫描仪)应安装于RTG的小车平台上方，距离地面高度为20米左右。那么通过计算两个2D激光扫描周期的点云间隔，可以得到：

d_n＝sin(n×0.06)×20

d_n+1＝sin(n×0.06+0.06)×20

Δd＝d_n+1-d_n≈sin0.06×20＝0.02米＝2厘米

Δd为3D激光纵向角分辨率在20米距离时的精度误差，可以满足集装箱自动对箱的要求。

在快速扫描模式下，在水平方向上，保持2D激光扫描步进0.1667度的分辨率。而在垂直方向上，为了保证更快的扫描速度，本发明通过加快云台转速的方式，使每一个激光扫描仪的2D扫描周期内，云台旋转2度，得到2度的垂直方向分辨率，但同时其最大的扫描范围为+50度～-50度，最大扫描范围的周期为4秒钟。根据RTG在箱区中作业的实际情况，可对快速扫描进行0～50度扫描范围的设置。此时，每一个快速扫描周期为2秒，而在半个扫描周期中，即可得到小车从垂直地面到前后50度范围的箱区数据。一般情况下，RTG小车最大速度为2米/秒。假设3D激光系统安装于小车平台上，距离地面20米，而按照码头堆场最高可摆放6层箱的要求，第六层箱顶面距离地面为17.4米。假设码头要求RTG小车以最大速度越过6层高的高箱，假设码头设置吊具的保护距离为1米。可以计算，3D激光在1秒钟的时间内完成50度的扫描，而在17.4米高度上的扫描长度为：

d_l＝tan50×(20-17.4)＝3.1

而小车最大速度为2m/s。则在激光进行快速扫描的同一时刻，小车最多走2米，即使前方有6层箱仍有1.1米的保护距离。满足实时性的要求。

本发明中，为了获取均匀精确的垂直扫描角度分辨率的数据，采用了高精度的伺服驱动电机，在两种模式中由于转速的不同，电机转速的波动变化也有所不同。在快速扫描模式中，电机转速变化波动小于5％；在高精度扫描模式中，其转速变化波动小于2％。

本发明采用2D激光扫描仪为基础传感器件，通过转动云台，摆动激光扫描仪的2D扫描平面，实现3D数据的采集功能。2D扫描仪的扫描方向为水平方向，激光云台的转动方向为垂直方向。两个转动轴的转动角度，结合一个时间段内激光发射及接收所获得的距离数据，可计算得到空间中，激光射出的所有点的空间坐标(x,y,z)。在每一个2D激光扫描周期的最后一个点数据获取到后，采集一次云台转动角度信息(即电机编码器数据)即可获得3D数据的采集。

步骤二、将原始3D激光坐标系下的坐标值变换到统一的大地坐标系下的坐标值：

为了解决3D激光在移动过程中发生的位移变化和姿态变化，导致在不同时间内所得数据的坐标系不唯一问题。本发明嵌入了多种传感器进行数据融合校准。本发明内部包括惯性器件模块，GPS模块。惯性器件包含3轴陀螺和3轴加速度计，其负责以50Hz的频率向系统发送位置变化信息和姿态变化信息，能保证本系统在每一个电机编码器数据刷新周期内获取一次位置变化和姿态变化周期。但其传感器在使用过程中，随着使用时间的增长，会发生误差累计。本发明使用具备RTK功能的GPS模块在0.1秒周期后对位置信息进行纠正。这样在激光的移动过程中，本系统可以在每一个激光扫描周期获取3D激光作为刚体在空间中的位置变化和姿态变化。

图2和图3中，可以看到本系统从惯性器件和GPS模块中分别接收高频位置信息和低频位置信息，通过内部数据融合算法，使用GPS信息矫正惯性器件处理的位置结果。获得空间位置变换位移量(Δx，Δy，Δz)和姿态变化角度量(α，β，γ)。对每一个点来说，都可以根据在原始3D激光坐标系下的坐标值，通过空间坐标系的变化，得到统一的大地坐标系下的坐标值，以解决3D激光移动中，坐标系统一的问题。

具体公式见如下：

x_n＝(Dl_n×cosθ_n+Δx)cosα

对于空间坐标系中的某一点n来说，θ_n为在获取该点数据时刻2D激光转动角度，为在获取该点时刻云台转动角度。

本发明中采用嵌入式3D数据处理器对3D数据进行收集、校准和预处理过程。3D数据处理器在每一个3D扫描周期结束后，将三维点云数据(x_n，y_n，z_n)以PCD文件格式保存数据，同时其具备多种接口供外部设备进行文件输出，包括：以太网接口LAN和WLAN、串口等。

Claims (4)

1.一种用于集装箱识别定位的3D数据采集方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、利用2D激光扫描仪扫描获取点云数据，得到原始3D激光坐标系下的坐标值：

设定2D扫描仪的扫描方向为水平方向，转动云台的转动方向为垂直方向；2D激光扫描仪每隔40ms收集一次激光扫描面的扫描信息；伺服电机以匀速带动云台从而带动2D激光扫描仪旋转，在每次收集激光数据的最后一个点的时刻通过读取一次电机编码器数据采集一次云台转动角度信息；

步骤二、将原始3D激光坐标系下的坐标值变换到统一的大地坐标系下的坐标值：

惯性器件以50Hz的频率向数据处理器发送2D激光扫描仪的位置变化信息和姿态变化信息，确保系统在每一个电机编码器数据刷新周期内获取一次位置变化和姿态变化周期；数据处理器通过具备RTK功能的GPS芯片模块在0.1秒周期后对位置信息进行矫正，获得空间位置相对于原点的变换位移量（∆ x，∆y，∆z）和姿态变化角度量（α，β，γ）；然后按如下公式计算三维点云数据（，，）：

对于空间坐标系中的某一点n来说，为在获取该点数据时刻2D激光扫描仪内部电机相对于0位的转动角度，为在获取该点数据时刻云台的转动角度，为激光扫描仪测得的该点的距离；

步骤三、将三维点云数据中点n的位置信息（，，）以PCD文件格式保存并输出给外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种用于集装箱识别定位的3D数据采集方法，其特征在于：步骤一所述扫描方式包括精确扫描模式和快速扫描模式，其中：精确扫描模式是指在6秒中的周期内，提供横向190度、纵向10度的扫描视角，并在这个空间内以横向角度分辨率最小为0.125度和纵向角度分标率最小为0.06度，均匀扫描获得不小于17万的点云数据；快速扫描模式是指在1秒周期内提供横向190度、纵向50度的扫描视角，并在这个空间内以横向角度分辨率最小为0.125度和纵向角度分辨率最小为2度，均匀获得不小于3万点的点云数据。

3.根据权利要求2所述的一种用于集装箱识别定位的3D数据采集方法，其特征在于：在精确扫描模式下，在水平方向上保持2D激光扫描步进0.1667度的分辨率；在垂直方向上，在每一个扫描周期内，云台旋转0.06度，以得到0.06度的垂直方向分辨率，同时其最大的扫描范围为+50度~-50度，最大扫描范围的周期为1分钟，电机转速变化波动小于2%。

4.根据权利要求2所述的一种用于集装箱识别定位的3D数据采集方法，其特征在于：在快速扫描模式下，在水平方向上保持2D激光扫描步进0.1667度的分辨率；在垂直方向上，在每一个扫描周期内，云台旋转2度，以得到2度的垂直方向分辨率，同时其最大的扫描范围为+50度~-50度，最大扫描范围的周期为4秒钟，电机转速变化波动小于5%。