CN109596067B - 一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法，来进行三维识别位置的确认，传统的人工标定效率低，而三维激光扫描系统本身因激光不可见难以进行位置标定，本发明在三维激光扫描装置上加入一个同轴可见光设备，控制电机驱动可见光设备按照提出的步骤依次照射到识别位置处，由提出的专家规则进行位置关系的比对和微调，实现识别位置的精确确认，该方法有效提高了识别位置的精度，避免了位置不精确带来的后期手动调整，大大提高了钢厂行车调度的工作效率，所述一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法主要包括：二维激光扫描仪(1)、伺服旋转电机(2)、绝对值编码器(3)、PLC控制器(4)、可见激光设备(5)、摄像头(6)、上位机(7)。

Description

一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法

技术领域

本发明是一种在钢铁厂自动化行车系统中，用于装卸车作业的三维激光扫描可见光确认技术。

背景技术

无人行车系统是一个包含了多个子系统的复杂系统，三维激光扫描系统是其中一个子系统，负责对出库和入库的卡车进行三维激光扫描，并通过点云数据处理识别出卡车上的钢卷和垛位坐标，供无人行车系统调度。在钢铁企业的库区物料管理中，传统的出库入库作业主要采用半自动方式，作业过程中需要工作人员在地面不断指导行车进行位置调整，工作效率低下，人工调整可靠性差。随着自动化技术的发展，现代化工业对自动化技术的安全性和可靠性提出了更高的要求。然而在钢铁厂库区装卸车三维激光扫描系统中，由于一些不可抗因素，不可避免地存在一些识别不准确的情况，这就需要对识别的位置进行校正和确认，从而确保整个系统的可靠性。

本发明在无人行车冷轧原料库三维激光扫描系统的基础上，发明了一种利用可见光进行目标位置标定，并结合专家规则和激光扫描测距进行坐标微调的方法，有效提高了系统目标识别位置的可靠性，减少了识别不准确引起的后期人工调整工作，提高了库区的工作效率。

发明内容

技术问题：为了提高识别位置的准确性和可靠性，减少后期无人行车作业过程中的人工调整作业，本发明设计了一种利用可见光束进行目标位置标定，并结合设定的可见光确认专家规则进行坐标微调的方法，保证无人化行车系统的安全可靠运行。

技术方案：本发明的一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法用三维激光扫描装置驱动可见光进行位置标定，通过可见光确认规则进行位置关系的比对和微调，主要包括：二维激光扫描仪、伺服旋转电机、绝对值编码器、PLC控制器、可见激光设备、摄像头、上位机；二维激光扫描仪用于采集目标物体表面轮廓的深度数据，伺服旋转电机用于带动二维激光扫描仪Y向旋转，从而获取卡车车厢的三维深度数据；绝对值编码器用来获取伺服旋转电机的旋转圈数，进而计算旋转角度，PLC控制器进行伺服旋转电机的逻辑控制以及与上位机进行数据交互；伺服旋转电机、绝对值编码器和PLC控制器共同组成旋转云台，旋转云台承载二维激光扫描仪组成三维激光扫描装置，固定安装在库区停车位上方，进行卡车车厢三维数据的扫描；可见激光设备安装在旋转云台侧面，用于识别位置的标定，由PLC控制器控制开断；摄像头固定在停车位侧面，用于可见光与识别目标的位置采集，与上位机连接；上位机用于三维数据的识别和处理；以上设备共同组成钢厂用于库区装卸车的三维激光扫描系统。

其中：

所述三维激光扫描装置按照以下步骤驱动可见激光设备依次照射到目标位置处，通过提出的可见光确认步骤进行位置关系的比对和微调，从而实现目标位置的精确确定，假设待确认的n个位置的三维坐标分别为P₁(x₁,y₁,z₁),...,P_n(x_n,y_n,z_n)，可见光确认步骤如下：

步骤1：开始确认前，上位机检查旋转云台的连接和位置状态是否就绪，若就绪则进入步骤2，否则由人工调节旋转云台到就绪状态；

步骤2：PLC控制旋转电机带动可见光旋转至第i个待确认的极坐标位置P_i(x_i,y_i,z_i)处，其中i＝1,...,n；

步骤3：摄像头拍摄当前可见光的位置图像，上位机识别图像中可见光与目标位置的偏差Δ，如果误差满足设定的偏差要求，则位置准确，进入步骤6，否则进入步骤4进行位置微调；

步骤4：位置微调，上位机根据如下可见光确认规则对现有的位置偏差Δ进行调整，设定可见光相对目标位置的角度偏差程度有七种：正大PS、正中PM、正小PS、零ZE、负小NS、负中NM、负大NB，对每种程度的偏差，上位机自适应地调整微调系数K：

得到旋转电机的微调角速度v：

v＝-Kv₀ (2)

其中，v₀是三维激光扫描装置扫描时的标定角速度，微调时PLC控制旋转电机以角速度v旋转的微调时间t₀，上位机检测微调后的角度偏差Δ，如果满足设定精度要求则进入步骤5，否则重复该步骤，直至Δ满足要求；

步骤5：坐标修正，对于当前第i个确认目标，为保证测量准确性，上位机采集m次当前距离，去掉最大值和最小值，剩余的L_i1,...L_i(m-2)为有效距离值，对有效距离L_ij(j＝1,...,m-2)，设微调后激光扫描角度为θ_i1，旋转云台角度为θ_i2，当确认目标为垛位时：

当确认目标为钢卷时，设钢卷半径为R_i：

计算出(m-2)个对应的坐标(x_i1,y_i1,z_i1),...,(x_i(m-2),y_i(m-2),z_i(m-2))，其平均值即为当前第i个目标的修正坐标(x_i,y_i,z_i)：

步骤6：判断所识别的位置是否全部确认完毕，如果确认完成进入步骤7，否则取下一个位置，进入步骤2，直至所有的位置都确认完毕；

步骤7：数据更新上传，将所有确认完成的目标位置更新上传到数据库；

步骤8：按照避免负向回零的方法进行旋转云台归位，确认并上传所有确认的坐标后，旋转云台正向回零，确认环节结束。

其中，

步骤8所述的避免负向回零的方法进行旋转云台归位，解决旋转云台归位功能受正向回零限制，具体的旋转云台归位周期如下，设顺时针旋转为正向，逆时针旋转为负向：

步骤81：扫描前，旋转云台初始状态为绝对零位θ₀，收到扫描信号后，旋转云台负向旋转至上位机设定的起始角θ_start，此阶段旋转云台就位，激光扫描仪不采集数据；

步骤82：开始扫描，旋转云台从起始角θ_start正向转动到终止角θ_end，同时激光扫描仪采集三维深度点云数据；

步骤83：旋转云台角度到达终止角θ_end后，扫描结束，上位机进行点云数据识别处理，得到识别的多个目标位置{P₁,P₂,...,P_n}；

步骤84：可见光确认环节，旋转云台从终止角依次负向旋转到n个识别坐标P₁,P₂,...,P_n处，上位机对各个坐标进行确认，直至确认完所有目标位置坐标；

步骤85：确认完毕后，旋转云台负向旋转到起始角θ_start，确保旋转云台能进行正向回零；

步骤86：旋转云台正向回零，一个三维扫描工作周期T结束。

有益效果：本发明通过可见光对计算机识别的位置进行确认和微调，大大提高了三维激光扫描系统位置的准确性和可靠性，避免了后期无人行车工作过程中的人工调整工作，提高钢铁厂库区入库和出库作业的工作效率。

附图说明

图1为本发明三维激光扫描系统架构图，

图2为本发明可见光装设位置示意图，

图3为本发明设计的旋转云台工作周期示意图，

图4为本发明垛位坐标修正示意图，

图5为本发明钢卷坐标修正示意图，

图6为本发明实施的详细流程图。

图中有：二维激光扫描仪1、伺服旋转电机2、绝对值编码器3、PLC控制器4、可见激光设备5、摄像头6、上位机7。

具体实施方式

下面对本方法和相关系统设备进行详细的阐述。

以钢铁厂冷轧原料库的三维激光扫描系统为例，三维激光扫描装置安装在卡车停车位上方，且距地面20多米高的天花板上，其中旋转云台沿Y方向旋转，扫描仪沿X方向扫描。当卡车到达停车位时，卡车司机将一张具有射频识别的RFID卡片在识别处刷卡，通知系统车辆到达，系统获得该次装卸车作业信息；司机操作上位机启动三维激光扫描作业，上位机处理并识别卡车车厢的三维数据，得到卡车上相应的目标位置{P₁,P₂,...,P_n}。

在钢铁厂库区中，由于识别位置的准确度不仅与距离、光照强度以及设备精度有关，还与数据处理的策略有关，为了确保识别的准确度和可靠性，本发明设计了一种用可见光进行位置标定确认，并结合设定的可见光确认规则进行位置微调的方法。在确认环节，上位机将识别的可见光与目标的位置偏差作为输入，根据设定的可见光确认规则推理给出相应的决策，从而保证目标位置的准确性。

该方法用三维激光扫描装置驱动可见光进行位置标定，通过可见光确认规则进行位置关系的比对和微调，主要包括：二维激光扫描仪1、伺服旋转电机2、绝对值编码器3、PLC控制器4、可见激光设备5、摄像头6、上位机7；二维激光扫描仪1用于采集目标物体表面轮廓的深度数据，伺服旋转电机2用于带动二维激光扫描仪1Y向旋转，从而获取卡车车厢的三维深度数据；绝对值编码器3用来获取伺服旋转电机2的旋转圈数，进而计算旋转角度，PLC控制器4进行伺服旋转电机2的逻辑控制以及与上位机7进行数据交互；伺服旋转电机2、绝对值编码器3和PLC控制器4共同组成旋转云台，旋转云台承载二维激光扫描仪1组成三维激光扫描装置，固定安装在库区停车位上方，进行卡车车厢三维数据的扫描；可见激光设备5安装在旋转云台侧面，用于识别位置的标定，由PLC控制器4控制开断；摄像头6固定在停车位侧面，用于可见光与识别目标的位置采集，与上位机7连接；上位机7用于三维数据的识别和处理,以上设备共同组成钢厂用于库区装卸车的三维激光扫描系统。

本发明中，可见光相对目标位置的误差分为如下7种：正大PS、正中PM、正小PS、零ZE、负小NS、负中NM、负大NB，对每种程度的误差，可见光确认规则自适应微调系数K如下：

因旋转云台只能正向回零，详细可见光确认步骤如下所述：

步骤1：开始确认前，上位机首先检查旋转云台的连接和位置状态是否就绪，若就绪则进入步骤2，否则由人工调节旋转云台到就绪状态；

步骤2：PLC控制旋转电机带动可见光旋转至第i个待确认的极坐标位置P_i(x_i,y_i,z_i)处，其中i＝1,...,n；

步骤3：摄像头拍摄当前可见光的位置图像，上位机识别图像中可见光与目标位置的偏差Δ，如果误差满足设定的偏差要求，则位置准确，进入步骤6，否则进入步骤4进行位置微调；

步骤4：位置微调，上位机根据如式(6)所示的规则对微调系数K进行修正，从而得到旋转电机的微调角速度v：

v＝-Kv₀ (7)

其中，v₀是三维激光扫描装置扫描时的标定角速度，微调时PLC控制旋转电机以角速度v旋转一定的微调时间t₀，上位机检测微调后的角度偏差Δ，如果满足设定精度要求则进入步骤5，否则重复该步骤，直至Δ满足要求。

步骤5：坐标修正，对于当前第i个确认目标，为保证测量准确性，对距离采用多次测量求平均的策略，上位机采集m次当前距离，去掉最大值和最小值，剩余的L_i1,...L_i(m-2)为有效距离值，对有效距离L_ij(j＝1,...,m-2)，设微调后激光扫描角度为θ_i1，旋转云台角度为θ_i2，当确认目标为垛位时：

当确认目标为钢卷时，设钢卷半径为R_i：

计算出(m-2)个对应的坐标(x_i1,y_i1,z_i1),...,(x_i(m-2),y_i(m-2),z_i(m-2))，其平均值即为当前第i个目标的修正坐标(x_i,y_i,z_i)：

步骤6：判断所识别的位置是否全部确认完毕，如果确认完成进入步骤7，否则取下一个位置，进入步骤2，直至所有的位置都确认完毕；

步骤7：数据更新上传，将所有确认完成的目标位置更新上传到数据库；

步骤8：按照避免负向回零的方法进行旋转云台归位，确认并上传所有确认的坐标后，旋转云台正向回零，确认环节结束。

对于步骤8的旋转云台归位，由于旋转云台具有正向回零的限制，上位机通过采取适当的旋转云台工作周期T来避免旋转云台负向回零，设旋转云台顺时针旋转为正向，逆时针旋转为负向，则详细的旋转云台工作周期如下：

步骤1：扫描前，旋转云台初始状态为绝对零位θ₀，收到扫描信号后，旋转云台负向旋转至上位机设定的起始角θ_start，此阶段旋转云台就位，激光扫描仪不采集数据；

步骤2：开始扫描，旋转云台从起始角θ_start正向转动到终止角θ_end，同时激光扫描仪采集三维深度点云数据；

步骤3：旋转云台角度到达终止角θ_end后，扫描结束，上位机进行点云数据识别处理，得到识别的多个目标位置{P₁,P₂,...,P_n}；

步骤4：可见光确认环节，旋转云台从终止角依次负向旋转到n个识别坐标P₁,P₂,...,P_n处，上位机对各个坐标进行确认，直至确认完所有目标位置坐标；

步骤5：确认完毕后，旋转云台负向旋转到起始角θ_start，确保旋转云台能进行正向回零；

步骤6：旋转云台正向回零，一个三维扫描工作周期T结束。

本发明所述的基于三维激光扫描系统的可见光确认方法，主要包括：二维激光扫描仪1、伺服旋转电机2、绝对值编码器3、PLC控制器4、可见激光设备5、摄像头6、上位机7；二维激光扫描仪1采用德国SICK公司的LMS511系列产品，用于采集目标物体表面轮廓的深度数据，伺服旋转电机2用于带动二维激光扫描仪1Y向旋转，从而获取卡车车厢的三维深度数据；绝对值编码器3用来获取伺服旋转电机2的旋转圈数，进而计算旋转角度，PLC控制器4采用西门子S7 1200系列的控制器，用于伺服旋转电机2的逻辑控制以及与上位机7进行数据交互；伺服旋转电机2、绝对值编码器3和PLC控制器4共同组成伺服旋转云台，旋转云台承载二维激光扫描仪1组成三维激光扫描装置，固定安装在库区停车位上方，进行卡车车厢三维数据的扫描；可见激光设备5安装在旋转云台侧面，用于识别位置的标定，由PLC控制器控制开断；摄像头6固定在停车位侧面，用于可见光与识别目标的位置采集，与上位机7连接；上位机7用于三维数据的识别和处理，通过Qt实现人机界面交互，通过PCL点云库来实现目标位置的自动识别。

Claims (2)

1.一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法，其特征在于该方法用三维激光扫描装置驱动可见光进行位置标定，通过可见光确认规则进行位置关系的比对和微调，主要包括：二维激光扫描仪(1)、伺服旋转电机(2)、绝对值编码器(3)、PLC控制器(4)、可见激光设备(5)、摄像头(6)、上位机(7)；二维激光扫描仪(1)用于采集目标物体表面轮廓的深度数据，伺服旋转电机(2)用于带动二维激光扫描仪(1)Y向旋转，从而获取卡车车厢的三维深度数据；绝对值编码器(3)用来获取伺服旋转电机(2)的旋转圈数，进而计算旋转角度，PLC控制器(4)进行伺服旋转电机(2)的逻辑控制以及与上位机(7)进行数据交互；伺服旋转电机(2)、绝对值编码器(3)和PLC控制器(4)共同组成旋转云台，旋转云台承载二维激光扫描仪(1)组成三维激光扫描装置，固定安装在库区停车位上方，进行卡车车厢三维数据的扫描；可见激光设备(5)安装在旋转云台侧面，用于识别位置的标定，由PLC控制器(4)控制开断；摄像头(6)固定在停车位侧面，用于可见光与识别目标的位置采集，与上位机(7)连接；上位机(7)用于三维数据的识别和处理,以上设备共同组成钢厂用于库区装卸车的三维激光扫描系统；

所述三维激光扫描装置按照以下步骤驱动可见激光设备(5)依次照射到目标位置处，通过提出的可见光确认步骤进行位置关系的比对和微调，从而实现目标位置的精确确定，假设待确认的n个位置的三维坐标分别为P₁(x₁,y₁,z₁),..P_n.(,x_n,y_n,z_n)，可见光确认步骤如下：

步骤1：开始确认前，上位机检查旋转云台的连接和位置状态是否就绪，若就绪则进入步骤2，否则由人工调节旋转云台到就绪状态；

步骤2：PLC控制旋转电机带动可见光旋转至第i个待确认的极坐标位置P_i(x_i,y_i,z_i)处，其中i＝1,...,n；

步骤3：摄像头拍摄当前可见光的位置图像，上位机识别图像中可见光与目标位置的偏差Δ，如果误差满足设定的偏差要求，则位置准确，进入步骤6，否则进入步骤4进行位置微调；

步骤4：位置微调，上位机根据如下可见光确认规则对现有的位置偏差Δ进行调整，设定可见光相对目标位置的角度偏差程度有七种：正大PS、正中PM、正小PS、零ZE、负小NS、负中NM、负大NB，对每种程度的偏差，上位机自适应地调整微调系数K：

K_b为较大偏差系数，K_m为中等偏差系数，K_s为较小偏差系数，得到旋转电机的微调角速度v：

v＝-Kv₀

其中，v₀是三维激光扫描装置扫描时的标定角速度，微调时PLC控制旋转电机以角速度v旋转的微调时间t₀，上位机检测微调后的角度偏差，如果满足设定精度要求则进入步骤5，否则重复该步骤，直至Δ满足要求；

步骤5：坐标修正，对于当前第i个确认目标，为保证测量准确性，上位机采集m次当前距离，去掉最大值和最小值，剩余的L_i1,...L_i(m-2)为有效距离值，对有效距离L_ij j＝1,…,m-2，设微调后激光扫描角度为θ_i1，旋转云台角度为θ_i2，当确认目标为垛位时：

当确认目标为钢卷时，设钢卷半径为R_i：

计算出m-2个对应的坐标(x_i1,y_i1,z_i1),...,(x_i(m-2),y_i(m-2),z_i(m-2))，其平均值即为当前第i个目标的修正坐标(x_i,y_i,z_i)：

步骤6：判断所识别的位置是否全部确认完毕，如果确认完成进入步骤7，否则取下一个位置，进入步骤2，直至所有的位置都确认完毕；

步骤7：数据更新上传，将所有确认完成的目标位置更新上传到数据库；

步骤8：按照避免负向回零的方法进行旋转云台归位，确认并上传所有确认的坐标后，旋转云台正向回零，确认环节结束。

2.根据权利要求1所述的一种钢厂行车调度用三维激光扫描可见光确认方法，其特征在于步骤8所述的避免负向回零的方法进行旋转云台归位，解决旋转云台归位功能受正向回零限制，具体的旋转云台归位周期如下，设顺时针旋转为正向，逆时针旋转为负向：

步骤81：扫描前，旋转云台初始状态为绝对零位θ₀，收到扫描信号后，旋转云台负向旋转至上位机设定的起始角θ_start，此阶段旋转云台就位，激光扫描仪不采集数据；

步骤82：开始扫描，旋转云台从起始角θ_start正向转动到终止角θ_end，同时激光扫描仪采集三维深度点云数据；

步骤83：旋转云台角度到达终止角θ_end后，扫描结束，上位机进行点云数据识别处理，得到识别的多个目标位置{P₁,P₂,...,P_n}；

步骤84：可见光确认环节，旋转云台从终止角依次负向旋转到n个识别坐标P₁,P₂,...,P_n处，上位机对各个坐标进行确认，直至确认完所有目标位置坐标；

步骤85：确认完毕后，旋转云台负向旋转到起始角θ_start，确保旋转云台能进行正向回零；

步骤86：旋转云台正向回零，一个三维扫描工作周期T结束。

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