摘 要：為(wei) 保證鬥輪堆取料機全自動係統精度滿足要求，首先明確該全自動係統中三個(ge) 坐標係的數學關(guan) 係，其次確定關(guan) 鍵位置的標定方法，然後確定係統精度的驗證方法。係統標定和驗證主要采用全站儀(yi) 多點多次測量的方式進行，結果表明該種方法可以準確校正係統偏差。

關(guan) 鍵詞：鬥輪堆取料機全自動係統；坐標係；標定方法；驗證方法

中圖分類號：U653.928.+5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）02-0058-05

0 引言
是否安裝激光掃描、激光定位係統是衡量碼頭或港口設備智能化、自動化程度的一個(ge) 重要技術指標。激光掃描或定位係統具有測量實時性高、掃描精度高、檢測距離遠、受環境影響小、技術水平成熟等優(you) 點。而判斷激光掃描或定位係統優(you) 劣的一個(ge) 關(guan) 鍵參數和重要指標是全自動係統的精度。要保證全自動係統精度，要明確全自動係統中存在的三個(ge) 坐標係及坐標係間的關(guan) 係，要標定好全自動係統中幾個(ge) 關(guan) 鍵位置參數，然後在上述基礎上進行實際驗證。

全站型電子測距儀(yi) （以下簡稱全站儀(yi) ），是一種利用光電測距原理，集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能於(yu) 一體(ti) 的測繪儀(yi) 器係統，因其僅(jin) 需一次安置儀(yi) 器就可完成該測站上全部測量工作而被稱作全站儀(yi) 。

1 全自動係統坐標係界定及關(guan) 係
在堆取料自動化係統中，存在三個(ge) 坐標係，分別為(wei) 大機坐標係、激光掃描係統坐標係和堆場坐標係，三個(ge) 坐標係的關(guan) 係如圖1 所示。

圖 1 三個(ge) 坐標係的關(guan) 係

1.1 大機坐標係
大機坐標係，即堆取料機自身各個(ge) 機構的位置組成的三維坐標係，包括大車、回轉和俯仰等主要機構的位置，也是控製係統軟件控製本機機構動作、保證本機設備安全範圍直接使用的坐標係。

1.2 激光掃描係統坐標係
激光掃描係統坐標係如圖2 所示，包括原始球坐標數據和激光掃描三維坐標係。激光掃描係統中，各個(ge) 激光器直接掃描得到的數據點雲(yun) 為(wei) 球坐標形式（r，θ，φ）。單個(ge) 點（r，θ，φ）中，r 為(wei) 激光器掃描返回距離，θ 為(wei) 激光單線掃描中掃描角度，φ 為(wei) 激光掃描裝置轉動機構轉動角度( 對不帶轉動機構的激光掃描裝置，φ=0 )。激光掃描係統通過將球坐標轉換為(wei) 三維直角坐標的形式，得到激光掃描係統坐標係下的激光點雲(yun) 。

圖 2 YPSS 坐標係與(yu) YPSS 原始數據

堆取料機全自動係統需要安裝4 套激光器，分別為(wei) 2 套安裝於(yu) 臂架前端兩(liang) 側(ce) 的2D 激光器，2 套安裝於(yu) 梯形架上平台兩(liang) 側(ce) 的3D 激光器，具體(ti) 安裝位置如圖3 和圖4 所示。由於(yu) 4 套係統安裝位置的不同，坐標係之間的關(guan) 係需要通過全站儀(yi) 標定確認。

圖 3 2D 掃描激光器安裝位置

圖 4 3D 掃描激光器安裝位置

設定球坐標係坐標(r, θ, φ)，三維直角坐標(x, y, z)，有

圖 5 球坐標三維直角坐標

1.3 堆場坐標係
堆場坐標係，指堆場中的三維直角坐標係，通常用於(yu) 堆場的管理使用。一般以大車沿軌道前進方向為(wei) X 軸正向，垂直於(yu) 軌道向堆場方向為(wei) Y 軸正向，豎直向上方向為(wei) Z 軸正向。其中0 點位置設置，大車後停止位置為(wei) X 軸0 點，大車軌道的中心線作為(wei) Y 軸的0 點，堆場的最低點作為(wei) Z 軸的0 點。

1.4 坐標係間數學關(guan) 係
1）激光掃描係統坐標係轉化為(wei) 堆場坐標係定義(yi) 激光掃描係統坐標係為(wei) YPSS 坐標係，定義(yi) 堆場坐標係為(wei) Yard 坐標係，則二者間的數學關(guan) 係如下

或簡寫(xie) 為(wei)

式中：Pyard 為(wei) 堆場坐標係，Pypss 為(wei) YPSS 坐標係。R為(wei) 旋轉，T 為(wei) 平移，R、T 與(yu) 本機當時機構位置( 主要包括大車位置、回轉角度、俯仰角度) 和標定數據有關(guan) 。
2）大機坐標係和堆場坐標係間的轉換大機幾個(ge) 主要的參數得位置關(guan) 係如圖6 所示。

根據式（4）~ 式（7）可分別求得回轉角度、俯仰角度和大車位置。

圖 6 坐標係關(guan) 鍵參數示意圖

2 全自動係統標定方法
為(wei) 保證標定的可靠性，采用全站儀(yi) 和反射片對關(guan) 鍵位置進行多點多次標定，包括基準標定、臂架定點標定和激光器標定。標定過程中，兩(liang) 個(ge) 基準點位置不可以變化移動，對於(yu) 設備不同位置的標定需要開啟全站儀(yi) 的搬站功能，保證全站儀(yi) 更換位置後測量基準前後一致。

2.1 基準標定
在軌道上貼2 個(ge) 反光片作為(wei) 基點O1 和O2，調整全站儀(yi) ，建立坐標係。O1 和O2 點作為(wei) 基準點。全站儀(yi) 距離堆取料機及軌道盡可能的遠，減小後續測量誤差。兩(liang) 基點的連線為(wei) X 軸，Y 軸位於(yu) 垂直軌道的水平方向，Z 軸垂直水平麵向上。

2.2 臂架定點標定
如圖7 所示，沿懸臂左側(ce) 長度方向貼2 個(ge) 反光片M和N，兩(liang) 點之間的距離選取大一些，注意MN 連線要與(yu) 懸臂保持平行，用同樣的方式再標定臂架右側(ce) 。

圖 7 懸臂貼片

2.3 激光器標定
如圖8 所示，在激光器（或者轉動機構）外側(ce) 貼3個(ge) 反光片，其中2 個(ge) 與(yu) 激光器掃描方向平行，2 個(ge) 與(yu) 掃描方向垂直。

（a）左側(ce) 3D 激光器

圖 8 激光器貼片

表1 為(wei) 堆取料機4 台激光器及主要機械參數的標定結果。

3 精度驗證方法
選取固定料堆對象，利用全站儀(yi) 對堆垛邊界的典型位置進行標定，分別對應不同的俯仰角度或者回轉角度，測得多組數據，通過人工計算或者智能計算與(yu) 編碼器值進行比較，完成編碼器的標定。測量的料堆輪廓如圖9所示。

圖 9 測試料堆輪廓圖

3D 激光器的驗證需要考慮三種情況
1）單機靜止狀態下，利用3D 掃描儀(yi) 轉動掃描物料，保存物料的三維數據並對全站儀(yi) 標定的物料參數進行計算比較，驗證此種測量模式的測量精度。
2）3D 掃描儀(yi) 在機械零點位置，單機大車移動，對物料進行掃描測量，保存三維數據並與(yu) 全站儀(yi) 標定的物料參數進行計算比較，驗證此種測量模式的測量精度。
3）2D 掃描儀(yi) 在機械零點位置，堆取料機懸臂擺動，對堆垛進行掃描測量，保存三維數據並與(yu) 全站儀(yi) 標定的參數進行計算比較，驗證此種測量模式的測量精度。經測試和參數調整，全自動係統的精度滿足全自動係統精度技術指標要求（偏差＜ 20 cm），如表2 所示，掃描偏差≤ 11 cm，滿足全自動功能要求。

4 總結
在理清堆取料機全自動係統中三個(ge) 坐標係之間的數學關(guan) 係後，將相關(guan) 計算融合進全自動軟件，通過對係統中關(guan) 鍵位置進行精確標定，確定相關(guan) 激光器的姿態參數，再通過標定料堆高度，與(yu) 全自動掃描數據進行比較，從(cong) 而完成全自動係統的精度驗證。通過精度驗證確保了全自動堆取料機激光掃描係統的掃描精度，從(cong) 而確保堆取料機的全自動運行。

由於(yu) 堆取料機回轉、大車等機構本身存在回程間隙，全自動係統精度的進一步提高還需要機械方麵的加工和安裝精度進一步提高。