三維建模技術在垃圾吊抓料自動控制的應用研究

陳洋，周明，曾崢，肖燃，江學文，王宇聰

（1.德陽和新環(huán)保發(fā)電有限責任公司，四川 德陽 618003；2.中電國際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）

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和國家新能源發(fā)展政策的支持，生活垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)近10 年得到了迅猛發(fā)展，已成為我國垃圾處理的主要方式。國內專家學者對垃圾吊全自動化控制展開了研究。李力等利用三維定位技術，提出了橋式起重機空間避讓策略。胡陽軍等研究了無人化垃圾吊全自動控制系統(tǒng)的功能要求。聶福全等通過對垃圾高度、區(qū)域劃分、防搖擺、全自動工藝優(yōu)先級等關鍵技術的研究，提出了全自動垃圾吊技術方案。張冒等基于“PLC+2D 激光雷達”硬件結構，提出垃圾表面高度測量方法以及網(wǎng)格劃分鄰域點差值法選擇垃圾安全取料位置，實現(xiàn)了垃圾搬運起重機的全自動、無人值守運行。本文利用激光掃描系統(tǒng)，建立垃圾庫和投料區(qū)的三維模型，利用網(wǎng)格法分析可選取料點周圍的坡度，確定平坦安全取料點，同時監(jiān)測垃圾吊抓斗抓料時傾斜狀態(tài)，確保垃圾吊抓取料安全，成為垃圾吊全自動控制關鍵技術之一。

1 激光掃描系統(tǒng)

激光掃描系統(tǒng)包括系統(tǒng)服務器、2 套垃圾庫激光掃描裝置、2 套投料區(qū)激光掃描裝置，激光掃描裝置的掃描數(shù)據(jù)實時傳輸至系統(tǒng)服務器。

2 套投料區(qū)激光掃描裝置分別布置于2 個投料區(qū)的上方，用于掃描投料區(qū)內部物料和邊緣的全景信息。投料區(qū)激光掃描裝置包括固定支架、角度調節(jié)機構、激光掃描儀。固定支架安裝于垃圾庫固定建筑物上，角度調節(jié)機構通過螺絲固定于固定支架，激光掃描儀通過螺絲固定于可調節(jié)角度安裝支架。固定支架為不銹鋼材料，用于將整個裝置固定在垃圾庫的固定建筑物上。角度調節(jié)機構為不銹鋼材料，用于安裝時調節(jié)激光掃描儀的角度。激光掃描儀為固定視角的、采用非重復式掃描技術的激光掃描儀。角度調節(jié)機構采用三維萬向節(jié)結構，可左右旋轉和上下俯仰調節(jié)激光掃描儀的照射角度。

2 套垃圾庫激光掃描裝置，分別布置于垃圾庫一側的2 端上方，每套為4 臺激光掃描儀組合而成，通過調整激光掃描儀的安裝角度，確保料堆內全場無死角，庫內物料不被遮擋，實現(xiàn)8 臺掃描儀實時生成垃圾庫全景點云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)服務器布置于控制機房，用于接收激光掃描裝置的激光掃描數(shù)據(jù)，建立垃圾庫和投料區(qū)的物料三維模型和邊緣三維模型，抓斗抓料時，選取平坦安全的目標取料點，并實時監(jiān)測抓斗抓料時的傾斜狀態(tài)，確保垃圾吊抓料時的安全傾斜角度，避免發(fā)生傾覆等安全事件。

2 三維建模

通過對整個垃圾庫的測繪定位參數(shù)，以垃圾庫中心靠近投料區(qū)一側邊緣中點為O 原點建立坐標系，令該坐標系為場地坐標系，已知垃圾庫長寬均為固定值，由全站儀測量得出，測量得垃圾庫長寬高度分別為，坐標系Y 軸對應垃圾庫寬度，坐標系X 軸對應垃圾庫長度。

通過測量得掃描儀安裝位置，旋轉角度，得掃描儀坐標系至場地坐標系的變換矩陣：

對各臺掃描儀點云數(shù)據(jù)，采用ICP（Iterative Closest Point，迭代最近點）算法進行拼接，得到垃圾庫的整體三維模型，如圖1 所示。

圖1 垃圾庫三維模型

3 抓料點選擇

3.1 垃圾庫網(wǎng)格化

根據(jù)垃圾庫長寬高將場地按照Grid 粒度進行劃分，得X 軸方向點數(shù)量為Num1=LG/Grid，Y 軸方向點數(shù)量為Num2=WG/Grid,將長和寬二邊上的點分別記為集合XHead={x1i|i∈[1,Num2]},YHead={yi1|j∈[1,Num1]}。依次遍歷集合XHead、YHead，過XHead中元素做橫線，過YHead做豎線得一系列交點，構成垃圾庫網(wǎng)格點集合MP。

由于Grid 粒度遠大于掃描儀原始點云，即點Pij周圍會存在若干點云坐標。Pij點高程可定為這些原始點云坐標高程的平均值：對以Pij為中心，邊長為Grid 的正方形區(qū)域內掃描儀點云進行高程平均值計算,得Pij高程。

3.2 安全抓料點判定

對滿足抓斗抓料空間要求的工作區(qū)域，遍歷所有點坐標，選取出符合條件的抓料點。

計算每個目標取料點工作區(qū)域的坡度：

對目標取料點坐標T(xT,yT,zT)，設抓斗工作區(qū)域半徑為r1，對該點周圍進行n 次遍歷次判斷,其中n=(r1/Grid)2，得到M=r1/Grid 行，N=r1/Grid 列的區(qū)域，遍歷該區(qū)域中的網(wǎng)格點，計算其與目標取料點的斜率，將區(qū)域內的網(wǎng)格點記為：

將Dir 投影在XY 平面得：

根據(jù)垃圾庫工作技術要求，設定適合垃圾吊正常作業(yè)的物料坡度閾值為THD,，若存在一定數(shù)量的則認為該取料點周圍平坦，可判定該目標取料點為安全取料點。

在所有安全取料點中，進一步加以限制條件，選擇高程最大的一個安全取料點，作為最終目標取料點。

4 抓斗傾角分析

4.1 抓斗點云提取

將定位裝置坐標轉換到場地坐標系下：

已知抓斗半徑為rc, 抓斗垂直方向長度為Hc, 得一個長方體區(qū)域，其對角線上二點坐標分別為：

從掃描儀的場地點云集合MG，剔除所有不在該長方體區(qū)域內的點集，得抓斗點云集合MG，提取出的抓斗點云數(shù)據(jù)圖像如圖2 所示。

圖2 提取出的抓斗點云數(shù)據(jù)圖像

4.2 抓斗二維輪廓線提取

將抓斗點云集合投影到XZ，YZ 平面得投影點云集合MCxz，MCyz對抓斗點云集合根據(jù)高程進行遍歷，提取抓斗左右側輪廓。由于抓斗長度已知，抓斗位置高程已知，得抓斗底部Z 軸坐標為ZB，頂部Z 軸坐標為ZT。根據(jù)掃描儀點云粒度設置步長ZTick，根據(jù)高程對抓斗投影點云進行MCxz，MCyz遍歷,可得點云集合，即抓斗XZ平面投影的左右輪廓PLeftxz，PRightxz以及YZ 平面投影的左右輪廓PLeftxz，PRightxz。

4.3 抓斗傾斜角計算

根據(jù)抓斗固定的機械結構，在保持抓斗張開時，通過同時遍歷左右輪廓可以找到唯一一對邊l1，l2，l1，l2夾角固定為θ，這對邊上的點云滿足特征，l1，l2上向量夾角為β 且θ-β ＜ε，ε 為一個固定微小值，表示θ 與β 差距極小。

遍歷PLeftxz、PRightxz，如下：

設遍歷兩點之間的索引下標相差定值為k,令m=i，n=j，得向量。

令Count=0

若θ-β1＜ε，則Count=Count+1，m=m+1，n=n+1。

循環(huán)判斷直到m=i+k-1，n=i+j-1 如果最終Count大于等于設置的次數(shù)閾值THDCount，則將PXZ(i+k)1加入集合FXZ，PXZ(i+k)2加入集合FYZ，最終得兩條固定邊集合FXZ，F(xiàn)YZ，采用ransac 算法進行直線擬合，得l1和l2，計算l1，l2的夾角中心線lc，計算XZ 平面投影，抓斗中心線與Z 軸夾角。

5 結語

生活垃圾焚燒發(fā)電已成為我國當前垃圾處理的主要方式。垃圾吊的全自動控制正成為業(yè)界的研究重點。本文利用激光掃描系統(tǒng)，建立垃圾庫和投料區(qū)的三維模型，利用網(wǎng)格法分析可選取料點與取料區(qū)間范圍的坡度，確定平坦安全取料點及最優(yōu)取料點，同時監(jiān)測垃圾吊抓斗抓料時傾斜角度，確保垃圾吊抓取料安全，成為垃圾吊全自動控制關鍵技術之一。

對各臺掃描儀點云數(shù)據(jù)，采用ICP 算法進行拼接，得到垃圾庫的整體三維模型。

對滿足抓斗抓料空間要求的工作區(qū)域，通過遍歷法，選取出符合坡度條件的抓料點集合。選擇高程為最大的一個安全取料點，作為最終目標取料點。

通過對抓斗點云提取、輪廓提取，再擬合輪廓邊線，計算2 條邊線的中心線，進而計算抓斗的傾角，實時監(jiān)測抓斗抓料時安全狀態(tài)。