摘 要：為保證斗輪堆取料機(jī)全自動(dòng)系統(tǒng)精度滿足要求，首先明確該全自動(dòng)系統(tǒng)中三個(gè)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)關(guān)系，其次確定關(guān)鍵位置的標(biāo)定方法，然后確定系統(tǒng)精度的驗(yàn)證方法。系統(tǒng)標(biāo)定和驗(yàn)證主要采用全站儀多點(diǎn)多次測(cè)量的方式進(jìn)行，結(jié)果表明該種方法可以準(zhǔn)確校正系統(tǒng)偏差。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī)全自動(dòng)系統(tǒng)；坐標(biāo)系；標(biāo)定方法；驗(yàn)證方法

中圖分類號(hào)：U653.928.+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）02-0058-05

0 引言
是否安裝激光掃描、激光定位系統(tǒng)是衡量碼頭或港口設(shè)備智能化、自動(dòng)化程度的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。激光掃描或定位系統(tǒng)具有測(cè)量實(shí)時(shí)性高、掃描精度高、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、受環(huán)境影響小、技術(shù)水平成熟等優(yōu)點(diǎn)。而判斷激光掃描或定位系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和重要指標(biāo)是全自動(dòng)系統(tǒng)的精度。要保證全自動(dòng)系統(tǒng)精度，要明確全自動(dòng)系統(tǒng)中存在的三個(gè)坐標(biāo)系及坐標(biāo)系間的關(guān)系，要標(biāo)定好全自動(dòng)系統(tǒng)中幾個(gè)關(guān)鍵位置參數(shù)，然后在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

全站型電子測(cè)距儀（以下簡(jiǎn)稱全站儀），是一種利用光電測(cè)距原理，集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)，因其僅需一次安置儀器就可完成該測(cè)站上全部測(cè)量工作而被稱作全站儀。

1 全自動(dòng)系統(tǒng)坐標(biāo)系界定及關(guān)系
在堆取料自動(dòng)化系統(tǒng)中，存在三個(gè)坐標(biāo)系，分別為大機(jī)坐標(biāo)系、激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系和堆場(chǎng)坐標(biāo)系，三個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1 所示。

圖 1 三個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系

1.1 大機(jī)坐標(biāo)系
大機(jī)坐標(biāo)系，即堆取料機(jī)自身各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置組成的三維坐標(biāo)系，包括大車、回轉(zhuǎn)和俯仰等主要機(jī)構(gòu)的位置，也是控制系統(tǒng)軟件控制本機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作、保證本機(jī)設(shè)備安全范圍直接使用的坐標(biāo)系。

1.2 激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系
激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系如圖2 所示，包括原始球坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光掃描三維坐標(biāo)系。激光掃描系統(tǒng)中，各個(gè)激光器直接掃描得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)云為球坐標(biāo)形式（r，θ，φ）。單個(gè)點(diǎn)（r，θ，φ）中，r 為激光器掃描返回距離，θ 為激光單線掃描中掃描角度，φ 為激光掃描裝置轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度( 對(duì)不帶轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的激光掃描裝置，φ=0 )。激光掃描系統(tǒng)通過將球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維直角坐標(biāo)的形式，得到激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系下的激光點(diǎn)云。

圖 2 YPSS 坐標(biāo)系與YPSS 原始數(shù)據(jù)

堆取料機(jī)全自動(dòng)系統(tǒng)需要安裝4 套激光器，分別為2 套安裝于臂架前端兩側(cè)的2D 激光器，2 套安裝于梯形架上平臺(tái)兩側(cè)的3D 激光器，具體安裝位置如圖3 和圖4 所示。由于4 套系統(tǒng)安裝位置的不同，坐標(biāo)系之間的關(guān)系需要通過全站儀標(biāo)定確認(rèn)。

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(shè)定球坐標(biāo)系坐標(biāo)(r, θ, φ)，三維直角坐標(biāo)(x, y, z)，有

圖 5 球坐標(biāo)三維直角坐標(biāo)

1.3 堆場(chǎng)坐標(biāo)系
堆場(chǎng)坐標(biāo)系，指堆場(chǎng)中的三維直角坐標(biāo)系，通常用于堆場(chǎng)的管理使用。一般以大車沿軌道前進(jìn)方向?yàn)閄 軸正向，垂直于軌道向堆場(chǎng)方向?yàn)閅 軸正向，豎直向上方向?yàn)閆 軸正向。其中0 點(diǎn)位置設(shè)置，大車后停止位置為X 軸0 點(diǎn)，大車軌道的中心線作為Y 軸的0 點(diǎn)，堆場(chǎng)的最低點(diǎn)作為Z 軸的0 點(diǎn)。

1.4 坐標(biāo)系間數(shù)學(xué)關(guān)系
1）激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為堆場(chǎng)坐標(biāo)系定義激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系為YPSS 坐標(biāo)系，定義堆場(chǎng)坐標(biāo)系為Yard 坐標(biāo)系，則二者間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下

或簡(jiǎn)寫為

式中：Pyard 為堆場(chǎng)坐標(biāo)系，Pypss 為YPSS 坐標(biāo)系。R為旋轉(zhuǎn)，T 為平移，R、T 與本機(jī)當(dāng)時(shí)機(jī)構(gòu)位置( 主要包括大車位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度) 和標(biāo)定數(shù)據(jù)有關(guān)。
2）大機(jī)坐標(biāo)系和堆場(chǎng)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換大機(jī)幾個(gè)主要的參數(shù)得位置關(guān)系如圖6 所示。

根據(jù)式（4）~ 式（7）可分別求得回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度和大車位置。

圖 6 坐標(biāo)系關(guān)鍵參數(shù)示意圖

2 全自動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)定方法
為保證標(biāo)定的可靠性，采用全站儀和反射片對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行多點(diǎn)多次標(biāo)定，包括基準(zhǔn)標(biāo)定、臂架定點(diǎn)標(biāo)定和激光器標(biāo)定。標(biāo)定過程中，兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位置不可以變化移動(dòng)，對(duì)于設(shè)備不同位置的標(biāo)定需要開啟全站儀的搬站功能，保證全站儀更換位置后測(cè)量基準(zhǔn)前后一致。

2.1 基準(zhǔn)標(biāo)定
在軌道上貼2 個(gè)反光片作為基點(diǎn)O1 和O2，調(diào)整全站儀，建立坐標(biāo)系。O1 和O2 點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)。全站儀距離堆取料機(jī)及軌道盡可能的遠(yuǎn)，減小后續(xù)測(cè)量誤差。兩基點(diǎn)的連線為X 軸，Y 軸位于垂直軌道的水平方向，Z 軸垂直水平面向上。

2.2 臂架定點(diǎn)標(biāo)定
如圖7 所示，沿懸臂左側(cè)長(zhǎng)度方向貼2 個(gè)反光片M和N，兩點(diǎn)之間的距離選取大一些，注意MN 連線要與懸臂保持平行，用同樣的方式再標(biāo)定臂架右側(cè)。

圖 7 懸臂貼片

2.3 激光器標(biāo)定
如圖8 所示，在激光器（或者轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）外側(cè)貼3個(gè)反光片，其中2 個(gè)與激光器掃描方向平行，2 個(gè)與掃描方向垂直。

（a）左側(cè)3D 激光器

圖 8 激光器貼片

表1 為堆取料機(jī)4 臺(tái)激光器及主要機(jī)械參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果。

3 精度驗(yàn)證方法
選取固定料堆對(duì)象，利用全站儀對(duì)堆垛邊界的典型位置進(jìn)行標(biāo)定，分別對(duì)應(yīng)不同的俯仰角度或者回轉(zhuǎn)角度，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，通過人工計(jì)算或者智能計(jì)算與編碼器值進(jìn)行比較，完成編碼器的標(biāo)定。測(cè)量的料堆輪廓如圖9所示。

圖 9 測(cè)試料堆輪廓圖

3D 激光器的驗(yàn)證需要考慮三種情況
1）單機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，利用3D 掃描儀轉(zhuǎn)動(dòng)掃描物料，保存物料的三維數(shù)據(jù)并對(duì)全站儀標(biāo)定的物料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較，驗(yàn)證此種測(cè)量模式的測(cè)量精度。
2）3D 掃描儀在機(jī)械零點(diǎn)位置，單機(jī)大車移動(dòng)，對(duì)物料進(jìn)行掃描測(cè)量，保存三維數(shù)據(jù)并與全站儀標(biāo)定的物料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較，驗(yàn)證此種測(cè)量模式的測(cè)量精度。
3）2D 掃描儀在機(jī)械零點(diǎn)位置，堆取料機(jī)懸臂擺動(dòng)，對(duì)堆垛進(jìn)行掃描測(cè)量，保存三維數(shù)據(jù)并與全站儀標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較，驗(yàn)證此種測(cè)量模式的測(cè)量精度。經(jīng)測(cè)試和參數(shù)調(diào)整，全自動(dòng)系統(tǒng)的精度滿足全自動(dòng)系統(tǒng)精度技術(shù)指標(biāo)要求（偏差＜ 20 cm），如表2 所示，掃描偏差≤ 11 cm，滿足全自動(dòng)功能要求。

4 總結(jié)
在理清堆取料機(jī)全自動(dòng)系統(tǒng)中三個(gè)坐標(biāo)系之間的數(shù)學(xué)關(guān)系后，將相關(guān)計(jì)算融合進(jìn)全自動(dòng)軟件，通過對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵位置進(jìn)行精確標(biāo)定，確定相關(guān)激光器的姿態(tài)參數(shù)，再通過標(biāo)定料堆高度，與全自動(dòng)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而完成全自動(dòng)系統(tǒng)的精度驗(yàn)證。通過精度驗(yàn)證確保了全自動(dòng)堆取料機(jī)激光掃描系統(tǒng)的掃描精度，從而確保堆取料機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行。

由于堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)、大車等機(jī)構(gòu)本身存在回程間隙，全自動(dòng)系統(tǒng)精度的進(jìn)一步提高還需要機(jī)械方面的加工和安裝精度進(jìn)一步提高。