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.德陽和新環保發電有限責任公司，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）

隨著國民經濟發展和國家新能源發展政策的支持，生活垃圾焚燒發電產業近10 年得到了迅猛發展，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的功能要求。聶福全等通過對垃圾高度、區域劃分、防搖擺、全自動工藝優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格劃分鄰域點差值法選擇垃圾安全取料位置，實現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，建立垃圾庫和投料區的三維模型，利用網格法分析可選取料點周圍的坡度，確定平坦安全取料點，同時監測垃圾吊抓斗抓料時傾斜狀態，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

激光掃描系統包括系統服務器、2 套垃圾庫激光掃描裝置、2 套投料區激光掃描裝置，激光掃描裝置的掃描數據實時傳輸至系統服務器。

2 套投料區激光掃描裝置分別布置于2 個投料區的上方，用于掃描投料區內部物料和邊緣的全景信息。投料區激光掃描裝置包括固定支架、角度調節機構、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。角度調節機構為不銹鋼材料，用于安裝時調節激光掃描儀的角度。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。角度調節機構采用三維萬向節結構，可左右旋轉和上下俯仰調節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8 臺掃描儀實時生成垃圾庫全景點云數據。系統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據，建立垃圾庫和投料區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，并實時監測抓斗抓料時的傾斜狀態，確保垃圾吊抓料時的安全傾斜角度，避免發生傾覆等安全事件。

2 三維建模

通過對整個垃圾庫的測繪定位參數，以垃圾庫中心靠近投料區一側邊緣中點為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據，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 垃圾庫網格化

根據垃圾庫長寬高將場地按照Grid 粒度進行劃分，得X 軸方向點數量為Num1=LG/Grid，Y 軸方向點數量為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域的坡度：

對目標取料點坐標T(xT,yT,zT)，設抓斗工作區域半徑為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 列的區域，遍歷該區域中的網格點，計算其與目標取料點的斜率，將區域內的網格點記為：

將Dir 投影在XY 平面得：

根據垃圾庫工作技術要求，設定適合垃圾吊正常作業的物料坡度閾值為THD,，若存在一定數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域內的點集，得抓斗點云集合MG，提取出的抓斗點云數據圖像如圖2 所示。

圖2 提取出的抓斗點云數據圖像

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。根據掃描儀點云粒度設置步長ZTick，根據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，FYZ，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界的研究重點。本文利用激光掃描系統，建立垃圾庫和投料區的三維模型，利用網格法分析可選取料點與取料區間范圍的坡度，確定平坦安全取料點及最優取料點，同時監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據，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，實時監測抓斗抓料時安全狀態。