概述

本期小西為大家?guī)矶嘣婆_3D掃描與點云數(shù)據(jù)融合在火車自動抽樣系統(tǒng)的應(yīng)用介紹。

西克的激光雷達以及3D云臺，由于具有遠距離大場景測量以及良好的室外環(huán)境適用性與抗干擾性能，在鋼鐵、化工、冶金、物流等多個行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用場景

火車自動抽樣系統(tǒng)應(yīng)用:在頂部有頂棚覆蓋長400m的鐵軌區(qū)域，?？康幕疖囉啥喙?jié)載有待采樣礦料的車廂組成，需要采用自動化改造來代替人工采樣，自動定位每節(jié)車廂內(nèi)可安全進行采樣的區(qū)域并提供采樣坐標集合給抽樣控制系統(tǒng)，以便排除人為干擾，節(jié)約人力并提升作業(yè)效率。

單個云臺無法覆蓋如此狹長的大范圍的區(qū)域，根據(jù)測算使用9個云臺進行3D掃描，然后對每個云臺的點云數(shù)據(jù)進行融合，最后對火車所有車廂數(shù)據(jù)進行去噪，分割以及定位處理。

受限于單臺電腦的處理能力，多云臺的掃描系統(tǒng)往往需要使用多臺電腦分別對部分云臺進行控制，因此往往需要采用分布式的通訊(采用主站+3個從站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu))，即從站各臺電腦分別采集部分云臺的數(shù)據(jù)進行采集，最終匯總到主站計算。

由此，主站的計算數(shù)據(jù)量劇增，為了滿足生產(chǎn)作業(yè)的實時性，往往需進行計算加速。

上圖分別為人工采樣以及改造后的采樣機器人自動采樣

多個云臺系統(tǒng)標定與點云融合

SICK  為了實現(xiàn)大范圍掃描，需要對每個云臺掃描的點云數(shù)據(jù)進行拼接與數(shù)據(jù)融合，并最終整合成一個統(tǒng)一坐標系的火車車廂模型。

標定方案使用不同的云臺掃描標定箱，然后再通過高精度測繪設(shè)備來測繪標定箱上角點，基于多組對應(yīng)數(shù)據(jù)計算出當前云臺掃描坐標系與全局測繪坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以此類推，從而實現(xiàn)將多個云臺掃描坐標系都統(tǒng)一到測繪全局坐標系。如下圖所示。

最終掃描拼接效果如下圖所示

分布式通訊

基于OPC_UA的通訊方式，不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)中多個從站電腦與主站系統(tǒng)的分布式通訊，而且實現(xiàn)了云臺掃描系統(tǒng)與上位機c#軟件的通訊，相比于傳統(tǒng)的TCP/IP通訊方式，傳輸更加穩(wěn)定安全，且便于不同編程語言所寫軟件的通訊。

并行計算加速

單云臺的單次采集的點云個數(shù)為230萬點左右，因此9個云臺的采集點云數(shù)據(jù)到達2000萬點左右，400米掃描范圍以內(nèi)的定位車廂多達29節(jié)，為減少數(shù)據(jù)處理時間，系統(tǒng)采用基于OpenMP并行計算加速。相比于普通的多線程加速，OpenMP并行計算加速更適用于算法中多個相同的對象需要并行計算的情況，滿足了用戶對現(xiàn)場采用作業(yè)節(jié)拍的要求。

系統(tǒng)優(yōu)勢

多個云臺標定與數(shù)據(jù)融合

覆蓋范圍更大，可滿足大場景高精度的定位需求。

分布式通訊

可根據(jù)客戶現(xiàn)場的情況合理分配多臺計算機資源，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊與采集以及計算效率的最大化。

并行計算加速

適用并行計算加速的方法，處理海量的點云數(shù)據(jù)，減少了計算時間，保證了數(shù)據(jù)的反饋的及時性。

典型應(yīng)用案例

多個云臺定點安裝進行掃描，或多個雷達或云臺配合作業(yè)機械運動，然后進行大場景的3D掃描及相關(guān)應(yīng)用，特別在料場自動堆取料與盤庫系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用：

1.  頂棚庫區(qū)物料定點盤庫系統(tǒng)(通常無運動機械，云臺定點安裝在頂棚上)：

2.  基于多雷達與多行車料場堆取料與盤庫系統(tǒng)

3.  基于斗輪機的料場堆取料與盤庫系統(tǒng)

總結(jié)

SICK多云臺掃描與點云數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，憑借其簡易標定、分布式通訊的靈活性及高效計算能力，適用于大范圍高精度掃描與定位場景，為用戶的工藝流程自動化提供可靠保障。