一種基于機(jī)器視覺與激光雷達(dá)的灰?guī)煨读献詣?dòng)對(duì)接系統(tǒng)

［摘 要］我國(guó)石灰石– 石膏濕法脫硫電廠在脫硫過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量石膏與飛灰等固體廢物，這些廢物需要運(yùn)輸至電廠內(nèi)的指定貯存區(qū)域即灰?guī)爝M(jìn)行進(jìn)一步處理。目前，大多數(shù)電廠的灰?guī)烊圆捎萌斯げ僮鞯男读戏绞剑粌H勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，而且在惡劣的粉塵工作環(huán)境下，容易引發(fā)職業(yè)病和安全事故。為實(shí)現(xiàn)安全、高效的灰?guī)煨读希O(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺與激光雷達(dá)的灰?guī)煨读献詣?dòng)對(duì)接系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)多傳感器協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了車輛與灰?guī)斐隽峡诘母呔茸詣?dòng)對(duì)接。該方法相比現(xiàn)有技術(shù)，最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了車輛與灰?guī)熘g的自動(dòng)精準(zhǔn)對(duì)接，不需要人工參與指揮對(duì)接過(guò)程，從根本上解決了原有人工操作方式中的問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試，該方法實(shí)現(xiàn)了約99% 的對(duì)接成功率，相比傳統(tǒng)人工操作方式，效率提升明顯，運(yùn)行可靠，滿足工業(yè)使用需求。總體而言，該自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)能有效解決現(xiàn)有卸料方式的安全和效率問(wèn)題。

［關(guān)鍵詞］灰?guī)煨读希蛔詣?dòng)對(duì)接；機(jī)器視覺；激光雷達(dá)

［中圖分類號(hào)］TU621 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）01–0027–03

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤電生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致石灰石– 石膏濕法脫硫產(chǎn)生的煙氣脫硫產(chǎn)物（石膏與飛灰）數(shù)量急劇增加[1]。這些廢棄物通常需要運(yùn)輸至指定的貯存區(qū)域（即灰?guī)欤┻M(jìn)行進(jìn)一步處理。目前，大多數(shù)電廠的灰?guī)烊匀徊捎萌斯げ僮鞯男读戏绞剑ǔＰ枰僮魅藛T指揮駛?cè)氲能囕v對(duì)準(zhǔn)灰?guī)斐隽峡诤筮M(jìn)行卸料操作。這種操作方式不僅浪費(fèi)人力，而且在惡劣的粉塵環(huán)境下操作容易出現(xiàn)安全事故。

針對(duì)上述問(wèn)題，一些企業(yè)采取了半自動(dòng)化或簡(jiǎn)單自動(dòng)化的方式來(lái)進(jìn)行灰?guī)煨读蟍2-3]。例如，通過(guò)設(shè)備公司開發(fā)的集裝車自動(dòng)裝載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛到位后自動(dòng)放料口開閉和放料時(shí)間的控制。但是這類設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛與灰?guī)斐隽峡谥g的自動(dòng)對(duì)接，仍需操作人員通過(guò)指揮來(lái)進(jìn)行加注口的手動(dòng)匹配。又如，某電廠采用傳感器檢測(cè)車輛與出料口的距離，超過(guò)設(shè)定閾值則警報(bào)，但對(duì)接動(dòng)作仍需人工駕駛完成，安全性和自動(dòng)化程度均不高，存在一定的安全隱患。

因此，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與灰?guī)斐隽峡诟呔茸詣?dòng)對(duì)接的系統(tǒng)，具有重要的實(shí)際意義。基于此，文章提出了一種基于機(jī)器視覺與激光雷達(dá)的灰?guī)煨读献詣?dòng)對(duì)接系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)視覺與激光雷達(dá)設(shè)備獲取車輛與灰?guī)斐隽峡诘膱D像與空間信息，對(duì)兩者的相對(duì)位置進(jìn)行計(jì)算與分析，從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接。測(cè)試結(jié)果表明，該方法能有效解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

灰?guī)煨读献詣?dòng)對(duì)接系統(tǒng)主要由工控機(jī)、視覺相機(jī)、激光雷達(dá)、執(zhí)行器（機(jī)械臂）、傳感器等組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

其中，視覺相機(jī)安裝在灰?guī)煜路綄?duì)準(zhǔn)車頂拍攝，用于捕捉車頂圖像并識(shí)別車輛加注口；激光雷達(dá)安裝在灰?guī)焱獗砻妫瑢?duì)準(zhǔn)灰?guī)斐隽峡冢瑢?shí)現(xiàn)對(duì)出料口在三維空間中的定位；執(zhí)行器與出料口相連，在定位結(jié)果的引導(dǎo)下帶動(dòng)出料口運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接；位置與距離傳感器用于檢測(cè)車輛與出料口之間的相對(duì)位置關(guān)系。

該系統(tǒng)通過(guò)組合使用視覺圖像、激光雷達(dá)點(diǎn)云以及位置/ 距離傳感器，獲取車輛與灰?guī)斐隽峡诘耐暾畔ⅲ⒃诖嘶A(chǔ)上利用執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)兩者的自動(dòng)對(duì)接，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成合理，為實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接控制奠定了基礎(chǔ)。

1.2 工作原理

系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

當(dāng)車輛駛?cè)肟刂葡到y(tǒng)預(yù)設(shè)的卸料作業(yè)區(qū)域后，屋頂安裝的視覺相機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)圖像捕捉程序，獲取車頂景象并借助圖像處理算法識(shí)別車輛加注口區(qū)域，實(shí)時(shí)輸出加注口在圖像坐標(biāo)系下的二維位置信息。與此同時(shí)，系統(tǒng)激活安裝在出料口附近的激光雷達(dá)設(shè)備，其通過(guò)激光掃描快速獲取出料口周邊三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后輸出出料口空間的準(zhǔn)確三維位姿信息。上述圖像和空間信息會(huì)即時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)的核心工控機(jī)，根據(jù)兩者在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的數(shù)字信息，工控機(jī)運(yùn)用相關(guān)算法判斷車輛加注口與灰?guī)斐隽峡诋?dāng)前的空間距離關(guān)系，若兩者間距超過(guò)允許誤差則判定存在對(duì)接偏差。這時(shí)工控機(jī)會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)械臂系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，帶動(dòng)出料口運(yùn)動(dòng)對(duì)接至車輛加注口的正確空間位置，系統(tǒng)反復(fù)校驗(yàn)直至對(duì)接偏差滿足精度要求。上述過(guò)程全由控制系統(tǒng)自動(dòng)完成，無(wú)需人工判斷或操縱參與，對(duì)接精度高。對(duì)接成功后，系統(tǒng)自啟動(dòng)預(yù)設(shè)的卸料程序，打開出料口閘門，將車廂中的物料卸入灰?guī)靸?chǔ)存區(qū)，完成一次自動(dòng)卸料作業(yè)。

加注過(guò)程如圖3 所示，該系統(tǒng)通過(guò)視覺相機(jī)與激光雷達(dá)設(shè)備獲取車輛與灰?guī)斐隽峡诘膱D像與空間信息，根據(jù)兩者間的相對(duì)位置關(guān)系，利用執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)出料口的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)接，最終實(shí)現(xiàn)車輛與出料口的自動(dòng)化對(duì)接，無(wú)需人工參與指揮調(diào)整過(guò)程，自動(dòng)化程度高。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 車輛加注口視覺識(shí)別

車輛加注口視覺識(shí)別是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接的關(guān)鍵之一，主要分為圖像預(yù)處理、邊緣提取和匹配識(shí)別3 個(gè)步驟，具體流程如圖4 所示。考慮到該系統(tǒng)主要應(yīng)用于戶外實(shí)際環(huán)境，拍攝的車頂圖像中極易出現(xiàn)各種噪聲，因此需要進(jìn)行形態(tài)學(xué)“閉操作”預(yù)處理，這有助于消除噪點(diǎn)、連接斷裂邊緣、平滑圖像。進(jìn)行邊緣提取，選用中值濾波和Canny 算子的組合方法，前者有助于過(guò)濾噪聲，后者能檢測(cè)出圖像中的梯度變化部分即邊緣。根據(jù)車輛加注口的圓形結(jié)構(gòu)特征，采用連續(xù)等長(zhǎng)圓弧匹配算法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，該算法通過(guò)判斷對(duì)象的外輪廓是否近似圓形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加注口的匹配。測(cè)試結(jié)果表明，該視覺識(shí)別流程能適應(yīng)外界的復(fù)雜光照環(huán)境，成功識(shí)別率較高，為后續(xù)的自動(dòng)對(duì)接控制提供了關(guān)鍵的圖像信息。

2.2 激光雷達(dá)灰?guī)斐隽峡谧R(shí)別

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的灰?guī)斐隽峡谧R(shí)別流程如圖5所示，分為激光掃描、點(diǎn)云獲取、邊界擬合3 個(gè)步驟。

激光雷達(dá)對(duì)出料口區(qū)域進(jìn)行掃描，獲取出料口點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后基于出料口的圓柱體結(jié)構(gòu)特征，對(duì)點(diǎn)云邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法圓柱面擬合，獲得出料口的空間位姿信息。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提出系統(tǒng)的有效性，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛與灰?guī)斐隽峡诘淖詣?dòng)對(duì)接，對(duì)接成功率約為99%。相比人工操作指揮對(duì)接的方式，該系統(tǒng)降低了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的數(shù)量，減少了安全事故的發(fā)生，效率也有很大的提高。此外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足工業(yè)環(huán)境下的使用需求。今后須進(jìn)一步優(yōu)化各關(guān)鍵部件的性能，以提高對(duì)接的精確度與系統(tǒng)的智能化水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)灰?guī)煨读线^(guò)程中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺與激光雷達(dá)的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別車輛與灰?guī)斐隽峡诘膱D像與空間信息，從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩者的高精度對(duì)接。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。相比傳統(tǒng)的人工操作方式，該系統(tǒng)操作更加安全可靠、自動(dòng)化程度更高，不僅提升了卸料效率，也為灰?guī)斓陌踩a(chǎn)提供了技術(shù)保障，具有良好的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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