概述

本期小西為大家?guī)?lái)多云臺(tái)3D掃描與點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合在火車(chē)自動(dòng)抽樣系統(tǒng)的應(yīng)用介紹。

西克的激光雷達(dá)以及3D云臺(tái)，由于具有遠(yuǎn)距離大場(chǎng)景測(cè)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(gè)行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用場(chǎng)景

火車(chē)自動(dòng)抽樣系統(tǒng)應(yīng)用:在頂部有頂棚覆蓋長(zhǎng)400m的鐵軌區(qū)域，?？康幕疖?chē)由多節(jié)載有待采樣礦料的車(chē)廂組成，需要采用自動(dòng)化改造來(lái)代替人工采樣，自動(dòng)定位每節(jié)車(chē)廂內(nèi)可安全進(jìn)行采樣的區(qū)域并提供采樣坐標(biāo)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(gè)云臺(tái)無(wú)法覆蓋如此狹長(zhǎng)的大范圍的區(qū)域，根據(jù)測(cè)算使用9個(gè)云臺(tái)進(jìn)行3D掃描，然后對(duì)每個(gè)云臺(tái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最后對(duì)火車(chē)所有車(chē)廂數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，分割以及定位處理。

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

由此，主站的計(jì)算數(shù)據(jù)量劇增，為了滿(mǎn)足生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)時(shí)性，往往需進(jìn)行計(jì)算加速。

上圖分別為人工采樣以及改造后的采樣機(jī)器人自動(dòng)采樣

多個(gè)云臺(tái)系統(tǒng)標(biāo)定與點(diǎn)云融合

SICK  為了實(shí)現(xiàn)大范圍掃描，需要對(duì)每個(gè)云臺(tái)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接與數(shù)據(jù)融合，并最終整合成一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系的火車(chē)車(chē)廂模型。

標(biāo)定方案使用不同的云臺(tái)掃描標(biāo)定箱，然后再通過(guò)高精度測(cè)繪設(shè)備來(lái)測(cè)繪標(biāo)定箱上角點(diǎn)，基于多組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前云臺(tái)掃描坐標(biāo)系與全局測(cè)繪坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以此類(lèi)推，從而實(shí)現(xiàn)將多個(gè)云臺(tái)掃描坐標(biāo)系都統(tǒng)一到測(cè)繪全局坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中多個(gè)從站電腦與主站系統(tǒng)的分布式通訊，而且實(shí)現(xiàn)了云臺(tái)掃描系統(tǒng)與上位機(jī)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(yǔ)言所寫(xiě)軟件的通訊。

并行計(jì)算加速

單云臺(tái)的單次采集的點(diǎn)云個(gè)數(shù)為230萬(wàn)點(diǎn)左右，因此9個(gè)云臺(tái)的采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)到達(dá)2000萬(wàn)點(diǎn)左右，400米掃描范圍以?xún)?nèi)的定位車(chē)廂多達(dá)29節(jié)，為減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，系統(tǒng)采用基于OpenMP并行計(jì)算加速。相比于普通的多線程加速，OpenMP并行計(jì)算加速更適用于算法中多個(gè)相同的對(duì)象需要并行計(jì)算的情況，滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采用作業(yè)節(jié)拍的要求。

系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

多個(gè)云臺(tái)標(biāo)定與數(shù)據(jù)融合

覆蓋范圍更大，可滿(mǎn)足大場(chǎng)景高精度的定位需求。

分布式通訊

可根據(jù)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的情況合理分配多臺(tái)計(jì)算機(jī)資源，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊與采集以及計(jì)算效率的最大化。

并行計(jì)算加速

適用并行計(jì)算加速的方法，處理海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減少了計(jì)算時(shí)間，保證了數(shù)據(jù)的反饋的及時(shí)性。

典型應(yīng)用案例

多個(gè)云臺(tái)定點(diǎn)安裝進(jìn)行掃描，或多個(gè)雷達(dá)或云臺(tái)配合作業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行大場(chǎng)景的3D掃描及相關(guān)應(yīng)用，特別在料場(chǎng)自動(dòng)堆取料與盤(pán)庫(kù)系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用：

1.  頂棚庫(kù)區(qū)物料定點(diǎn)盤(pán)庫(kù)系統(tǒng)(通常無(wú)運(yùn)動(dòng)機(jī)械，云臺(tái)定點(diǎn)安裝在頂棚上)：

2.  基于多雷達(dá)與多行車(chē)料場(chǎng)堆取料與盤(pán)庫(kù)系統(tǒng)

3.  基于斗輪機(jī)的料場(chǎng)堆取料與盤(pán)庫(kù)系統(tǒng)

總結(jié)

SICK多云臺(tái)掃描與點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，憑借其簡(jiǎn)易標(biāo)定、分布式通訊的靈活性及高效計(jì)算能力，適用于大范圍高精度掃描與定位場(chǎng)景，為用戶(hù)的工藝流程自動(dòng)化提供可靠保障。