本文是一篇機械論文，本文提出的車體位姿識別測量系統與方法，能夠準確地測量出車斗長寬和車幫高度，並對車斗位置進行準確定位，為智能裝車系統提供了裝車所需的車體信息。實驗表明，該車體位置尺寸測量方法能夠滿足裝車系統對車斗定位精度的要求，為裝車作業實現自動化、提高裝車效率、減輕工人勞動強度提供了前期理論依據和技術方法支持。
第 1 章 緒論
1.1 課題提出的背景和意義
1.1.1 課題提出的背景
近年來，在水泥、麵粉等袋裝產品行業，基本實現了自動生產、包裝和碼垛[1]，但其裝車任務還未完全實現自動化，仍然需要一定量的人工參與來完成[2]-[3]。我國袋裝物料產量巨大，近年來，中國的水泥產量穩居世界第一，占世界水泥總產量超過50%。我國的水泥產量在 2017 年達到 23.16 億噸，其中袋裝水泥的產量約占水泥總產量的一半。麵粉產量在 2017 年為 1.38 億噸，化肥自 2012 年之後產量穩定在 0.7億噸左右，麵粉和化肥基本上也都是採用袋裝。通過對河北省某水泥廠的調研得出，如果將現有袋裝物料人工裝車改為自動裝車，平均每噸可節約人工裝車費用約為 3元，根據對近幾年得到的數據保守估計，在我國，僅袋裝水泥、麵粉、化肥行業，每年可節約裝車費約 40.98 億元。
此外，通過調查走訪發現，在各行業中從事裝車作業的主體一一裝車工人，基本都屬於“60 後”和“70 後”人員，而年輕一代的“80 後”和“90 後”基本沒有人願意從事裝車方面的體力勞動工作。也就是說，從事裝車一類工作的後續人員非常匱乏[4]。而且，很大一部分行業在裝車物流方面存在環境惡劣，工作量過大，工作場所粉塵含量超標等情況，工人長期處在這種環境中工作，極易出現職業病[5]。例如長期搬運雲母和水泥，會使工人得矽肺（矽肺、塵肺）；長期搬運苯胺等化工產品，會造成皮膚黏膜的損傷和腐蝕，散發出的刺鼻氣味或粉塵會還會引起咽炎、肺炎、甚至是心臟停搏。
.........................
1.2 國內外研究現狀
在裝車物流領域，料袋的全自動化裝車是物流運輸中不可或缺的關鍵一環，目前國內仍處於起步階段，國際上也僅限於部分行業針對其相應的產品開發出部分相關的自動化裝車機構。總的來講，袋裝物料智能裝車機器人系統的研究目前仍處於起步階段，多數技術方案停留在現有生產線和機器人的簡單組合，對於機器人構型設計與優選的研究工作成果很少，並且均沒有涉及對車體位姿的識別，車廂測量方面只探討了尺寸測量方法，多數系統方案還停留在人工輸入車廂參數階段，或限定少數尺寸和形狀特定的車輛。本項目正是從實現袋裝物料智能在線裝車任務的整體出發，針對待裝車輛車體位姿識別問題進行研究。
1.2.1 裝車機構的研究現狀
目前，國內外在裝車物流領域，袋裝物料的裝車方式都經歷了從主要依靠人工裝車到逐漸減少人工參與的過程。整個發展過程可大致分為三個階段：
第一階段是通過大量的裝車工人加簡單的裝車器具來完成物料的裝車。在這一階段，工人主要利用小推車、叉車等工具將貨物運送至貨車附近，然後由人工將貨物搬運至車斗並完成貨物在車斗內的碼放工作，或直接由叉車搬運至車斗上。此種裝車方式通用性強、機動靈活，現在很多微小型企業仍大量採用該種裝車方式。但其裝車效率低、人工成本高、裝車工人長期處於高污染高粉塵的環境中，工人的身體健康難以保證。
第二階段是用專用的裝車機構加少量的裝車工人來完成袋裝物料的裝車作業。通過可伸縮及可升降的傳送裝置將袋裝貨物運送至車斗上方，然後由人工卸下。相較於上一階段的裝車方式，這種裝車方式不僅效率高而且裝車的人工成本低。但是，仍需沒有擺脫裝車過程中的人工的參與，仍然需要一定的一線人工來配合完成裝車，裝車過程存在一定的安全隱患，工人的身體健康仍難以保證。或者採用機械臂抓取袋裝物料將貨物直接或間接的裝運至車斗上。這種裝車方式雖然大大提高了自動化程度，但其對車型和停車位置的要求較高，裝車效率低，不適用於大型車輛以及快速裝車。
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第 2 章 智能裝車原理及系統構成
2.1 智能裝車系統的設計
經過課題組對智能裝車系統各個環節的討論研究得出，本文涉及的智能裝車系統應具備以下模塊及功能：
1）為了取代人工接料以及碼垛裝車，應設計裝車碼垛機構，將生產線上傳送過來的物料袋自動碼放到車斗上。同時考慮到載貨車輛一般都較大，因此裝車碼垛執行子系統能適用的裝車碼垛範圍要大；
2）裝車碼垛機構在車斗內碼垛之前首先要知道車體的位置以及大小，此處不能通過人工測量，要實現自動測量。因此要引入機器視覺測量系統，即車體位姿測量子系統，通過車體位姿測量子系統來自動獲取載貨車輛的車體位姿信息；
3）應有上位機通訊控制子系統，一方面控制車斗位姿測量子系統進行車斗位姿信息提取，另一方面要控制機器人碼垛子系統進行裝車碼垛；
4）整體智能裝車系統設計完成後，還需要有袋裝產品傳送子系統。袋裝產品傳送子系統負責將物料運送給裝車機器人系統，進而完成裝車碼放。
.........................
2.2 各子系統功能介紹
為了使讀者更加清晰地了解整個智能裝車系統，本文對各子系統的結構和功能進行詳細介紹。
2.2.1 上位機通訊控制子系統
上位機通訊控制子系統是整個智能裝車系統的“神經中樞”，其主要由計算機以及數據傳輸線構成。計算機發送指令通過數據傳輸線傳送到其它子系統，使得其它子系統完成相應動作。同時子系統完成相應動作後反饋信號通過數據傳輸線反饋回計算機。通過上位機通訊控制子系統對其他子系統的整體控制，實現各個子系統之間的協調配合併順利完成裝車。它控制車體位姿測量子系統中二維雷射雷達和旋轉平台的協調配合，向雷達發送指令完成車體掃描，通過數據處理提取出車體位姿；通過控制裝車碼垛執行子系統完成袋裝物料的裝車動作。
2.2.2 車體位姿測量子系統
車斗位姿測量子系統的硬體組成主要為： 1）二維雷射雷達； 2）旋轉工作檯； 3）連接板； 4）導電滑環； 5）吊架； 6）多功能控制卡。
車體位姿測量子系統是整個裝車系統的核心部分，只有首先測得待裝車輛車體的位姿信息，才能控制裝車碼垛子系統進行裝車。可以說準確地獲取待裝車輛車體位姿是實現袋裝物料智能裝車的前提與關鍵。考慮到裝車現場可能處於高粉塵的環境，甚至裝車現場可能為露天環境，因此引入雷射雷達視覺測量系統。由旋轉工作檯帶動二維雷射雷達旋轉掃描，實現對載貨車輛的三維掃描。然後根據掃描得到的點雲數據提取車斗尺寸及位姿信息。該子系統主要功能就是獲得準確的車斗尺寸和位置，並提供給裝車碼垛執行子系統。其中該子系統的搭建、主要硬體設施的選型及與上位機建立通訊等具體內容在第三章詳細介紹。
........................
第 3 章 車體位姿測量子系統 ························· 17
3.1 車體位姿測量子系統概述 .................................. 17
3.1.1 車斗掃描測量子系統的工作原理 ........................ 17
3.1.2 車體位姿測量子系統的構成 .................... 19
第 4 章 車體位姿信息提取算法及流程 ······················· 33
4.1 車體位姿測量子系統的搭建 ............................ 33
4.2 車斗模型點雲數據獲取 ............................. 34
第 5 章 數據處理與實驗 ························· 49
5.1 車體位姿測量子系統控制軟體的開發 ........................... 49
5.2 模擬車體測量實驗 ...................... 51
第 5 章 數據處理與實驗
5.1 車體位姿測量子系統控制軟體的開發
為了更好的將本課題所研究的車體位姿測量系統應用到智能裝車領域，開發了智能裝車機器人車體位姿測量系統控制軟體。本軟體的操作介面主要包括：登陸介面、車體位姿測量介面以及幫助介面。
（1）登陸介面
登陸介面如圖 5-1 所示，輸入賬號“河北科技大學”和密碼“2018”，即可進入車體位姿測量主介面。如果輸入正確的賬號和密碼彈出登陸成功提示窗口，如圖 5-2a)所示，如果賬號密碼輸入錯誤或者未輸入賬號密碼，系統會彈出相應的錯誤提示窗口，如圖 5-2b)、5-2c)所示。
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結論
本文針對我國袋裝物料半自動化裝車模式裝車效率低、工人勞動強度大的現狀，對袋裝物料智能裝車系統進行了深入研究，設計研發了一套袋裝物料智能裝車系統並重點研究了該系統中車體位姿識別測量模塊。通過對袋裝物料智能裝車系統的設計與研究，對本文所做的工作及研究成果總結如下：
1）通過分析介紹本課題的研究背景及國內外研究現狀，指出現階段我國袋裝物料裝車模式存在的問題，其主要問題是人工參與度高，裝車效率低，不能實現自動化裝車。其根本原因是在現有裝車系統中缺乏車體位姿識別裝置，只能靠人工引導來進行裝車；
2）針對上述分析得到的結論，本文重點設計了袋裝物料智能裝車系統中載貨車輛車體位姿識別測量模塊。融入了機器視覺技術，採用雷射雷達來代替人眼識別的功能，實現載貨車輛車斗位姿的智能測量。開發基於二維雷射雷達的三維測量系統，設計專用雷達吊架，實現對貨車車體的非接觸測量，獲取車斗點雲數據；
3）在實驗室環境下搭建車體測量系統並採用泡沫板搭建了模擬車斗模型，通過對模擬車斗模型進行掃描測量獲取模型的三維點雲數據。通過觀察車斗模型的點雲數據，開發了一整套車體位姿識別測量算法。在實驗室經過多次測量實驗，並將測量結果與真實值進行對比，結果表明本測量系統的測量誤差在雷射雷達允許的誤差範圍（±30mm）內。在戶外進行真實車體測量試驗，試驗結果表明車體測量精度仍然滿足雷射雷達允許的誤差範圍，因此證明了該掃描系統正確可靠；
4）在 MATLAB 編程環境下，設計開發了袋裝物料智能裝車機器人車體位姿測量系統的控制軟體。該軟體主要包括車斗測量、點雲顯示、點雲數據處理、車體位姿顯示等模塊組成。該軟體的設計方便了用戶對車體位姿的測量，使得工人可以在遠離裝車現場的地方進行裝車操控，進而實現袋裝物料的智能裝車。
參考文獻（略）
第 1 章 緒論
1.1 課題提出的背景和意義
1.1.1 課題提出的背景
近年來，在水泥、麵粉等袋裝產品行業，基本實現了自動生產、包裝和碼垛[1]，但其裝車任務還未完全實現自動化，仍然需要一定量的人工參與來完成[2]-[3]。我國袋裝物料產量巨大，近年來，中國的水泥產量穩居世界第一，占世界水泥總產量超過50%。我國的水泥產量在 2017 年達到 23.16 億噸，其中袋裝水泥的產量約占水泥總產量的一半。麵粉產量在 2017 年為 1.38 億噸，化肥自 2012 年之後產量穩定在 0.7億噸左右，麵粉和化肥基本上也都是採用袋裝。通過對河北省某水泥廠的調研得出，如果將現有袋裝物料人工裝車改為自動裝車，平均每噸可節約人工裝車費用約為 3元，根據對近幾年得到的數據保守估計，在我國，僅袋裝水泥、麵粉、化肥行業，每年可節約裝車費約 40.98 億元。
此外，通過調查走訪發現，在各行業中從事裝車作業的主體一一裝車工人，基本都屬於“60 後”和“70 後”人員，而年輕一代的“80 後”和“90 後”基本沒有人願意從事裝車方面的體力勞動工作。也就是說，從事裝車一類工作的後續人員非常匱乏[4]。而且，很大一部分行業在裝車物流方面存在環境惡劣，工作量過大，工作場所粉塵含量超標等情況，工人長期處在這種環境中工作，極易出現職業病[5]。例如長期搬運雲母和水泥，會使工人得矽肺（矽肺、塵肺）；長期搬運苯胺等化工產品，會造成皮膚黏膜的損傷和腐蝕，散發出的刺鼻氣味或粉塵會還會引起咽炎、肺炎、甚至是心臟停搏。
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1.2 國內外研究現狀
在裝車物流領域，料袋的全自動化裝車是物流運輸中不可或缺的關鍵一環，目前國內仍處於起步階段，國際上也僅限於部分行業針對其相應的產品開發出部分相關的自動化裝車機構。總的來講，袋裝物料智能裝車機器人系統的研究目前仍處於起步階段，多數技術方案停留在現有生產線和機器人的簡單組合，對於機器人構型設計與優選的研究工作成果很少，並且均沒有涉及對車體位姿的識別，車廂測量方面只探討了尺寸測量方法，多數系統方案還停留在人工輸入車廂參數階段，或限定少數尺寸和形狀特定的車輛。本項目正是從實現袋裝物料智能在線裝車任務的整體出發，針對待裝車輛車體位姿識別問題進行研究。
1.2.1 裝車機構的研究現狀
目前，國內外在裝車物流領域，袋裝物料的裝車方式都經歷了從主要依靠人工裝車到逐漸減少人工參與的過程。整個發展過程可大致分為三個階段：
第一階段是通過大量的裝車工人加簡單的裝車器具來完成物料的裝車。在這一階段，工人主要利用小推車、叉車等工具將貨物運送至貨車附近，然後由人工將貨物搬運至車斗並完成貨物在車斗內的碼放工作，或直接由叉車搬運至車斗上。此種裝車方式通用性強、機動靈活，現在很多微小型企業仍大量採用該種裝車方式。但其裝車效率低、人工成本高、裝車工人長期處於高污染高粉塵的環境中，工人的身體健康難以保證。
第二階段是用專用的裝車機構加少量的裝車工人來完成袋裝物料的裝車作業。通過可伸縮及可升降的傳送裝置將袋裝貨物運送至車斗上方，然後由人工卸下。相較於上一階段的裝車方式，這種裝車方式不僅效率高而且裝車的人工成本低。但是，仍需沒有擺脫裝車過程中的人工的參與，仍然需要一定的一線人工來配合完成裝車，裝車過程存在一定的安全隱患，工人的身體健康仍難以保證。或者採用機械臂抓取袋裝物料將貨物直接或間接的裝運至車斗上。這種裝車方式雖然大大提高了自動化程度，但其對車型和停車位置的要求較高，裝車效率低，不適用於大型車輛以及快速裝車。
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第 2 章 智能裝車原理及系統構成
2.1 智能裝車系統的設計
經過課題組對智能裝車系統各個環節的討論研究得出，本文涉及的智能裝車系統應具備以下模塊及功能：
1）為了取代人工接料以及碼垛裝車，應設計裝車碼垛機構，將生產線上傳送過來的物料袋自動碼放到車斗上。同時考慮到載貨車輛一般都較大，因此裝車碼垛執行子系統能適用的裝車碼垛範圍要大；
2）裝車碼垛機構在車斗內碼垛之前首先要知道車體的位置以及大小，此處不能通過人工測量，要實現自動測量。因此要引入機器視覺測量系統，即車體位姿測量子系統，通過車體位姿測量子系統來自動獲取載貨車輛的車體位姿信息；
3）應有上位機通訊控制子系統，一方面控制車斗位姿測量子系統進行車斗位姿信息提取，另一方面要控制機器人碼垛子系統進行裝車碼垛；
4）整體智能裝車系統設計完成後，還需要有袋裝產品傳送子系統。袋裝產品傳送子系統負責將物料運送給裝車機器人系統，進而完成裝車碼放。
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2.2 各子系統功能介紹
為了使讀者更加清晰地了解整個智能裝車系統，本文對各子系統的結構和功能進行詳細介紹。
2.2.1 上位機通訊控制子系統
上位機通訊控制子系統是整個智能裝車系統的“神經中樞”，其主要由計算機以及數據傳輸線構成。計算機發送指令通過數據傳輸線傳送到其它子系統，使得其它子系統完成相應動作。同時子系統完成相應動作後反饋信號通過數據傳輸線反饋回計算機。通過上位機通訊控制子系統對其他子系統的整體控制，實現各個子系統之間的協調配合併順利完成裝車。它控制車體位姿測量子系統中二維雷射雷達和旋轉平台的協調配合，向雷達發送指令完成車體掃描，通過數據處理提取出車體位姿；通過控制裝車碼垛執行子系統完成袋裝物料的裝車動作。
2.2.2 車體位姿測量子系統
車斗位姿測量子系統的硬體組成主要為： 1）二維雷射雷達； 2）旋轉工作檯； 3）連接板； 4）導電滑環； 5）吊架； 6）多功能控制卡。
車體位姿測量子系統是整個裝車系統的核心部分，只有首先測得待裝車輛車體的位姿信息，才能控制裝車碼垛子系統進行裝車。可以說準確地獲取待裝車輛車體位姿是實現袋裝物料智能裝車的前提與關鍵。考慮到裝車現場可能處於高粉塵的環境，甚至裝車現場可能為露天環境，因此引入雷射雷達視覺測量系統。由旋轉工作檯帶動二維雷射雷達旋轉掃描，實現對載貨車輛的三維掃描。然後根據掃描得到的點雲數據提取車斗尺寸及位姿信息。該子系統主要功能就是獲得準確的車斗尺寸和位置，並提供給裝車碼垛執行子系統。其中該子系統的搭建、主要硬體設施的選型及與上位機建立通訊等具體內容在第三章詳細介紹。
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第 3 章 車體位姿測量子系統 ························· 17
3.1 車體位姿測量子系統概述 .................................. 17
3.1.1 車斗掃描測量子系統的工作原理 ........................ 17
3.1.2 車體位姿測量子系統的構成 .................... 19
第 4 章 車體位姿信息提取算法及流程 ······················· 33
4.1 車體位姿測量子系統的搭建 ............................ 33
4.2 車斗模型點雲數據獲取 ............................. 34
第 5 章 數據處理與實驗 ························· 49
5.1 車體位姿測量子系統控制軟體的開發 ........................... 49
5.2 模擬車體測量實驗 ...................... 51
第 5 章 數據處理與實驗
5.1 車體位姿測量子系統控制軟體的開發
為了更好的將本課題所研究的車體位姿測量系統應用到智能裝車領域，開發了智能裝車機器人車體位姿測量系統控制軟體。本軟體的操作介面主要包括：登陸介面、車體位姿測量介面以及幫助介面。
（1）登陸介面
登陸介面如圖 5-1 所示，輸入賬號“河北科技大學”和密碼“2018”，即可進入車體位姿測量主介面。如果輸入正確的賬號和密碼彈出登陸成功提示窗口，如圖 5-2a)所示，如果賬號密碼輸入錯誤或者未輸入賬號密碼，系統會彈出相應的錯誤提示窗口，如圖 5-2b)、5-2c)所示。
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結論
本文針對我國袋裝物料半自動化裝車模式裝車效率低、工人勞動強度大的現狀，對袋裝物料智能裝車系統進行了深入研究，設計研發了一套袋裝物料智能裝車系統並重點研究了該系統中車體位姿識別測量模塊。通過對袋裝物料智能裝車系統的設計與研究，對本文所做的工作及研究成果總結如下：
1）通過分析介紹本課題的研究背景及國內外研究現狀，指出現階段我國袋裝物料裝車模式存在的問題，其主要問題是人工參與度高，裝車效率低，不能實現自動化裝車。其根本原因是在現有裝車系統中缺乏車體位姿識別裝置，只能靠人工引導來進行裝車；
2）針對上述分析得到的結論，本文重點設計了袋裝物料智能裝車系統中載貨車輛車體位姿識別測量模塊。融入了機器視覺技術，採用雷射雷達來代替人眼識別的功能，實現載貨車輛車斗位姿的智能測量。開發基於二維雷射雷達的三維測量系統，設計專用雷達吊架，實現對貨車車體的非接觸測量，獲取車斗點雲數據；
3）在實驗室環境下搭建車體測量系統並採用泡沫板搭建了模擬車斗模型，通過對模擬車斗模型進行掃描測量獲取模型的三維點雲數據。通過觀察車斗模型的點雲數據，開發了一整套車體位姿識別測量算法。在實驗室經過多次測量實驗，並將測量結果與真實值進行對比，結果表明本測量系統的測量誤差在雷射雷達允許的誤差範圍（±30mm）內。在戶外進行真實車體測量試驗，試驗結果表明車體測量精度仍然滿足雷射雷達允許的誤差範圍，因此證明了該掃描系統正確可靠；
4）在 MATLAB 編程環境下，設計開發了袋裝物料智能裝車機器人車體位姿測量系統的控制軟體。該軟體主要包括車斗測量、點雲顯示、點雲數據處理、車體位姿顯示等模塊組成。該軟體的設計方便了用戶對車體位姿的測量，使得工人可以在遠離裝車現場的地方進行裝車操控，進而實現袋裝物料的智能裝車。
參考文獻（略）
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