大雨天气集装箱AGV激光测距精度分析

港口科技·科研与技革　大雨天气集装箱ＡＧＶ激光测距　精度分析　张吉稳，张越，向绪爱　（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海２００１２５）　摘要：为了解决大雨天气因激光测距误差导致集装箱ＡＧＶ防撞系统的误报，分析　激光波在雨水中的反射、折射，以及在集装箱缓冲支架反光板表面水膜中的折射加　多次反射等因素对测距精度的影响。根据集装箱缓冲支架反光板表面是否存在水　膜，对激光反射及折射加多次反射的测距精度进行模拟测试。测试结果与理论分析　基本符合，为集装箱ＡＧＶ激光扫描仪在大雨天气的异常数据滤波提供帮助。　关键词：港口；集装箱；ＡＧＶ；激光测距精度；大雨天气　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ＡＧＶ　Ｌａｓｅｒ　Ｒａｎｇｉｎｇ　Ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｎ　Ｈｅａｖｙ　Ｒａｉｎ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｗｅｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕｅ，ＸＩＡＮＧ　Ｘｕａｉ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｚｈｅｎｈｕａ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００１２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｆａｌｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ＡＧＶ　ａｎｔｉ－ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｅｒｒｏｒ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ　ｒａｉｎ，ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｉｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｗｉｈ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｒｅｆｔｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｆｉｌｍ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ．Ｍｏｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｗａｔｅｒ　ｆｉｌｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｂｎｏｒｍａｌ　ｄａｔａ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ＡＧＶ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｅｒ　ｉｎ　ｈｅａｖｙ　ｒａｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔ；ｃｏｎｔａｉｎｅｒ；ＡＧＶ；ｌａｓｅｒ　ｒａｎｇｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ；ｈｅａｖｙ　ｒａｉｎ　０引　言　案是在ＡＧＶ前后各安装１个二维激光扫描仪。一　般选用德国Ｓｉｃｋ公司的ＬＭＳ５１１激光扫描仪，其　采用多次回波技术，可以穿透玻璃、雨雾、粉尘等。　在恶劣环境（雨、雪、雾霾及粉尘等）中，ＬＭＳ５１１激　在自动化集装箱码头系统中，为了避免集装　箱ＡＧＶ与其他设备、ＡＧＶ发生碰撞，一种解决方　·２６·　光扫描仪能够实现可靠的检测，从而准确识别出　真正被测物体的信号。但是，激光的穿透性有限，　雨滴和附着在非透明物体表面的水膜会影响测量　精度。激光在空气中传输，其折射率与空气压强、　空气温度和光的波长等因素有关。由于集装箱　ＡＧＶ的激光扫描仪进行的是水平检测，空气压强　和温度对激光折射率的影响非常小。㈣因此，在探　测过程中，集装箱ＡＧＶ的激光扫描仪发射出来的　激光波在空气中的折射可以忽略不计。　为了避免大雨对激光测距的影响，选用激光　扫描仪最后一层回波的数据，最大限度减少码头　恶劣环境对激光原始数据的影响。　１　ＬＭＳ５１１激光扫描仪圈　ＬＭＳ５１　１激光扫描仪（二维极坐标测距传感　器）可以探测一５ｏ　１８５ｏ范围内的数据，每隔一定的　角度（０．１６６　ｏ或０．２５。或０．５。等）输出一个距离值。　激光扫描仪的测距原理是利用飞行时问法，　即激光发射器发出一束激光的时刻记为ｔ　，若激　光波碰到物体后部分能量被返回，激光接收器收　到返回激光波的时刻为ｔ　。假设激光波在该介质　中的传播速度为　，于是物体与激光发射中心的　距离ｄ为　ｄ＝０．５　（　２一￡１）　（１）　２大雨天气对激光测距精度的影响　在大雨天气，虽然ＬＭＳ５１　ｌ激光扫描仪具备　多次回波技术，但是，激光波最多只能穿越４层雨　滴，若第５层仍然是雨滴，ＬＭＳ５１１激光扫描仪会　把第５层雨滴当成真实的障碍物。　２．１雨水折射对激光测距的影响　在大雨天气，特别是在雨水密集的情况下，第　５层回波碰到雨水而返回激光波的概率会大幅增　加。当激光波通过雨水时，会从空气折射到雨水，　然后再从雨水折射到空气中。　激光波的折射见图１。假设０点为激光发射　源，ＯＰ为激光极坐标系中０。的位置，圆Ｏ＇ＡＢ为　水滴，　为障碍物，在天气良好的情况下，激光波　探测到障碍物的距离为ＯＭ，角度为／＿ＰＯＭ，而激　光波在传输过程中遇到雨滴Ｏ＇ＡＢ并经过折射后，　激光行驶路线为Ｄ—　一日一　一　—　一Ｄ。激光　扫描仪根据公式（１）所示的飞行时间原理，在角度　为／＿＿ＰＯＡ的位置，认为在ＯＡ延长线上的　’位置　港口科技·科研与技革　存在一个物体，但实际上　’位置根本就没有物　体，该处的激光数据是错误的干扰数据。　激光源　一，一　／　…一一一一　—一…　：＝：　……　…　０　Ｐ　Ｃ　图１激光波的折射　２．２雨水反射对激光测距的影响　激光波的反射见图２。激光从０点发出，ＯＰ　为激光极坐标系中０ｏ的位置，实际障碍物在　点　位置。由于非透明物体表面有一层水膜，激光照　射到非透明物体表面的水膜后，会在Ａ点发生反　射而探测到物体　，系统误认为障碍物在非透明　物体后面　’点的位置，从而对激光原始数据产　生干扰。　０　………。……一。。……一＿一一…　……＿。’：■陴竹物　＼　／　＼　，／　…～＿　…………　～　…．．．　，　■■■■葛■７■■■■■■　、　、　、　图２激光波的反射　在晴朗天气，在角度为／＿ＰＯＡ的ＯＡ方向，激　光扫描仪发出的激光将在Ｂ点返回，其距离数据　对应于物理空间中的ＯＢ段。在大雨天气，由于激　光波传输到水膜表面，在Ａ点发生反射，反射后　探测到Ｍ点，然后激光再按照原路返回。于是，　／＿ＰＯＡ方向的激光波行走路线是Ｄ　—　一　—Ｄ。根据激光飞行时间的测距原理，激光扫描　仪返回的距离数据为　＋　，然而激光扫描仪　误认为障碍物在ＯＡ延长线　’的位置，大于真实　距离ＯＢ。　２．３反光板表面水膜折射和反射对激光数据的　影响　为了解决ＡＧＶ与堆场轨道吊交互过程不同　·２７·　港口科技·科研与技革　步而导致ＡＧＶ（或轨道吊）长时间等待的问题，在　ＡＧＶ与堆场轨道吊的交互位置，设置安装缓冲支　Ｂ—Ｃ—Ｄ一　一Ｄ—Ｃ一　一Ａ一０路径返回到激　光接收端。　Ｎ　架来临时存放集装箱。堆场缓冲支架见图３。ＡＧＶ　在堆场缓冲支架区域的运动过程中，为了避免　水膜　ＡＧＶ与缓冲支架发生碰撞或剐蹭．在缓冲支架侧　边安装防撞反光板，利用安装于ＡＧＶ前后的二　，　反光板　维激光扫描仪实时探测缓冲支架侧边反光板的　距离来实现防撞功能，避免ＡＧＶ侧边与支架之　间的剐蹭。　ｃ　＿４　Ｅ　Ｑｓ　Ｑ　Ｑ，　Ｑ　。激光源　Ｐ。。位置　图４水膜的连续折射和多次反射　假设激光波在雨水中的折射率为ｔｌ，，在空气　中的传输速度为　在雨水中的传输速度为　。激　光波从空气到雨水的折射过程中，入射角　ＯＡＱ　为　，在Ａ点对应的折射角　的折射原理有　１）１凡＝－Ｑ　为　，根据光　　Ｉ）２　ｓｉｎｐ　（２）　在整个过程中，激光波沿着Ｏ—　一日一Ｃ—　图３堆场缓冲支架　Ｄ—Ｅ—Ｄ—ｃ一　一Ａ一０路径传输，其中：ＯＡ段　激光波在空气中传输；　Ｂ，ＢＣ，ＣＤ，ＤＥ段激光波　水膜的连续折射和多次反射见图４。激光波　ＯＡ在照射到被附着一层水膜的反光板表面时，　假设在图４中水膜右侧没有激光波的能量返回。　首先，激光波照射到Ａ点，会有第１层回波沿着　０一／４—０路径返回激光接收端，随后在Ａ点发生　在水膜中传输。结合公式（２），激光波在这５段的　运行时间分别为　ｔＯＡ　ＷＡ＝——　．　４Ｂ　ｎＡＢ　一——　折射到Ｂ点，在　点有第２层回波沿着Ｄ—　一　曰—　一Ｄ路径返回激光接收端。其次，在曰点又　ＡＢ一——￡丽：　ＢＣ发生反射到ｃ点，在Ｃ点有第３层回波沿着Ｄ—　Ａ—Ｂ—Ｃ一曰　一０路径返回激光接收端。再　．　一　一　■　ＣＤ　ｎＣＤ　一一　：—ｎ　ＢＣ　（３）　Ｌ）　‘（：Ｉ１一一次，在ｃ点又发生反射到Ｄ点，在ＪＤ点有第４层　回波沿着Ｄ—　一８一Ｃ—Ｄ—Ｃ一日一Ａ一０路线　Ｉ）２　Ｉ　ＤＥ　ｎＤＥ　ＤＥ一——一——　返回到激光接收端。最后，在Ｄ点又反射到　点，　在Ｅ点有第５层（最后一层）回波沿着Ｄ　一　·从光的反射及几何学原理可知，　＝丽＝　＝　２８　·　丽。将公式（３）简化后，激光波从发射到接收的总　耗时ｔ为　ｔ：　（　＋４　）　（４）　１　在大雨天气，激光波在雨水中传输，但激光扫　描仪内部处理器仍然认为激光波还在空气中传　输。根据公式（１）的飞行时间测距原理，激光扫描　仪在角度为／＿ＰＯＡ发射出来的激光波ＯＡ的返回　距离　为　ｎ＝：０Ａ＋４　Ｂ　（５）　假设水膜的厚度为Ｗ，根据几何原理和三角函　数关系，结合公式（２），可以得到线段ＡＢ的长度为　Ａ—Ｂ　南　面ｎｗ　（６）　在晴朗天气，激光扫描仪在角度为Ｚ．ＰＯＡ发　射出来的激光波ＯＡ的返回距离值为线段ＯＦ，４　３　２　０　假　设为　，其距离为　ｄ—．＝　万　＿Ｉ　万＋—　一　（７）　激光扫描仪在角度为／ＰＯＡ发射出来的激光　波ＯＡ在反光板有水膜和没有水膜的２种不同情　况下的距离差值△ｄ为　Ａ　ｄ－－ｄ￣　（８）　结合公式（５）（６）（７）（８），整理后有　器一ｃ０　Ｓ　Ｃ旦　４ＯＳ　Ｏ／　、／＂２ｎ—２０ｗ　；Ｔ１２ｒｖ　一　ＣＯＳ（、　９）　光在水中的折射率ｎ＝１．３３，于是将公式（９）简　化后有　．Ａｄ＝ｗ７０７５６　一　……，）（１ｏ）　对于某次测试，反光板表面水膜的厚度Ｗ为　定值，将影响距离差值△ｄ的变量用　表示，即　Ｋ　．＾　＝—７．０　７５６一、／１．７６８９一ｓ—ｉｎ　一——上ＣＯＳ　Ｏｔ（１１），１…　　１　　将公式（１１）代人公式（１０）后，大雨天气和晴　朗天气距离差值△ｄ可以简化为　Ａｄ＝ｗＫ　（１２）　在公式（１１）中，随着入射角Ｏｔ的增大，测距偏　差系数Ｋ值的变化趋势见图５。　３大雨对激光测距精度的模拟试验　在晴朗天气，先采集ＡＧＶ在缓冲支架区域　运动的激光数据。为了模拟大雨对激光测距精　港口科技·科研与技革　０　１０　２０　３０　４０　５０　６Ｏ　７Ｏ　８０　９０　入射角　／（。）　图５测距误差系数与入射角的理论关系　度的影响，先对缓冲支架侧边反光板表面进行　大量喷水处理，使得反光板表面产生一层水膜，　然后采集ＡＧＶ在缓冲支架区域运动的激光数　据，通过反光板表面是否存在水膜进行模拟对　比试验分析。　３．１反光板水膜表面反射的模拟试验　在晴朗天气，反光板表面没有水膜，ＡＧＶ在　缓冲支架区域运动时，激光扫描仪探测到缓冲支　架反光板的数据，见图６　ａ）。在反光板表面存在　一层水膜的情况下，ＡＧＶ在缓冲支架区域运动　时，激光扫描仪返回的数据见图６　ｂ）。　薹　姐　ａ）晴朗天气的激光数据　Ｉ　常数据　＼！蒜　、　／　蘸　／　／　～ｊ《　／　＼　’ｌ一０　光发射凋　ｂ）反光板表面水膜反射的激光数据　图６反光板水膜表面的反射　·２９·　港口科技·科研与技革　从图６　ｂ）中发现，反光板中间有部分出现明　显缝隙。其实，这只是激光扫描仪在０，４的角度方　向上，由于反光板表面存在水膜，激光波发生反射　后照射到反光板对面　处的支架立柱。但是，根　据飞行时间测距原理，激光扫描仪误认为障碍物　体处于　’位置。　结合图６　ａ）和图６　ｂ），当缓冲支架反光板上　存在一层水膜的情况下，激光扫描仪返回的数据　中有可能存在一些异常数据。　３．２反光板表面水膜折射和反射的模拟试验　将ＡＧＶ停放在缓冲支架内部。如果入射角　太大容易导致没有激光波被返回，因此选定入射　角为【０，７５。】。在入射角［０，７５。】范围内，针对晴朗　天气和大雨天气，每隔０．２５。分别采集３组反光　板的数据。假设不同入射角　在大雨天气下的距　离值与在晴朗天气下的距离值之差用△ｄ表示。　根据测试结果，ｚｌｄ与入射角　的实际关系曲线　见图７。　入射角ｏｅ／（。）　图７　ａｉｄ与入射角ｌｌｉｔ的实际关系曲线　对比图５和图７，随着入射角ＯＬ的变化，在　大雨天气和晴朗天气下，理论分析和实际测量　的距离差值的变化趋势大体相同，即随着入射　角　的增大，距离差值都是先缓慢递增再快速　递减，不同的是：在图７中，当入射角　为５０。　时，距离差值就开始随着入射角Ｏ／．的增大而减　小；在图５中，当人射角　大约为６Ｏ。时，距离差　值就开始随着入射角　增大而减少。该处的不　同是由于人射角　太大，激光波在水膜的传输　过程中衰减比较厉害，导致最后一层回波不一　定是第５层回波。　·３０·　理论上缓冲支架反光板与ＡＧＶ侧边平行。　在大雨天气受反光板表面水膜的影响，激光扫　描仪探测到反光板的测量数据与晴天相比存在　一定的偏差。在晴天和大雨２种不同天气条件　下，该测量数据在车身侧边垂直方向的投影距　离之差假设用△　表示。根据测试结果，ＺＩＸ与入　射角　的关系曲线见图８。　０．０３　０．Ｏ２　鲁０．０１　ｑ　０　—０．Ｏ１　—０．Ｏ２　）　２０　３０　４０　５０　６０　７０　８０　图　入射角　／（。）　Ｏ　８　＊ｉＸ与入射角　的关系曲线　根据图８，入射角　在［０，７５。］内，随着入射　角　的增大，△　的总体趋势是先缓慢递增后迅　速递减。　４结语　虽然ＬＭＳ５１１激光扫描仪具有多次回波技　术，但在大雨天气，激光波在雨水或水膜中经过反　射或折射后，激光的传输路线发生改变，激光的测　量数据也发生明显变化。　在大雨天气，可以针对特定的区域对激光原　始数据进行滤波，剔除干扰数据，从而提高自动化　集装箱码头的作业效率。　参考文献　【１］李双刚，聂劲松，孙晓泉．大气折射和色差对激　光传输的影响Ｕ】．量子电子学报，２００４，２１（５）：　６７９－６８２．　［２】李涛东，熬发良，廖晶晶．大气折射对蓝绿激光传　输影响的分析Ⅱｌ１．大众科技，２００８，１０１（１）：２３—２５．　［３］王世峰，戴祥，徐宇，等．无人驾驶汽车环境感知　技术综述卟长春理工大学学报（自然科学版）：　２０１７，４０（１）：１－６．