[发明专利]一种基于激光雷达的挖掘作业面检测装置

说明书

技术领域

本发明是用于挖掘机器人进行自主作业时对挖掘作业面进行检测的装置，具体地说，通过对挖掘作业面的检测，采集作业面三维点云数据，实现挖掘作业面的三维重构，确定已挖掘的深度、待挖掘面的形状和在挖掘机器人坐标系中的位置，为挖掘作业轨迹规划和挖掘效果评估提供依据。本发明不仅可用于挖掘机器人自主作业时的挖掘作业面检测，也可用于推土机、平地机等工程装备的作业面检测。

背景技术

自主作业挖掘机器人是一种智能化的军用工程机械，是作战行动中工程保障的重点装备，已成为目前军用工程机械领域的研究热点，国内外很多机构都在开展相关的研究，但目前国内的很多研究工作还处于在实验室进行理论研究和仿真实验阶段。要实现野外环境下真正的无人自主挖掘，对挖掘作业面进行实时检测和三维重构，是需要突破的关键技术之一。目前有很多研究机构使用CCD图像进行挖掘作业面的检测，但由于图像信息会受到很多其他因素的干扰，如天气环境、光照、阴影等，这些因素使得对环境的理解变得困难，导致图像处理的计算量变得很大，处理结果达不到预期效果。因此，迫切需要一种对挖掘作业面进行实时检测和三维重构的装置。

发明内容

为了解决挖掘作业面实时检测与三维重构问题，本发明提供一种基于激光雷达的挖掘作业面检测装置。

本发明的作业面检测装置由一线激光雷达、控制器、步进电机及驱动器、减速器、矩形架、接近开关、限位块、外壳等部分组成。本装置需要实现一线激光雷达俯仰运动控制、挖掘作业面扫描和三维重构功能。

本发明的挖掘作业面检测装置，其工作原理是：一线激光雷达安装在减速器负载端，通过步进电机带动一线激光雷达在俯仰方向±45°范围内做匀速运动，将二维扫描变成三维扫描。激光雷达定时对挖掘作业面进行扫描，通过步进电机的运动步数计算所处的俯仰角，扫描数据与俯仰角度实现时空配准，经过计算得到检测装置坐标系下的挖掘作业面三维点云数据。结合挖掘机器人工作装置的位姿信息，经D-H变换得到挖掘机器人坐标系下的挖掘作业面三维信息。采用棱台法对挖掘作业面进行三维重构，计算出已挖掘的深度、待挖掘面各处的三维信息，为自主作业挖掘机器人的实时轨迹规划提供依据，并可输出三维图形进行显示。

本发明的挖掘作业面检测装置，一线激光雷达运动控制的特征是：使用接近开关反馈信息确定一线激光雷达在俯仰方向运动的起始位置，每次上电时，由控制器控制步进电机寻找原点，此后的运动，都以原点为基准进行运动。通过对步进电机的运动步数进行计数来计算激光雷达所处的俯仰角，角度参数用于与激光雷达扫描数据实现时空对准。一线激光雷达俯仰方向±45°范围内为工作区，在工作区两侧各设置一个缓冲区，用于启动时的加速和结束运动时的减速，在工作区内为匀速运动。俯仰方向上运动范围的大小，还可以通过调整接近开关的位置进行调节。

本发明的挖掘作业面检测装置，其特征在于：使用的一线激光雷达扫描周期是25ms，检测距离0.1~30m，视角范围是270°。

本发明的挖掘作业面检测装置，进行挖掘作业面检测与三维重构的步骤如下：

（1）使用接近开关反馈信息确定一线激光雷达在俯仰方向运动的起始位置，控制器控制步进电机寻找原点，使一线激光雷达回到原点位置。

（2）接收挖掘机器人主控计算机输出信息，确定挖掘作业面检测装置在挖掘机坐标系下的位置。

（3）通过控制器控制一线激光雷达的俯仰运动，进行挖掘面扫描，采集扫描数据，并记录扫描位置。

（4）对扫描数据进行滤波去噪。

（5）利用一线激光雷达扫描数据结合检测装置在俯仰方向上的转角，进行采样数据坐标变换，先将其转换为挖掘面检测装置坐标系下的坐标值，再将其转换为挖掘机器人坐标系下的坐标值。

（6）判断检测过程是否完成，如果完成，则进行三维重构，否则继续进行扫描。

（7）利用挖掘作业面检测得到的挖掘作业面三维点云数据进行三维重构，采用三角剖分法构建挖掘作业面三维物理模型。

（8）对挖掘作业面三维物理模型进行六面分割。

（9）对分割出的挖掘作业面物理模型进行六面体拟合。

（10）计算拟合六面体的参数，求取挖掘面的相应尺寸。

（11）进行数据输出。

附图说明

图1是挖掘作业面检测装置组成框图；

图2是挖掘作业面检测装置侧视图；

图3是挖掘作业面检测装置外观示意图；

图4是挖掘作业面检测装置控制原理图；

图5是挖掘作业面检测与三维重构处理流程；