[发明专利]一种复杂环境下的大型挖掘装备的三维环境感知系统

说明书

本发明涉及一种复杂环境下的大型挖掘装备三维环境感知系统。包括系统控制与数据融合处理模块、同步数据采集模块、GPS/INS组合导航模块、两个PSD振动测量模块、两个单线二维激光雷达。同步数据采集模块与两个单线二维激光雷达连接，与GPS/INS组合导航模块通连接，与两个PSD振动测量模块连接，与系统控制与数据融合处理模块连接；两个单线二维激光雷达分别与两个PSD振动测量模块连接；GPS/INS组合导航模块与同步数据采集模块以及系统控制与数据融合处理模块连接。本系统通过激光雷达同步脉冲实现其数据与振动测量模块数据硬同步并打上时间戳，与GPS/INS组合导航模块测得的带有时间信息的位姿数据进行时间同步，进行振动补偿、坐标转换，得到完整精确地三维环境感知信息。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，涉及一种复杂环境下的大型挖掘装备的三维环境感知系统。

背景技术

矿用挖掘机是用于露天矿山开采的核心装备，其性能对矿山的开采效率起着决定性影响。通过提升矿用挖掘机的智能化水平，来提高挖掘设备的综合性能，可以有效提高开采效率，对国家能源保障和经济发展具有重要意义。能够准确实时地感知作业目标的表面形貌，是实现矿用挖掘机智能化挖掘作业的前提与关键。目前大型挖掘装备的环境感知系统，多采用三维多线机械激光雷达，价格昂贵，探测距离和精度无法满足大型设备的需求，且未考虑大型挖掘装备的振动对系统的干扰，环境感知系统对工作现场恶劣环境的适应性较差。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明公开了一种复杂环境下大型挖掘装备的三维环境感知系统。解决复杂环境下，各种干扰对感知系统的影响，为大型挖掘装备提供周围工作环境的准确的三维信息，以及装备相对于作业目标的准确的位姿信息。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种复杂环境下的大型挖掘装备三维环境感知系统，包含系统控制与数据融合处理模块、同步数据采集模块、GPS/INS组合导航模块、PSD振动测量模块A、PSD振动测量模块B、单线二维激光雷达A、单线二维激光雷达B、减振台A、减振台B；所述的同步数据采集模块分别与单线二维激光雷达A、B分别通过以太网通信接口连接，与GPS/INS组合导航模块通过串口连接，与PSD振动测量模块A、B通过RS232通信接口连接，与系统控制和数据融合处理模块通过以太网通信接口连接；单线二维激光雷达A、B分别与PSD振动测量模块A、B连接；GPS/INS组合导航模块分别与同步数据采集模块、系统控制与数据融合处理模块通过串口连接；

所述PSD振动测量模块A包括激光发射器A和PSD位置传感器A；所述PSD振动测量模块B包括激光发射器B、PSD位置传感器B，用于测量单线二维激光雷达数据产生时的同步振动数据；所述同步振动数据即两个单线二维激光雷达相对于回转平台的实时振动引起的相对姿态变化数据，包括俯仰角和偏航角的姿态变化数据，由单线二维激光雷达的同步脉冲信号触发PSD振动测量模块进行采集。

所述两个单线二维激光雷达，设置于回转平台上，用于在回转平台转动时，采集周围环境的三维点云数据并上传至同步数据采集模块中，同时提供一个用于触发PSD振动测量模块的同步脉冲，实现单线二维激光雷达数据与PSD振动测量模块数据的同步获取。

进一步地，上述系统控制与数据融合处理模块，由一个上位机组成，用于系统总体控制和采集数据的时间同步，并对环境感知数据进行振动补偿、坐标转换、目标点云分割、滤波降噪以及误差验证，得到三维环境感知信息并存储。

进一步地，上述同步数据采集模块包括单片机、两个通过SPI连接的以太网控制器，用于对两个单线二维激光雷达数据采集的直接控制，对采集到的单线二维激光雷达和PSD振动测量模块的数据进行打包并打上时间戳，上传至系统控制与数据融合处理模块。