[发明专利]一种基于激光雷达的同步建图和自动作业方法及系统

权利要求书

1.一种基于激光雷达的同步建图和自动作业系统，其特征在于，包括工作装置角度传感器、回转角度传感器、多线激光雷达、主控计算装置；

所述工作装置角度传感器，安装在工作装置动臂、斗杆、铲斗上，用于检测挖掘机工作装置动臂、斗杆、铲斗相对于水平面的角度，通过计算得到动臂、斗杆、铲斗位置姿态信息；

所述回转角度传感器，用于检测挖掘机车体在水平面的旋转角度信息；

所述多线激光雷达，用于检测挖掘机周围作业环境信息；

所述主控计算装置，包括：

位姿计算模块，用于获取角度传感器信息，计算激光雷达的位姿和挖掘机工作装置位姿；

环境建图模块，用于接收多线激光雷达数据，经过数据处理建立环境地图，并感知得到作业面以及在作业面内的物体；包括：

接收多线激光雷达数据；利用位于驾驶室顶的激光雷达的点云数据，生成车体周围360度范围内物体感知信息；利用安装在挖掘机动臂两侧的激光雷达接收到的点云数据，生成局部作业面感知信息；

在挖掘机运动过程中，将位于挖掘机动臂两侧的激光雷达接收到的点云数据利用后续位姿计算的结果转换到车体坐标系下，并存储；

将转换后的点云和历史存储的点云拼接成一幅“大范围的点云”；

删除陈旧的和冗余的点云信息，维护一个“有效的大范围点云”，即环境地图，用来表征周围的实际环境；

从环境地图中感知作业面以及在作业面内的物体；

自动作业控制模块：根据位置姿态信息、工作装置环境地图和作业面以及在作业面内的物体，做出决策及规划，实现挖掘机自动作业。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的同步建图和自动作业系统，其特征在于，所述多线激光雷达，其中至少一个激光雷达安装在驾驶室顶部，用于感知车体360度范围内环境信息，扫描面平行于地面，用于对车体周围360度范围内的物体进行感知；至少两个对称安装在挖掘机动臂左右侧面，扫描面均垂直地面，用于对局部作业面环境信息进行感知。

3.一种基于激光雷达的同步建图和自动作业方法，其特征在于，包括：

获取多线激光雷达数据、工作装置角度传感器和回转角度传感器的信息；

根据工作装置角度传感器和回转角度传感器的信息，结合预先定义的挖掘机工作装置运动学模型，计算多线激光雷达相对于车身的实时位置姿态信息和挖掘机工作装置关节相对于车身的位姿信息；

根据多线激光雷达数据，生成激光点云环境地图，感知得到作业面以及在作业面内的物体；包括：

接收多线激光雷达数据；利用位于驾驶室顶的激光雷达的点云数据，生成车体周围360度范围内物体感知信息；利用安装在挖掘机动臂两侧的激光雷达接收到的点云数据，生成局部作业面感知信息；

根据局部作业面感知信息，判断有无影响挖掘机自动作业的障碍物，如果没有，开始自动作业；

在挖掘机运动过程中，将位于挖掘机动臂两侧的激光雷达接收到的点云数据利用后续位姿计算的结果转换到车体坐标系下，并存储；

将转换后的点云和历史存储的点云拼接成一幅“大范围的点云”；

删除陈旧的和冗余的点云信息，维护一个“有效的大范围点云”，用来表征周围的实际环境；

根据“有效的大范围点云”， 提取得到作业面以及在作业面内的物体；

根据位姿信息、环境地图、作业面以及在作业面内的物体信息，规划作业路线及动作。

4.根据权利要求3所述的基于激光雷达的同步建图和自动作业方法，其特征在于，运用运动学正解算法计算激光雷达传感器相对于车体坐标系的位置姿态，并基于此将激光雷达点云信息转换到车体坐标系下。

5.根据权利要求3所述的基于激光雷达的同步建图和自动作业方法，其特征在于，在挖掘机运动过程中，随着车体的回转、动臂的升降运动，安装在挖掘机动臂左右两侧的两个激光雷达能够获得更大的感知范围，具体实现为，所有历史点云信息进行拼接，形成“粗”环境点云地图；

去除冗余点和无效点，每一个“方向”上只保留最新的点云信息，从而得到“有效的大范围点云”信息；其中一个“方向”指从车体坐标系引出一条射线的方向。