[发明专利]基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统及方法

权利要求书

1.一种基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统，其特征在于包括：

靶标板，能够阻挡并反射2D激光雷达发射的激光束，固定安装在挖掘机的上部车身的回转平台上；

2D激光雷达，安装在挖掘机动臂上，用于扫描靶标板和作业面并采集获取原始点云数据；

回转角传感器，用于采集挖掘机上部车身回转角度；

数据处理单元，接收2D激光雷达输出的原始点云数据和回转角传感器输出的角度数据；利用原始点云数据对靶标板的点云匹配确定动臂姿态角，再依据动臂姿态角、原始点云数据和上部车身回转角计算得到作业面在预定坐标系下三维轮廓表面坐标数据。

2.根据权利要求1所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统，其特征在于2D激光雷达安装在动臂侧面且靠近动臂与斗杆铰点位置，2D激光雷达的激光扫描平面与挖掘机工作装置所在平面平行。

3.根据权利要求2所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统，其特征在于，2D激光雷达的激光雷达坐标系的X轴与动臂与斗杆铰点和回转平台与动臂铰点的连线平行。

4.根据权利要求2或3所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统，其特征在于所述靶标板是为平面薄板，靶标板平面与2D激光雷达扫描平面垂直且相交，且沿2D激光雷达扫描周向的边缘不与其他物体接触。

5.根据权利要求4所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统，其特征在于靶标板固定安装在挖掘机回转平台与动臂铰接的铰点旁侧。

6.一种基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建方法，其特征在于步骤如下：

S1：用安装在挖掘机动臂上的2D激光雷达对作业面和安装在挖掘机上部车身回转平台上的靶标板进行激光扫描并获取原始点云数据，通过回转角传感器采集获取挖掘机上部车身回转角度；

S2：数据处理单元利用原始点云数据对靶标板的点云匹配确定动臂姿态角；

S3：依据动臂姿态角、原始点云数据和上部车身回转角计算得到作业面在挖掘机基坐标系下三维轮廓表面坐标数据。

7.根据权利要求6所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建方法，其特征在于步骤S2中，以2D激光雷达的激光雷达坐标系原点为中心，保留点原始点云图像中预定半径范围内的点云，删除其他位置上的点云数据，得到点云图像；采用固定阈值对点云图像进行阈值化处理，得到二值点云图像；采用固定大小的圆形模板对二值点云图像进行闭运算，将距离较近的离散点云转化为连续点云，得到连续点云图像；对连续点云图像进行连通域分析，得到标号图像，分析各标号对应的连通成分的面积，并按面积阈值筛选出靶标板点云；在激光雷达坐标系下对靶标板点云做直线拟合，计算拟合直线与激光雷达坐标系轴的夹角而得到动臂姿态角。

8.根据权利要求6或7所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建方法，其特征在于在步骤S3中，依据动臂姿态角将激光雷达坐标系下原始点云数据传递为挖掘机基坐标系下的点云数据，并在挖掘机基坐标系下提取作业面2D轮廓数据，依据作业面2D轮廓数据和上部车身回转角计算获取作业面在挖掘机基坐标系下三维轮廓表面坐标数据。

9.根据权利要求8所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建方法，其特征在于在步骤S3中，提取作业面2D轮廓数据是在挖掘机基坐标系下，将位于挖掘机底盘下方的某个点云作为作业面轮廓搜索的起始点；再采用滑动窗口按一定间隔进行搜索，根据窗口内所有点云在垂直方向上的坐标平均值更新窗口在垂直方向上的位置。

10.根据权利要求9所述的基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建方法，其特征在于获取作业面三维轮廓表面坐标数据时按一定间隔将挖掘机基坐标系下行走平面划分为与坐标系水平轴平行的无重叠网格单元；在回转过程中，累加当前回转角度下投影在各网格单元内的点云集合的高度值再以均值作为各网格单元所在位置处的作业面高度值，实现一定回转范围下的作业面重建。