[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

说明书

本发明涉及挖掘机作业面重建系统及方法，为解决现有挖掘机作业面重建存在较大的数据冗余及计算量的问题；提供一种作业面重建系统及方法其中挖掘机作业面重建系统包括：固定安装在挖掘机上部车身用于反射激光束的靶标板；安装在挖掘机动臂上用于扫描靶标板和作业面采集获取原始点云数据的2D激光雷达；用于采集挖掘机上部车身回转角度的回转角传感器；数据处理单元，接收原始点云数据和回转角数据并处理数据计算确定动臂姿态角和作业面三维轮廓表面坐标数据。本发明具有减少点云数据冗余和重建计算量、数据量较小、易于实现作业信息的实时分析处理，具有较低的系统成本等优点。

技术领域

本发明涉及一种挖掘机自主作业技术，更具体地说，涉及一种基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统及方法。

背景技术

挖掘机是一种应用广泛的工程机械。为了提高挖掘机的作业效率和作业精度，减小对人工操作经验的依赖，将挖掘机用于不适合人类进入的作业区域，实际需求促使挖掘机向着智能化、自主化和机器人化的方向发展。

挖掘机自主作业依赖于对作业工况的感知，作业面的三维轮廓表面重建，可用于后续作业任务的规划与分解、挖掘轨迹规划与控制等。目前，作业面三维重建技术方案主要包括基于激光雷达的技术方案和基于大立体相机的技术方案。其中，激光雷达分为低线数(线数≤16)和高线数雷达，均基于ToF原理对空间点进行大密度测距，低线数雷达通常用于避障，但由于价格相对较低，在挖掘作业面重建中常通过增加俯仰云台等来实现水平方向270°～360°及垂直方向上较大范围的扫描，测距距离可达到100m以上。立体相机方案通常采用双目光学相机，基于视差测距原理实现一定视场范围的测距及重建，测距距离一般在20m以内。在挖掘机回转过程中，这两种作业面重建方式的数据融合计算量都比较大。

挖掘机土石方自主挖掘作业中，大范围的作业面重建主要用于作业任务规划，挖掘过程中仅需实施小范围的作业面更新，因此现有系统和方法存在较大的数据冗余及计算量。本发明基于2D激光雷达，利用挖掘机回转重建作业面，可满足不同作业阶段的重建需求，数据量较小，易于实现作业信息的实时分析处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有挖掘机作业面重建存在较大的数据冗余及计算量的问题，而提供一种基于2D激光雷达的挖掘机作业面重建系统及方法，减少了点云数据冗余和重建计算量，数据量较小，易于实现作业信息的实时分析处理，具有较低的系统成本。

本发明为实现其目的的技术方案是这样的：提供一种基于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、2D激光雷达、回转角传感器、数据处理单元。

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；靶标板是为平面薄板，固定在上部车身的回转平台上，位于挖掘机回转平台与动臂铰接的铰点旁侧。靶标板平面与2D激光雷达扫描平面垂直且相交，且沿激光雷达扫描周向的边缘不与其他物体接触，也即靶标板的边缘不与其他物体接触。

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采集获取原始点云数据；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10与挖掘机工作装置所在平面平行，激光雷达坐标系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。

回转角传感器，用于采集挖掘机上部车身回转角度；回转角传感器为IMU传感器，固定在挖掘机上部车身的某一位置，回转角传感器用于测量挖掘机上部车身回转角度，实时获取上部车身与底盘的相对角度。

数据处理单元为工业计算机或嵌入式计算机，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。预定坐标系通常为以挖掘机回转中心轴线作为Y轴，底盘正前方为X轴，侧方为Z轴的挖掘机基坐标系。