一种大件运输车辆贴地仿真与碰撞预警方法及系统与流程

本发明涉及车辆碰撞仿真，具体涉及一种大件运输车辆贴地仿真与碰撞预警方法及系统。

背景技术：

1、大件运输车辆载重大、货物超限尺寸突出，山地地形起伏大、弯道与临崖路段多，运输过程中叶片剐蹭山体、车身卡滞的风险显著升高。在此背景下，三维仿真技术成为大件运输方案预演与风险预判的重要工具，行业对仿真场景的真实度、碰撞检测的精准度以及交互操作的实时性均提出了更高要求。

2、当前大件运输三维仿真的常规实现方式，多基于规则化数字高程模型构建地形场景，搭配简化后的整车刚体模型，按照预先规划的固定运输路线完成行驶过程推演，通过计算车体模型与地形表面的几何距离，离线校验运输路线的碰撞风险，以此实现运输方案的初步可行性评估。

3、上述技术方案中，规则化的地形表达会丢失山地岩壁、边坡凸起等微地形细节，无法匹配风机叶片这类超长货物的精细化碰撞校验需求，而若直接引入高精度点云数据还原真实地形，全局式的碰撞计算又难以支撑实时交互的仿真运行，二者的冲突直接导致复杂山地场景下大件运输仿真的精度与效率无法兼顾。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大件运输车辆贴地仿真与碰撞预警方法及系统，旨在解决现有技术中记载的上述问题。

2、本发明的第一方面在于提供一种大件运输车辆贴地仿真与碰撞预警方法，所述方法包括：

3、导入并拆分大件运输车辆的三维模型，得到包括车头、半挂车、转盘及风机叶片的独立部件模型，记录各部件模型之间的空间偏移量与旋转轴关联关系，提取各部件模型对应的凸包碰撞体；

4、加载地形点云数据，构建用于加速地形高度查询与碰撞检测计算的八叉树-kd树二级空间索引；

5、根据车辆当前位置，通过所述八叉树-kd树二级空间索引检索对应区域的地形点云并计算地形高度，驱动车辆模型在点云地形上执行贴地行驶；

6、响应于操纵指令，更新车辆行驶速度与航向四元数，基于所述空间偏移量与旋转轴关联关系联动计算各部件模型的空间位姿，实现车辆与风机叶片的协同转向避障；

7、沿车辆行驶方向对风机叶片进行位姿外推预测，基于所述凸包碰撞体与所述八叉树-kd树二级空间索引，检测车辆各部件模型及风机叶片与地形点云的碰撞风险，并输出可视化预警；

8、其中，加载地形点云数据，构建八叉树-kd树二级空间索引的步骤，包括：

9、对原始地形点云数据进行分层层次细节抽稀处理，生成多级精度的点云子集并构建对应的页式层次细节节点；

10、对全景点云数据按三维空间进行递归八叉树划分，以当前区域的中心点为分割原点，沿x轴、y轴、z轴三个轴向将区域均分为八个子区域，将各点云按坐标分配至对应子区域后递归执行划分操作，直至各叶子节点内的点云数量小于预设数量阈值，得到八叉树索引结构；

11、对所述八叉树索引结构的每个叶子节点内的点云子集分别构建kd树，得到用于最近邻点快速检索的八叉树-kd树二级空间索引。

12、根据上述技术方案的一方面，对所述八叉树索引结构的每个叶子节点内的点云子集分别构建kd树的步骤，包括：

13、在每个八叉树节点中设置kd树挂载接口，各八叉树叶子节点以其内部包含的点云子集构建局部kd树，八叉树的根节点额外构建覆盖全部地形点云的全域kd树，所有kd树与八叉树索引共享同一点云数据；

14、从各kd树的根节点起始，以当前节点的递归深度对3取余确定分割维度，余数0、1、2依次对应x轴、y轴、z轴，取当前点集在对应分割维度上的坐标中值作为分割超平面的位置，将点集划分为左右两个子点集并递归执行划分操作，直至节点内点云数量小于预设数量阈值或递归深度达到预设上限，标记为kd树叶子节点；

15、其中，针对地形高度查询，设置为八叉树定位查询点所在区域后调用对应kd树执行半径搜索的路径；针对碰撞检测，设置为八叉树通过包围盒重叠判定筛选候选点集后调用对应kd树执行最近邻搜索的路径。

16、根据上述技术方案的一方面，根据车辆当前位置，通过所述八叉树-kd树二级空间索引检索对应区域的地形点云并计算地形高度，驱动车辆模型在点云地形上执行贴地行驶的步骤，包括：

17、根据当前车辆行驶速度与航向角，计算下一帧车辆的水平位移，预测得到车辆铰接点的水平位置坐标；

18、以预测的水平位置坐标为查询点，通过所述八叉树-kd树二级空间索引搜索k个最近邻地形点，并取k个最近邻地形点的z坐标算术平均值作为对应位置的地形高度；

19、结合预测的水平位置坐标与地形高度，得到车辆铰接点下一帧的贴地三维位置；

20、分别查询车头位置、半挂车对应位置与车辆铰接点位置的地形高度，通过高度差与水平距离的比值分别计算得到车头俯仰姿态角与半挂车俯仰姿态角，完成车辆贴地行驶的全空间位姿更新。

21、根据上述技术方案的一方面，检测车辆各部件模型及风机叶片与地形点云的碰撞风险的步骤，包括：

22、将各部件模型的局部凸包碰撞体通过位姿变换映射至世界坐标系，计算各部件模型在世界坐标系下的轴对齐包围盒；

23、通过八叉树索引结构筛选出与所述轴对齐包围盒存在空间交集的所有叶子节点，将对应叶子节点内的点云数据作为碰撞检测候选点集；

24、遍历各凸包碰撞体的各顶点，在对应碰撞检测候选点集的kd树中搜索最近邻点并计算欧氏距离；

25、若存在顶点的最近邻距离小于预设碰撞距离阈值，则判定该顶点所属部件模型对应位置存在碰撞风险。

26、根据上述技术方案的一方面，沿车辆行驶方向对风机叶片进行位姿外推预测的步骤，包括：

27、基于当前车辆运动状态与风机叶片姿态，沿行驶方向按预设时间步长外推生成多帧风机叶片的位姿序列；

28、对每帧外推的风机叶片位姿执行碰撞检测，根据最近邻距离与预设的多级预警阈值，输出对应等级的可视化预警信息。

29、根据上述技术方案的一方面，响应于操纵指令，更新车辆行驶速度与航向四元数的步骤，包括：

30、响应于加减速操纵指令，按预设行驶速度增量更新车辆行驶速度，并标记车辆的前进、后退或静止运动状态；

31、响应于转向操纵指令，按预设转向增量更新车辆航向角，并由航向角转换生成绕z轴的航向四元数，用于车辆姿态的旋转变换；

32、响应于风机叶片操纵指令，分别生成绕z轴的水平旋转四元数与绕y轴的竖直旋转四元数，独立调整风机叶片的水平偏转角与竖直俯仰角。

33、根据上述技术方案的一方面，车辆模型与风机叶片的位姿更新通过三维场景的帧回调函数驱动实现，所述帧回调函数在每一帧场景渲染前执行，根据当前帧的操纵指令与地形高度计算结果，同步更新各部件模型的空间位置与姿态。

34、本发明的第二方面在于提供一种大件运输车辆贴地仿真与碰撞预警系统，应用于上述技术方案当中所述的方法，所述系统包括：

35、模型处理模块，用于导入并拆分大件运输车辆的三维模型，得到包括车头、半挂车、转盘及风机叶片的独立部件模型，记录各部件模型之间的空间偏移量与旋转轴关联关系，提取各部件模型对应的凸包碰撞体；

36、索引构建模块，用于加载地形点云数据，构建用于加速地形高度查询与碰撞检测计算的八叉树-kd树二级空间索引；

37、驱动控制模块，用于根据车辆当前位置，通过所述八叉树-kd树二级空间索引检索对应区域的地形点云并计算地形高度，驱动车辆模型在点云地形上执行贴地行驶；

38、操纵联动模块，用于响应于操纵指令，更新车辆行驶速度与航向四元数，基于所述空间偏移量与旋转轴关联关系联动计算各部件模型的空间位姿，实现车辆与风机叶片的协同转向避障；

39、碰撞预警模块，用于沿车辆行驶方向对风机叶片进行位姿外推预测，基于所述凸包碰撞体与所述八叉树-kd树二级空间索引，检测车辆各部件模型及风机叶片与地形点云的碰撞风险，并输出可视化预警。

40、本发明的第三方面在于提供一种可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述任一实施例当中所述方法的步骤。

41、本发明的第四方面在于提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述技术方案当中所述方法的步骤。

42、与现有技术相比，采用本发明所示的大件运输车辆贴地仿真与碰撞预警方法及系统，有益效果在于：

43、本发明通过直接采用点云数据构建地形场景，完整保留山地岩壁、边坡凸起等微地形细节，为超长风机叶片的精细化碰撞校验提供了真实的地形基础，避免了规则高程模型带来的细节丢失与碰撞漏检问题。依托八叉树-kd树二级空间索引架构，将全局点云计算转化为局部近邻查询，在保障检测精度的同时大幅降低计算开销，支撑大范围点云场景下的实时交互仿真。同时通过多部件联动的位姿控制与风机叶片独立姿态调节，还原了实际运输中的主动避障操作，结合轨迹外推的碰撞预警机制可提前识别通行风险，显著提升了大件运输仿真的真实性与实用性，可为山地风电大件运输方案的可行性验证提供可靠的虚拟预演支撑。综上本发明有效解决了复杂山地大件运输仿真中地形还原精度与计算实时性难以兼顾的问题。