一种基于推土机车载三维激光扫描的挡墙监测与修复引导方法

本技术涉及工程机械测控的，尤其是涉及一种基于推土机车载三维激光扫描的挡墙监测与修复引导方法。

背景技术：

1、推土机在排土场挡墙修筑与维护工程中承担核心土方作业。该类施工现场地质条件复杂，作业面多为未经固结的松散土石堆积物。在推土机履带往复碾压与推切作用下，接触地面的基准高程随土体的物理压实或切削发生动态改变。工程机械在执行此类任务时，需持续感知作业面三维结构状态以控制排土操作与评定局部堆填作业量。

2、授权公告号为cn108222093b的中国发明专利公开了一种自主推土机器人。该方案装备机载双目摄像机构成机器视觉系统，通过立体测量推土场地环境，生成作业场地地表数据模型。机载计算机将该实时地表数据模型与事先接收的区域3d数字设计模型进行空间对比，计算提取两者之间的差值量。系统依据此差值量自主决策作业区域与遍历模式，并在作业后再次根据差值量评估推土作业质量是否满足设计模型任务要求。

3、该技术依赖预设静态设计模型与实时感知模型进行纯几何差值比对，在排土场软弱地基工况下存在物理判定缺陷。作业机械在松软土质面上行进推土时，机身履带必然发生随机下陷或局部抬升，致使搭载传感器的机体高程基准产生动态偏移。这种未被预估的土体物理沉降直接耦合进入地表测量模型中，导致系统基于松散状态算出的几何差值与挡墙压实固结后的实际修筑尺寸发生事实偏离。松散散体堆填成型的稳定性受自然力学规律约束，单纯将瞬间扫描的空间几何差值清零作为作业质量验收标准，切断了成型高度与土体力学沉降属性的关联。当推起土体的实际边坡角超出当前材质的临界安息角时，即使系统依据几何差值判定高度符合任务要求，堆填体内部也已处于力学失稳状态，造成常规几何比对逻辑无法消除虚假高度达标掩盖下的边坡滑坡垮塌风险。

技术实现思路

1、为了解决高程偏差与边坡失稳，实现挡墙安全修复，本技术提供一种基于推土机车载三维激光扫描的挡墙监测与修复引导方法。

2、本技术提供的一种基于推土机车载三维激光扫描的挡墙监测与修复引导方法，采用如下的技术方案：一种基于推土机车载三维激光扫描的挡墙监测与修复引导方法，包括：

3、获取推土机作业环境的三维点云与推土机的位姿信息，进行时间同步与坐标配准；

4、提取所述三维点云中的水平点云拟合参考面，确定基准高程；

5、基于所述三维点云构建栅格地图提取挡墙边界，识别异常区域，提取所述异常区域的初始基底高程与初始边界宽度；

6、将当前作业面高程与当前边界宽度分别初始化为所述初始基底高程与所述初始边界宽度，获取临界安息角，基于所述当前作业面高程与当前边界宽度生成含目标高度与目标宽度的修复信息；

7、计算复核三维点云中落入所述异常区域且高程与所述基准高程之差大于所述初始基底高程的数据点的松散厚度，结合固结压缩系数计算预估沉降量；

8、利用所述预估沉降量补偿所述数据点的高程并更新所述栅格地图；

9、从更新后的所述栅格地图提取所述异常区域的实际高度、实际边界宽度与实际边坡角；

10、当所述实际高度与实际边界宽度不小于所述目标高度与目标宽度，且所述实际边坡角不大于所述临界安息角时，判定达标；否则用所述实际高度与边界宽度更新所述当前作业面高程与当前边界宽度，并重新生成所述修复信息。

11、可选的，所述进行时间同步与坐标配准的步骤，包括：

12、提取所述三维点云的扫描戳与所述位姿信息的定位戳；

13、将所述三维点云中，所述扫描戳与所述定位戳的差值处于预设的同步阈值内的数据作为对齐点云；

14、获取表征局部坐标系与大地坐标系映射关系的外参矩阵；

15、利用所述外参矩阵与所述位姿信息对所述对齐点云执行空间变换，将所述对齐点云转换至大地坐标系。

16、可选的，获取所述推土机的位姿信息的步骤，包括：

17、接收输出位姿信息的定位信号，并提取所述定位信号的状态标识；

18、当所述状态标识为非固定解时，采集所述推土机的加速度与角速度推算位姿，获取推算位姿与推算定位戳；

19、以所述推算位姿替代所述位姿信息，并以所述推算定位戳替代所述定位戳。

20、可选的，所述提取所述三维点云中的水平点云拟合参考面，确定基准高程的步骤，包括：

21、计算所述对齐点云的法向量；

22、提取所述对齐点云中，所述法向量与竖直轴的夹角小于预设角度阈值的点作为候选点云；

23、剔除所述候选点云中高程变化率大于预设突变阈值的点，获取平坦点云；

24、拟合所述平坦点云以构建参考面，并将所述参考面的高程确定为所述基准高程。

25、可选的，所述计算所述对齐点云的法向量之前，还包括：

26、计算所述对齐点云的点云密度；

27、当所述点云密度小于预设的密度阈值时，提取相邻的历史点云；

28、在所述大地坐标系下将所述历史点云与所述对齐点云融合，获取融合点云；

29、以所述融合点云替代所述对齐点云。

30、可选的，提取所述异常区域的初始基底高程与初始边界宽度的步骤，包括：

31、计算所述栅格地图各栅格的高程梯度；

32、对所述高程梯度大于预设梯度阈值的栅格连通拟合获取挡墙边界，提取所述挡墙边界的边界高程与边界宽度；

33、当所述边界高程或所述边界宽度小于预设阈值时判定为所述异常区域，提取所述边界高程与边界宽度作为所述初始基底高程与初始边界宽度。

34、可选的，所述生成含目标高度与目标宽度的修复信息的步骤，包括：

35、判断所述异常区域的偏差状态；

36、若为尺寸不足，利用修正非负后的目标与当前的高度差及宽度差计算填筑体积差，沿挡墙边界法向的反向构建引导路径；

37、若为边坡超限，识别高程剖面的坡脚特征点，基于所述临界安息角构建安全坡面计算削坡体积差，沿法向的正向构建引导路径；

38、将所述填筑体积差或削坡体积差转化为推土量，集成生成所述修复信息。

39、可选的，所述获取临界安息角的步骤，包括：

40、解析交互指令，提取散体物质的材质类型；

41、基于所述材质类型，从预设的映射表中匹配对应的静态安息角；

42、将所述静态安息角确定为所述临界安息角。

43、可选的，所述提取所述异常区域的实际边坡角的步骤，包括：

44、沿垂直于挡墙边界的法向截取更新后的栅格地图的剖面线；

45、基于所述剖面线上相邻点的高程差与水平距计算坡度序列；

46、剔除所述坡度序列中大于预设波动阈值的数据，将剔除后的所述坡度序列的最大值确定为所述实际边坡角。

47、可选的，所述判定达标之后，还包括：

48、解除修复引导；

49、将所述实际高度、实际边界宽度与所述实际边坡角封装为日志；

50、将更新后的所述栅格地图与所述日志上传至服务器。

51、综上所述，本技术包括以下有益技术效果：

52、1、通过获取推土机作业环境的三维点云与位姿信息，提取水平点云拟合参考面确定基准高程，再以基准高程为参照计算复核点云中异常区域数据点的松散厚度并结合固结压缩系数计算预估沉降量，利用预估沉降量补偿数据点高程更新栅格地图，使松散堆填体的瞬时扫描高程被还原为固结稳定后的真实高程，有效消除了散体物质物理沉降造成的高程虚假达标，从根本上避免了后期挡墙因固结下沉导致的尺寸不足。

53、2、通过提取三维点云的扫描戳与位姿信息的定位戳进行时间同步，并在定位信号为非固定解时以惯性测量单元采集的加速度与角速度推算位姿替代定位信息，使车载三维激光扫描在gnss信号受挡墙遮挡或干扰的排土场复杂环境下仍能获取连续可靠的位姿数据，有效提升了点云坐标配准的完整性与空间一致性，保障了后续高程补偿与边界提取的准确性。

54、3、通过解析交互指令提取散体物质材质类型并从预设映射表匹配对应的静态安息角作为临界安息角，在几何尺寸达标后进一步将实际边坡角与临界安息角比对判定挡墙稳定性，使边坡力学稳定条件被纳入修复达标判据，避免了单纯几何差值归零却掩盖坡面超限失稳的假性达标情形，有效降低了边坡滑坡垮塌风险。