作业机械作业面构建方法、装置、设备及作业机械与流程

1.本发明涉及智能作业机械技术领域，尤其涉及一种作业机械作业面构建方法、装置、设备及作业机械。


背景技术：

2.作业机械是一种应用广泛的作业机械，为了提高作业机械的作业效率和作业精度，减小对人工操作经验的依赖，将作业机械用于不适合人类进入的作业区域，实际需求促使作业机械向着智能化、自主化和机器人化的方向发展。作业机械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。
3.目前，建立作业机械作业面三维模型多为把激光雷达安装在作业机械的驾驶室顶部或机械臂上，然后将传感器获取数据转换于作业机械坐标系下进行点云数据处理，拟合出作业面的三维模型。
4.但是，通过在作业机械坐标系下所构建的作业机械作业面精度相对较低，导致作业机械作业效率相对较低。


技术实现要素：

5.本发明提供一种作业机械作业面构建方法、装置、设备及作业机械，用以解决现有技术中作业机械作业面精度低的缺陷，实现构建精度更高的作业机械作业面，提高作业机械作业效率。
6.本发明提供一种作业机械作业面构建方法，包括：
7.获取点云数据的激光雷达位置坐标；
8.基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；
9.获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；
10.根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面。
11.根据本发明提供的一种作业机械作业面构建方法，所述根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面，包括：
12.基于所述工程坐标系建立栅格地图；
13.根据所述建模位置坐标，在所述栅格地图中确定所述更新点云数据的所在栅格和所述所在栅格对应的实时栅格高度；
14.根据每个所述实时栅格高度与所述所在栅格的上一次栅格高度，构建作业机械作业面。
15.根据本发明提供的一种作业机械作业面构建方法，所述根据每个所述实时栅格高度与所述所在栅格的上一次栅格高度，构建作业机械作业面，包括：
16.确定所述实时栅格高度与所述上一次栅格高度的高度差；
17.根据所述高度差与预设高度差阈值之间的关系，确定更新栅格高度，构建作业机械作业面。
18.根据本发明提供的一种作业机械作业面构建方法，所述根据所述高度差与预设高度差阈值之间的关系，确定更新栅格高度，包括：
19.当所述高度差小于或等于预设高度差阈值时，计算所述上一次栅格高度与所述实时栅格高度的平均值作为更新栅格高度；
20.当所述高度差大于所述预设高度差阈值时，确定所述实时栅格高度作为更新栅格高度。
21.根据本发明提供的一种作业机械作业面构建方法，所述转换所述点云数据的激光雷达位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标，包括：
22.转换所述点云数据的激光雷达位置坐标于作业机械坐标系下，得到作业机械位置坐标；
23.基于作业机械坐标系和工程坐标系在世界坐标系中的位置关系，转换所述作业机械位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标。
24.根据本发明提供的一种作业机械作业面构建方法，所述转换所述作业机械坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标，包括：
25.转换所述作业机械位置坐标于世界坐标系下，得到世界位置坐标；
26.转换所述世界位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标。
27.根据本发明提供的一种作业机械作业面构建方法，所述动作参数包括：振动参数、回转参数、直行参数和转弯参数中的至少一种；
28.对应的，所述根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，包括：
29.基于预设转换关系，根据所述振动参数、回转参数、直行参数和转弯参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标。
30.本发明还提供一种作业机械作业面构建装置，包括：
31.获取模块，用于获取点云数据的激光雷达位置坐标；
32.转换模块，用于基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；
33.更新模块，用于获取所述作业机械作业时的动作参数，并根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，得到更新点云数据；
34.构建模块，用于根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面。
35.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器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如上述任一种所述作业机械作业面构建方法的步骤。
36.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述作业机械作业面构建方法的步骤。
37.本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述作业机械作业面构建方法的步骤。
38.本发明还提供一种作业机械，包括作业机械本体和控制系统；
39.所述控制系统通过如上述任一项所述的作业机械作业面构建方法控制所述作业
机械本体的工作。
40.本发明提供的一种作业机械作业面构建方法、装置、设备及作业机械，方法通过获取点云数据的激光雷达位置坐标；基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面，通过将点云数据放置于工程坐标系中，可以实现多个作业机械的协同作业，通过作业机械自身的动作参数变化对点云数据进行实时更新，不再将作业机械视为整体，使得构建的作业机械作业面更加精确，有助于提高作业机械的作业效率。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本发明实施例提供的作业机械作业面构建方法的流程示意图；
43.图2是本发明实施例提供的作业机械作业面构建装置的结构示意图；
44.图3是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.作业面即工作面，指的是某专业工种在加工建筑产品时所必须具备的活动空间，称为该工种的工作面。基础施工时，因某些项目的需求或为保证施工人员施工方便，挖土时要在垫层两侧增加部分面积，这部分面积称工作面。
47.下面结合图1至图3描述本发明的一种作业机械作业面构建方法、装置、设备及作业机械。
48.图1是本发明实施例提供的作业机械作业面构建方法的流程示意图。
49.如图1所示，本发明实施例提供的一种作业机械作业面构建方法，包括以下步骤：
50.101、获取点云数据的激光雷达位置坐标。
51.具体的，首先将激光雷达安装于作业机械上，进行标定后得到激光雷达坐标系相对于作业机械坐标系的外参，旋转量记为r1和平移量记为t1。其中激光雷达坐标系就是以激光雷达作为坐标原点，作业机械坐标系就是将作业机械视为一个整体作为坐标原点。通过激光雷达获取点云数据，例如，设定点云数据在激光雷达坐标系中的位置ai＝(xi,yi,zi)(i代表第i个激光雷达点)。
52.102、基于工程坐标系，转换点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标。
53.具体的，基于工程坐标系，转换点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标，包括：转换点云数据的激光雷达位置坐标于作业机械坐标系下，得到作业机械位置坐标，可以
记为ai＝r1*ai t1。然后，基于作业机械坐标系和工程坐标系在世界坐标系中的位置关系，转换作业机械位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标，而转换作业机械坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标，包括：转换作业机械位置坐标于世界坐标系下，得到世界位置坐标；转换世界位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标，计算出初始时刻的作业机械坐标系相对工程坐标系的旋转量r0和平移量t0，可知点云数据在工程坐标系中的位置ai＝r0*(r1*ai t1) t0。已知工程坐标系在世界坐标系中的位置，融合实时差分定位(real-time kinematic，rtk)导航设备与传感器(如激光雷达、相机等)，测量出作业机械在世界坐标系中的位置，最终便实现了将点云数据转换到工程坐标系中，也能够使得后续以工程坐标系为基准，重构作业面的点云数据，不用考虑它们的数据来源。
54.103、获取作业机械作业时的动作参数，根据动作参数更新工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据。
55.具体的，作业机械在进行实时作业时，自身动作幅度一般都较大，包括振动、车体转动等，因此为了保证建立的作业面的精准度，在建立作业面或者说在进行作业面重构时，要获取作业机械作业时的动作参数，包括：振动参数、回转参数、直行参数和转弯参数中的至少一种，以挖掘机为例进行说明，回转参数则可以是上车体回转参数，直行参数和转弯参数则可以是下车体直行参数和下车体转弯参数，从而结合作业机械自身的工作参数对点云数据进行更新，使得数据更加精确，最终构建的作业面也便更加精确。
56.以破碎作业为例，根据动作参数更新工程位置坐标为建模位置坐标，包括：基于预设转换关系，根据振动参数、回转参数、直行参数和转弯参数更新工程位置坐标为建模位置坐标。首先，需要用传感器(如高精度的imu)测量作业机械作业时的振动，对应的测量出旋转量r2和平移量t2，点云数据在振动下的位置坐标便可记为ai＝r0*(r2*(r1*ai t1) t2) t0。如果有作业要求回转，如甩方，用角度传感器测量的旋转量r3，此时点云的位置坐标ai＝r0*(r2*(r3*(r1*ai t1)) t2) t0。当作业机械直行或转弯时，用传感器测量的旋转量r4和平移量t4，点云在工程坐标系中的位置坐标ai＝r0*(r2*(r4*(r3*(r1*ai t1)) t4) t2) t0，预设转换关系便是对应的多个计算公式。于是便得到了点云数据结合作业机械自身动作参数在工程坐标系下的建模位置坐标，从而也就是对点云数据进行了更新，得到更新点云数据。在作业机械的工作过程中，随着工作的不断进行，作业机械所处的工作环境是有所变化的，通过实时的更新点云数据，能够构建更有助于作业机械作业的作业面。
57.104、根据更新点云数据，构建作业机械作业面。
58.在得到点云数据之后，便可以根据最新得到的点云数据，构建作业机械作业面。具体则包括首先基于工程坐标系建立栅格地图；其中栅格边长的设置既要考虑作业机械的算力又要满足目标要求。然后根据建模位置坐标，在栅格地图中确定更新点云数据(xi,yi)的所在栅格和所在栅格对应的实时栅格高度zi；根据每个实时栅格高度与所在栅格的上一次栅格高度，构建作业机械作业面。其中，根据每个实时栅格高度与所在栅格的上一次栅格高度，构建作业机械作业面，包括：假设某栅格中已有点云的数量n(n≥0)，记没有进行作业面重构时对应的栅格高度为上一次栅格高度zo，而更新的点云数据落入到该栅格中，记更新后的栅格高度为实时栅格高度zn，确定实时栅格高度zn与上一次栅格高度zo的高度差δz＝|z
o-zn|；根据高度差与预设高度差阈值之间的关系，确定更新栅格高度，构建作业机械作业面。而根据高度差与预设高度差阈值z
δ
之间的关系，确定更新栅格高度，包括：当高度差小
于或等于预设高度差阈值即δz≤z
δ
时，计算上一次栅格高度与实时栅格高度的平均值作为更新栅格高度，计算过程为z＝(n*zo zn)/(n 1)，n表示点云数量，当高度差大于预设高度差阈值即δz＞z
δ
时，确定实时栅格高度作为更新栅格高度，从而便完成了栅格高度的更新，在作业机械的实时工作过程中，实时的对作业面进行重构更新，保证了作业面更加接近与真实工况，同时在对模型进行重构时，既利用了上一次数据，又结合了实时更新数据，更好地提高了作业机械作业面的精度。
59.通过用高精度传感器测量作业机械动作参数，包括振动的旋转量和平移量，回转的旋转量，直行的平移量，转弯的旋转量和平移量，然后全部增加到点云数据上，能精准计算点云数据在工程坐标系中的位置，进而重构更加精确的作业机械作业面，在实时重构作业面时，既要保留上一次点云数据，又要利用当前点云数据。以上一次点云数据为基础，如果作业面发生变化，用当前点云数据替代上一次点云数据来重构，否则增加当前点云数据到上一次点云数据中来重构，能够进行一步的提高作业机械作业面的精度。
60.本发明实施例提供的一种作业机械作业面构建方法，通过获取点云数据的激光雷达位置坐标；基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面，通过将点云数据放置于工程坐标系中，可以实现多个作业机械的协同作业，通过作业机械自身的动作参数变化对点云数据进行实时更新，不再将作业机械视为整体，使得构建的作业机械作业面更加精确，有助于提高作业机械的作业效率。
61.进一步的，在上述实施例的基础上，在本实施例中的还可以用深度相机代替固态激光雷达进行点云数据的获取，也同样可以完成作业机械作业面的重构。同时，还可以统计得到在采用本实施例中的作业机械作业面构建方法进行作业机械作业时的作业效率，还可以根据作业机械的实际工作需求对激光雷达或者是对深度相机对点云数据采集的频率进行设定，做到既能保证工作效率，还能保证激光雷达或者是深度相机的使用寿命。
62.基于同一总的发明构思，本技术还保护一种作业机械作业面构建装置，下面对本发明提供的作业机械作业面构建装置进行描述，下文描述的作业机械作业面构建装置与上文描述的作业机械作业面构建方法可相互对应参照。
63.图2是本发明实施例提供的作业机械作业面构建装置的结构示意图。
64.如图2所示，本发明实施例提供的一种作业机械作业面构建装置，包括：
65.获取模块21，用于获取点云数据的激光雷达位置坐标；
66.转换模块22，用于基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；
67.更新模块23，用于获取所述作业机械作业时的动作参数，并根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，得到更新点云数据；
68.构建模块24，用于根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面。
69.本发明实施例提供的一种作业机械作业面构建装置，通过获取点云数据的激光雷达位置坐标；基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面，通过将点云数
据放置于工程坐标系中，可以实现多个作业机械的协同作业，通过作业机械自身的动作参数变化对点云数据进行实时更新，不再将作业机械视为整体，使得构建的作业机械作业面更加精确，有助于提高作业机械的作业效率。
70.进一步的，本实施例中的构建模块24，具体用于：
71.基于所述工程坐标系建立栅格地图；
72.根据所述建模位置坐标，在所述栅格地图中确定所述更新点云数据的所在栅格和所述所在栅格对应的实时栅格高度；
73.根据每个所述实时栅格高度与所述所在栅格的上一次栅格高度，构建作业机械作业面。
74.进一步的，本实施例中的构建模块24，具体还用于：
75.确定所述实时栅格高度与所述上一次栅格高度的高度差；
76.根据所述高度差与预设高度差阈值之间的关系，确定更新栅格高度，构建作业机械作业面。
77.进一步的，本实施例中的构建模块24，具体还用于：
78.当所述高度差小于或等于预设高度差阈值时，计算所述上一次栅格高度与所述实时栅格高度的平均值作为更新栅格高度；
79.当所述高度差大于所述预设高度差阈值时，确定所述实时栅格高度作为更新栅格高度。
80.进一步的，本实施例中的转换模块22，具体用于：
81.转换所述点云数据的激光雷达位置坐标于作业机械坐标系下，得到作业机械位置坐标；
82.基于作业机械坐标系和工程坐标系在世界坐标系中的位置关系，转换所述作业机械位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标。
83.进一步的，本实施例中的转换模块22，具体还用于：
84.转换所述作业机械位置坐标于世界坐标系下，得到世界位置坐标；
85.转换所述世界位置坐标于工程坐标系下，得到工程位置坐标。
86.进一步的，本实施例中的所述动作参数包括：振动参数、回转参数、直行参数和转弯参数中的至少一种；
87.对应的，所述更新模块23具体用于：
88.基于预设转换关系，根据所述振动参数、回转参数、直行参数和转弯参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标。
89.图3是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
90.如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(communications interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行作业机械作业面构建方法，该方法包括：获取点云数据的激光雷达位置坐标；基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面。
91.本发明还提供一种作业机械，包括作业机械本体和控制系统；
92.所述控制系统通过如上述任一实施例的作业机械作业面构建方法控制所述作业机械本体的工作。
93.此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
94.另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的作业机械作业面构建方法，该方法包括：获取点云数据的激光雷达位置坐标；基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面。
95.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的作业机械作业面构建方法，该方法包括：获取点云数据的激光雷达位置坐标；基于工程坐标系，转换所述点云数据的激光雷达位置坐标为工程位置坐标；获取所述作业机械作业时的动作参数，根据所述动作参数更新所述工程位置坐标为建模位置坐标，并得到更新点云数据；根据所述更新点云数据，构建作业机械作业面。
96.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
97.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
98.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。