一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置及方法与流程

1.本发明属于高空作业机械的智能定位技术领域，具体涉及一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置及方法。


背景技术：

2.高空作业车广泛应用于工农业生产和日常生活中的场景，如建筑、电网电信线路和市政设施的检测维修、果树农作物的采摘、林木护理、大型船舶的清洗除锈喷涂、高空救援等场景。目前高空作业平台的操作和感知几乎完全依赖于工人的经验，这带来了高空挤压、高压触电、地面行走倾倒、违规操作等风险。
3.将高空作业平台如斗臂卡车进行数字化和智能化改造有利于为各种高空作业机器人提供通用的智能化平台，在工作过程中，系统实现准确、实时的定位及环境的精确三维感知识别和重建，将工作平台安全准确地送至目标区域，有效避免挤压、触电等安全风险；同时还可以实现数字孪生空间构建，为机器人执行目标识别、轨迹规划和作业控制等任务提供前置信息，同时为高空场景增强现实(mr—ar&vr)开发提供准确丰富的环境交互数据信息。
4.同时，定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，一般直接称slam)是一种概念：希望机器人从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到的地图特征，定位自身位置和姿态，再根据自身位置增量式的构建地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。激光slam以激光雷达为主要传感设备，通过激光反射感知环境，进而解算机器人位姿，现有激光slam方法应用于高空作业平台往往存在问题，高空作业平台及其工作环境带来的困难主要有：空旷的高空环境带来约束的减少使得激光里程计失效，物体纹理的缺失、在高空缺少特征的环境中的不断运动的大型液压臂会产生较大的动态干扰、机器人的突然旋转和垂直方向的运动考验算法面对突然变化干扰的鲁棒性、卡车平台连同液压臂的高频振动和低频晃动使得传感器精度降低。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中高空作业工程机械智能化水平低，环境感知能力弱，同时现有激光slam方法应用于高空作业平台精度不高，鲁棒性低的问题，本发明提供一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置及方法，提高高空作业平台操作的效率和安全性，实现高空作业机械的数字化智能化改造。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置，包括前端数据采集模块、时间同步系统和计算主控单元，所述前端数据采集模块为多线激光雷达；
8.所述装置与高空作业平台的斗臂车升降平台的末端刚性固定，随工作斗进行移动，当斗臂车开始工作，操纵液压臂控制旋转和升降，所述装置在升降开始时刻同步开机，所述多线激光雷达扫描环境，获取到环境感知数据后将数据输入到运行嵌入式操作系统的
所述计算主控单元，两者通过局域网进行连接，同时将所述时间同步系统接入所述局域网，确保所述多线激光雷达和计算主控单元的时间统一到精确utc时间基准。
9.进一步地，所述多线激光雷达为机械旋转式激光雷达、固态面阵式激光雷达、mems激光雷达或数字激光雷达。
10.进一步地，所述多线激光雷达以不小于5hz的更新速率发布点云数据。
11.进一步地，所述时间同步系统的第一级为gnss接收模块，通过卫星获取纳秒级精度的utc真值时间数据，通过fpga模块转化为pps信号和nema信号输入所述多线激光雷达，所述多线激光雷达接收信号进行时间同步，同时形成ndt协议包发送给所述计算主控单元，计算主控单元通过ndt网络协议进行时间同步。
12.本发明还提供一种应用于高空作业机械的激光定位与建图方法，所述计算主控单元获取高空作业平台末端的多线激光雷达的传感器的扫描数据，将获得的点云数据投影得到场景的深度图，所述深度图的尺寸为360/角度分辨率，并对所述点云数据进行预处理，分割空洞的下方地面点以及高空作业目标点，接下来以传入的分割后的点云数据作为输入进行大的聚类，之后进行各自的特征点提取，根据每个点的平滑度提取两次得到最后的边缘点和平面点，至此获得地面点和高空作业目标点各自的平面点和边缘点；然后进行高空作业中多线激光雷达以及作业平台的定位，通过所述装置获取的特征点，进行下方地面点和高空作业目标点的帧到帧的特征匹配，匹配后进行边缘点和平面点的优化；最后进行高空作业场景的构建，通过采集到的当前帧加入全局地图，并进行回环检测优化，构建最后的高空作业环境的地图。
13.进一步地，所述边缘点匹配在3d中即要求该点到对应点的线的距离最短，所述平面点的匹配原则是该点到对应点的平面距离最短。
14.有益效果：
15.本发明将抗干扰能力强、三维感知精度高的激光雷达传感器引入高空作业领域，实现高空作业平台复杂运动的实时定位和位姿估计，可用更少的时间实现更好的位置估计精度。本发明可提升高空作业平台的感知能力和自主性，使其具备环境理解能力，从而规避危险作业行为，减少高中作业危险性，有效解决现有高空作业工程装备使用过程中的痛点。
附图说明
16.图1为本发明的定位建图部分与高空作业平台部分结合的工程实现图；
17.图2为实际工作过程中的三维场景建图效果图；
18.图3为实际工作过程中的实时定位效果图；
19.图4为本发明的应用于高空作业机械的激光定位与建图方法的算法结构图及数据流向图；
20.图5为本发明的实际工作环境示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
22.如图1所示，本发明的应用于高空作业机械的激光定位与建图装置，包括前端数据采集模块、计算主控单元，主要包括多线激光雷达、电源、时间同步系统、支架等部件。
23.所述装置与高空作业平台的斗臂车升降平台的末端刚性固定，随工作斗进行移动，当斗臂车开始工作，操作员操纵液压臂控制旋转和升降，所述装置在升降开始时刻同步开机，所述三维激光雷达扫描环境，感知得到点云数据反馈到计算机主控单元，此时两个线程分别进行相邻帧匹配得到激光里程计及提取地面点得到高度优化，将运算结果融合构建地图，通过后端非线性优化得到整体运动信息，确定工作斗实时位姿态。
24.具体地，所述前端数据采集模块为多线激光雷达，所述多线激光雷达可分为机械旋转式激光雷达、固态面阵式激光雷达、mems激光雷达、数字激光雷达等。所述多线激光雷达跟随在斗臂车中进入高空，使用多线激光探测器得到工作环境360度三维点云图像，所述多线激光雷达内部的多线激光探测器通过电机快速旋转以扫描周围环境。所述多线激光雷达内部的激光器每秒发射数千次，提供丰富的3d点云。雷达数据盒通过数字信号处理和波形分析提供高精度、可扩展的距离探测和强度数据，所述多线激光雷达以不小于5hz的更新速率发布点云数据。
25.所述多线激光雷达获取到环境感知数据后将数据输入到运行嵌入式操作系统的所述计算主控单元，两者通过局域网进行连接，同时将时间同步系统接入该局域网，确保所述多线激光雷达和计算主控单元的时间统一到精确utc时间基准，所述时间同步系统的第一级为gnss接收模块，通过卫星获取纳秒级精度的utc真值时间数据，通过fpga模块转化为pps信号和nema信号输入所述多线激光雷达，所述多线激光雷达接受信号进行时间同步，同时形成ndt协议包发送给计算主控单元，计算主控单元通过ndt网络协议进行时间同步。
26.如图4所示，本发明的应用于高空作业机械的激光定位与建图方法包括如下步骤：
27.所述计算主控单元获取高空作业平台末端的所述多线激光雷达内部的多线激光探测器的扫描数据，将获得的点云数据投影得到场景的深度图，所述深度图的水平分辨率为360度/雷达水平角度分辨率，垂直方向分辨率与激光雷达线数相等，深度图像素为对应雷达3d点的投影，同时对所述点云数据进行预处理，分割空洞的下方地面点以及高空作业目标点，接下来以传入的分割后的点云数据作为输入进行大的聚类，避免高空作业时电线杆周围有树叶掉落，鸟类飞过，行人走过等细小的噪声干扰，从而提高高空作业定位的准确性和安全性。之后进行各自的特征点提取，根据每个点的平滑度提取两次得到最后的边缘点和平面点。根据计算平台算力选取雷达扫描帧中对应扫描线上每个点及其前后相邻的几个点(如5个)计算曲率，若曲率大作为边缘点，边缘点对应三维世界中的线特征；曲率小的作为平面点，平面点对应三维世界中面特征，至此可以获得地面点和高空作业目标点各自的平面点和边缘点。
28.然后进行高空作业中三维激光雷达以及作业平台的定位。通过所述装置获取的特征点，进行下方地面点和高空作业目标点的帧到帧的特征匹配，匹配后进行边缘点和平面点的优化，所述边缘点匹配在3d中即要求该点到对应点的线的距离最短，则这两点是匹配的。所述平面点的匹配则是该点到对应点的平面距离最短。建立匹配之后再建立约束优化。
29.最后进行高空作业场景的构建。通过采集到的当前帧加入全局地图，并进行回环检测优化，构建最后的高空作业环境的地图。
30.所述多线激光雷达的原始数据经过位姿估计、关键帧检测和地面分割两个并行线程，输入建图模块，若轨迹出现回环进行非线性优化回环检测，提升建图精度。
31.如图2所示，为实际工作过程中的三维场景建图效果图，白色点为高空作业平台周围环境地图，工作斗运动一定时间，所述多线激光雷达的数据经过分割、特征提取、雷达里程计、建图四个模块，最终输出高空作业平台实时的位置和姿态及工作环境的地图。
32.如图3所示，其下方定位信息以白色方框圈出，白色方点为高空平台末端定位轨迹，轨迹顶端为作业平台实时位姿。
33.如图5所示，为本发明的实际工作环境，用于与图2和图3的三维建图效果对比。
34.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。