[發明專利]一種基于激光雷達的同步建圖和自動作業方法及系統

有效

• 申請號: 202010126902.5
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111364549B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 趙斌;艾云峰;楊超;高嬌
• 申請（專利權）人: 江蘇徐工工程機械研究院有限公司
• 主分類號: E02F9/20
• 分類號: E02F9/20;E02F9/26
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 劉艷艷

1.一種基于激光雷達的同步建圖和自動作業系統，其特征在于，包括工作裝置角度傳感器、回轉角度傳感器、多線激光雷達、主控計算裝置；

所述工作裝置角度傳感器，安裝在工作裝置動臂、斗桿、鏟斗上，用于檢測挖掘機工作裝置動臂、斗桿、鏟斗相對于水平面的角度，通過計算得到動臂、斗桿、鏟斗位置姿態信息；

所述回轉角度傳感器，用于檢測挖掘機車體在水平面的旋轉角度信息；

所述多線激光雷達，用于檢測挖掘機周圍作業環境信息；

所述主控計算裝置，包括：

位姿計算模塊，用于獲取角度傳感器信息，計算激光雷達的位姿和挖掘機工作裝置位姿；

環境建圖模塊，用于接收多線激光雷達數據，經過數據處理建立環境地圖，并感知得到作業面以及在作業面內的物體；包括：

接收多線激光雷達數據；利用位于駕駛室頂的激光雷達的點云數據，生成車體周圍360度范圍內物體感知信息；利用安裝在挖掘機動臂兩側的激光雷達接收到的點云數據，生成局部作業面感知信息；

在挖掘機運動過程中，將位于挖掘機動臂兩側的激光雷達接收到的點云數據利用后續位姿計算的結果轉換到車體坐標系下，并存儲；

將轉換后的點云和歷史存儲的點云拼接成一幅“大范圍的點云”；

刪除陳舊的和冗余的點云信息，維護一個“有效的大范圍點云”，即環境地圖，用來表征周圍的實際環境；

從環境地圖中感知作業面以及在作業面內的物體；

自動作業控制模塊：根據位置姿態信息、工作裝置環境地圖和作業面以及在作業面內的物體，做出決策及規劃，實現挖掘機自動作業。

2.根據權利要求1所述的基于激光雷達的同步建圖和自動作業系統，其特征在于，所述多線激光雷達，其中至少一個激光雷達安裝在駕駛室頂部，用于感知車體360度范圍內環境信息，掃描面平行于地面，用于對車體周圍360度范圍內的物體進行感知；至少兩個對稱安裝在挖掘機動臂左右側面，掃描面均垂直地面，用于對局部作業面環境信息進行感知。

3.一種基于激光雷達的同步建圖和自動作業方法，其特征在于，包括：

獲取多線激光雷達數據、工作裝置角度傳感器和回轉角度傳感器的信息；

根據工作裝置角度傳感器和回轉角度傳感器的信息，結合預先定義的挖掘機工作裝置運動學模型，計算多線激光雷達相對于車身的實時位置姿態信息和挖掘機工作裝置關節相對于車身的位姿信息；

根據多線激光雷達數據，生成激光點云環境地圖，感知得到作業面以及在作業面內的物體；包括：

接收多線激光雷達數據；利用位于駕駛室頂的激光雷達的點云數據，生成車體周圍360度范圍內物體感知信息；利用安裝在挖掘機動臂兩側的激光雷達接收到的點云數據，生成局部作業面感知信息；

根據局部作業面感知信息，判斷有無影響挖掘機自動作業的障礙物，如果沒有，開始自動作業；

在挖掘機運動過程中，將位于挖掘機動臂兩側的激光雷達接收到的點云數據利用后續位姿計算的結果轉換到車體坐標系下，并存儲；

將轉換后的點云和歷史存儲的點云拼接成一幅“大范圍的點云”；

刪除陳舊的和冗余的點云信息，維護一個“有效的大范圍點云”，用來表征周圍的實際環境；

根據“有效的大范圍點云”， 提取得到作業面以及在作業面內的物體；

根據位姿信息、環境地圖、作業面以及在作業面內的物體信息，規劃作業路線及動作。

4.根據權利要求3所述的基于激光雷達的同步建圖和自動作業方法，其特征在于，運用運動學正解算法計算激光雷達傳感器相對于車體坐標系的位置姿態，并基于此將激光雷達點云信息轉換到車體坐標系下。

5.根據權利要求3所述的基于激光雷達的同步建圖和自動作業方法，其特征在于，在挖掘機運動過程中，隨著車體的回轉、動臂的升降運動，安裝在挖掘機動臂左右兩側的兩個激光雷達能夠獲得更大的感知范圍，具體實現為，所有歷史點云信息進行拼接，形成“粗”環境點云地圖；

去除冗余點和無效點，每一個“方向”上只保留最新的點云信息，從而得到“有效的大范圍點云”信息；其中一個“方向”指從車體坐標系引出一條射線的方向。