[發(fā)明專利]基于DEM的無人行車抓取安全與抓取效果檢測算法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010435149.8
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111639424B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設計）人: 于繼明;張燕
• 申請（專利權）人: 金陵科技學院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T7/00;G06T17/00
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.基于DEM的無人行車抓取安全與抓取效果檢測算法，具體步驟如下，其特征在于；

步驟一，業(yè)務場景與基本定義；

在干散料碼頭、倉庫中，散料的堆放為傾倒或抓斗拋放形成，其分布既連續(xù)又極不規(guī)則，根據(jù)現(xiàn)場抓斗抓取與堆料分布情況，建立三維分布與安全關系模型，在安全的情況下方可抓取；在抓取質量方面，對每一次抓取位的堆料分布情況，建立特征分析模型，為抓取質量提供理論指導；

根據(jù)建模需要，做如下基本定義：

1)單元窗口：整個堆料區(qū)域劃分為M×N個基本方格，稱為單元窗口，每個單元窗口的邊長為l的正文形，整個區(qū)域可視作一個矩陣A_mn，每單元窗口A_mn的平均高度為H_mn，m∈(1…M))，n∈(1…N)；

2)抓取窗口：在抓取時，抓斗完全張開時抓取范圍大小稱為抓取窗口，假設堆料區(qū)域每個單元窗口A_mn分成個抓取窗口，對于任何抓取窗口其包含P×Q個單元窗口；

3)抓取子窗口：為表示三維分布特征，將任何一個抓取窗口W_pq劃分為多個子窗口，每個子窗口包含U×V個單元窗口，稱為抓取子窗口W_uv，位于抓取窗口中心位置的虛擬子窗口W_c稱為中心子窗口；

4)質量分布向心度AFF_uv：表示任何一個抓取子窗口W_uv堆料量以及離抓取窗口中心靠近的程度，如果抓取窗口高度越高、離中心點越近，其向心度越高；

步驟二，抓取效果與質量分布模型；

對于任何一個抓取窗口，其包含P×Q個子窗口，抓取窗口W_pq可表示為：

其中p∈[1，2，…，M/P]，q∈[1，2，…，N/Q] (式1)

在W_pq窗口抓取作業(yè)時，其抓取方式的物料集中在中心部位最有利，如果抓取窗口的物料分布為中間凹或大斜坡，抓取的量較少，達不到抓取效果與效率要求，當大斜坡方向與抓斗長邊方向一致時，還會產生動滑輪脫槽的安全風險；

要保證每一次抓取質量滿足要求，需要在抓取前檢測干散堆料的三維分布特征，假設將抓取窗口W_pq分為多個抓取子窗口，每一個抓取子窗口W_uv包含U×V個單元窗口，對于任何一個抓取子窗口W_uv，離中心越近且平均高度越高，其質量分布向心度越好，形成“峰”狀分布，抓取效果好，反之抓取效果差，根據(jù)上述分析，定義質量分布向心度為：

AFF_uv＝α*abs(H_uv-H_z)/D(c，uv) (式2)

其中，α為分段變量，H_z為抓取窗口W_pq中心帶的平均高度，H_uv為某個子窗口的平均高，D(c，uv)表示兩個子窗口中心的距離，當W_uv窗口離中心越近，其高度越高，質量分布向心度越大，越利于抓取；當W_uv離中心位置越遠，高度越高，越不利于抓取，因此，α的取值，根據(jù)W_uv離中心的距離分段變化，假設在有利于抓取的范圍為(0，l₁)，不利于抓取的范圍為[l₂，P/2]，在有利、不利之間的設置為常數(shù)1，則α可表示為：

對于整個抓取窗口，其質量分布情況，為所有子窗口之和的平均值，由此可得：

根據(jù)式3，可以求出任何一個子窗口的質量分布向心度值，根據(jù)值的大小，可評測在此窗口抓取時質量是否滿足下限要求，如果滿足則實施抓取動作，否則跳過此窗口；

步驟三，質量分布向心度與抓取安全性因素分析；

對于任意一個抓取窗口W_pq，抓取時抓斗傾斜越小抓取越安全，出現(xiàn)安全事故的機率越低，細顆粒散料的分布是連續(xù)的，理想的情況是中間高、四周低，即干散堆料集中于中心子窗口W_c位置時，抓取安全且效果好；

其中W_n表示中心窗口高度高于周圍四個窗口高度的數(shù)量，從實際經驗得知，當W_n為2時，與抓斗長邊方向一致，與現(xiàn)場發(fā)生安全事故的機率非常大，當W_n＝3時，發(fā)生機率次之，另外，質量分布身心度越好，呈現(xiàn)“峰”狀分布，安全性也越好，為分析安全關系，將整個窗口分為中心帶WZ_c、周邊四個子窗口WZ_k，k∈[1，4]，則對于任何一個周邊子窗口WZ_k，中心帶WZ_c為：

其中，WZ_c的中心點位于((1+p)/2，(yW_c+1+q/2))；

抓取窗口可表示為：根據(jù)各子窗口與中心帶WZ_c的高度差及窗口的質量分布向心度AFF_pq與抓取安全的分析，用S衡量W_pq窗口的安全性，AFF_pq與安全性成正比，四個周邊子窗口的根據(jù)抓斗長邊的位置，分為WL_pq和WR_pq，則W_pq＝(WL_pqWR_pq)，假設HL_pq、HR_pq表示W_pq左右周邊窗口的均高，SW_pq表示W_pq的安全系數(shù)，則SW_pq可表示為：

SW_pq＝β*HS4/abs(HL_pq-HR_pq) (式6) 式(6)中，HS4表示W_pq中間帶的物料超過抓取窗口的平均高度值，當W_n＝2或W_n＝3，左右兩邊的子窗口高度相差達到某一危險值H_d時，會發(fā)生安全事故，安全，此時β＝0，其它情況下，β＝1，由式6可知，SW_pq值越大，越安全。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于DEM的無人行車抓取安全與抓取效果檢測算法，其特征在于，單元窗口中定義M＝33，N＝99，共33*99個單元格，設P＝16，Q＝32，U＝4，V＝8，則全場可劃分為共6個抓取窗口，每個窗口又劃分為16個子窗口。