CN109669190A - 一种大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统 - Google Patents

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刘冲
李旭东
孙阳阳
李经民
郭正刚
宋吉鹤
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications

Abstract

本发明提供了一种大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统。包括RTK基站、激光雷达A、激光雷达B、数据融合系统、数据综合处理系统。其中RTK基站用于提供GPS位置信息的差分数据；激光雷达A和激光雷达B用于获取被扫描环境的三维点云信息；数据融合系统用于计算高精度GPS位置信息，获取大型挖掘装备姿态信息，在时间上同步激光雷达的点云数据；数据综合处理系统用于转换激光雷达点云数据的参考坐标系，然后做滤波、压缩、特征提取、配准，同时显示地貌和大型挖掘装备位置、姿态、速度信息。

Description

一种大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统
技术领域
本发明涉及一种大场景高精度的三维环境的扫描系统，尤其是应用在大型挖掘设备自动化挖掘过程中对矿场、散料堆的扫描以获取环境的三维点云信息以及设备位置、姿态和速度信息。
背景技术
露天矿开采，散料堆放运输等工作目前使用的大型挖掘和运输装备都是人工操作，存在作业量大、矿区工况复杂、无法全天候运行、设备运行功耗高，挖掘效率低等问题。大型挖掘装备智能化已经成为一种必然的发展趋势，要实现大型挖掘装备智能化作业，挖掘设备首先需要获取周边三维环境信息，还需要获得当前工作姿态和位置信息。目前我国大型智能化挖掘设备还处于发展阶段，与其配套的专用大场景高精度的三维环境扫描系统更是欠缺。当前常见的三维环境扫描系统多用于小场景现场扫描，多采用三维多线机械激光雷或固态激光雷达，价格昂贵且缺少多传感器数据融合功能，无法适应恶劣的工况环境且满足不了装备姿态实时检测及高精度定位的要求。由于大型挖掘装备独特机械结构和挖掘工序流程的限制，更易受到设备部件遮挡、机械振动、户外恶劣环境干扰等因素影响。现有的三维环境扫描系统和大型挖掘设备无匹配效果差不能满足要求。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明根据现有技术的不足，公开了一种大场景高精度的大型挖掘装备三维环境扫描系统。
具体技术方案为：
一种大场景高精度的大型挖掘装备三维环境扫描系统，包括RTK基站、激光雷达A、激光雷达B、数据融合系统、数据综合处理系统。所述的RTK基站与数据融合系统通过无线通讯；两个激光雷达分别与数据融合系统电信号连接；数据融合系统与数据综合处理系统电信号连接。其中RTK基站需要放置地势较高且没有遮挡的工作现场；两个激光雷达分别放置在大型电铲前端不能被遮挡，且两个激光雷达扫描范围需要有10％～50％的重合；数据融合系统和数据综合处理系统放置在大型挖掘设备上。
所述的RTK基站，包括GPS天线、GPS信号接收机、发送电台。其中的GPS天线和GPS信号接收机负责接收GPS信息并通过发送电台发送到数据融合系统。
所述的激光雷达A和激光雷达B，用于采集三维环境的点云数据，是使用红外激光的单线二维的机械式激光雷达。其中激光雷达的水平和俯仰扫描角度分别要大于等于30度和180度。
所述的数据融合系统，用于接收RTK基站发送的信息作为基准信息计算出GPS差分数据，然后结合自身采集GPS数据计算出高精度定位结果和当前速度，还实时检测大型挖掘装备当前姿态(包括偏航角、横滚角、俯仰角)，在时间上同步两个激光雷达的数据。
所述数据融合系统包括激光雷达数据同步单元、姿态检测模块、双通道GPS接收模块、电台接收模块、电源模块、数据融合微处理器模块和网络交换模块。其中电源模块负责供电，激光雷达数据同步单元、姿态检测模块、双通道GPS接收单元、电台接收模块分别与数据融合微处理器模块对应的功能接口连接。数据融合系统通过电台接收模块接收RTK基站发送的GPS差分数据，过双通道GPS接收单元接收前端GPS天线和后端GPS天线的GPS信息(位置和时间)，通过姿态检测模块的读取姿态信息(俯仰角，偏航角，横滚角)，通过激光雷达数据同步单元读取激光雷达A、激光雷达B的数据；其中的数据融合微处理器根据接收GPS差分信息和GPS信息计算出高精度的位置信息和当前速度信息(速度大小和方向)，然后把高精度位置信息，速度信息和姿态信息发送到数据综合处理系统。其中激光雷达同步单元的两个数据处理微处理器通过网口分别接收来自激两个光雷达的点云数据，每一帧激光雷达数据传输到处理微处理器模块，数据处理微处理器会执行中断程序从数据融合微处理器模块读取当前GPS准确时间并把时间信息添加激光雷达点云数据中，把更新后的激光雷达数据发送到网络交换模块，再由网络交换模块把激光雷达数据发送到数据综合处理系统。
数据综合处理系统，包括点云处理单元和可视化单元，接收来自数据综合处理系统发送的高精度位置信息，姿态信息，速度信息，点云数据。点云处理单元根据姿态信息和点云数据生成三维点云数据，再把三维点云数据的坐标系转换成以大型挖掘设备中心为原点的坐标，然后通过双边滤波算法去除三维点云数据在扫描过程中的产生的噪声，对滤波后的三维点云数据精简降以低点三维云数据量，最后根据点三维点云信息中的特征精简后两帧三维点云数据进行配准和拼接构成一帧全景三维点云数据；可视化单元把全景三维点云数据三维重建后显示出当前的地形地貌新信息，还包括显示当前大型挖掘装备的姿态、位置、速度信息。
所述的双通道GPS接收单元包括前端GPS天线、后端GPS天线和GPS接收模块，其中前端GPS天线和后端GPS天线，安装时竖直高度保持一致，且水平距离要大于2米。
所述的激光雷达同步单元，由两个数据处理微处理器组成。
所述的姿态检测模块能够检测的姿态包括偏航角、横滚角、俯仰角。
所述电台接收模块，用于接收RTK基站发送数据并发送到数据融合微处理器模块。
所述的电源模块,用于把车载电压转换可用标准电压。
所述网络交换模块，用于把激光雷达同步单元处理后的激光雷达数据发送到数据综合处理系统，网络交换模块根据数据综合处理系统的指令轮流读取两个激光雷达处理后的点云数据，并能通过IP地址来识别激光雷达的身份。
本发明的有益效果：本发明解决当前大型挖掘设备智能化挖掘中缺少大场景高精度的三维环境扫描系统的问题，本发明具安装简单、能适用恶劣的工况环境，集成强大数据综合处理能力并且成本相对较低。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的系统安装示意图。
图3是数据融合系统结构示意图。
图4是数据综合处理系统结构示意图
图中：100RTK基站；110基站GPS天线；120基站GPS接收模块；130基站发射电台；210激光雷达A；220激光雷达B；300数据融合系统；310激光雷达数据同步单元；311数据处理微处理器1；312数据处理微处理器2；320姿态检测模块；330双通道GPS接收单元；331前端GPS天线；332后端GPS天线；333GPS接收模块；340电台接收模块；350电源模块；360数据融合微处理器；370网络交换模块；400数据综合处理系统；410点云处理单元；420可视化单元；500大型挖掘装备。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，此处所描述的优选实施仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种大场景高精度的大型挖掘装备三维环境扫描系统，如图1所示包括RTK基站、激光雷达A和激光雷达B、数据融合系统、数据综合处理系统。
在工作场地中地势较高且没有遮挡的工作现场架设好RTK基站100，与数据融合系统300通过无线电台通讯，RTK基站的电台发射模块130和数据融合系统的电台接收模块340需要设置在同一信道和相同的波特率；两个激光雷达210和220使用红外激光的单线二维的机械式激光雷达且激光雷达的水平和俯仰扫描角度分别要大于等于30度和180度，与数据融合系统300的激光雷达同步单元310中两个数据处理微处理器311和312通过网口连接。其中激光雷达A和激光雷达B分别放置在大型电铲的前端不能被遮挡，且两个激光雷达扫描范围需要有10％～50％的重合；数据融合系统与数据综合处理系统连接，数据融合系统和数据综合处理系统放置在大型挖掘设备500上。
数据融合系统300中的电源模块350用于把车载直流24V电压转换可用标准电压作为电源；
数据融合系统300与姿态检测模块320通过电信号连接读取偏航角、横滚角、俯仰角；
数据融合系统300通过激光雷达同步单元310在时间上同步两个激光雷达的点云数据。激光雷达同步单元310的两个数据处理微处理器311和312通过网口分别接收来自激光雷达210和220的点云数据和数据融合微处理器360的GPS时间信息，每一帧激光雷达点云数据传输到处理微处理器311和312，数据处理微处理器311和312会执行中断程序从数据融合微处理器360读取当前GPS准确时间并把时间信息添加激光雷达点云数据中，再把更新后的激光雷达点云数据发送到网络交换模块370。
网络交换模块370通过网线与数据综合处理系统400连接，用于把激光雷达同步单元310处理后的点云数据发送到数据综合处理系统。
数据综合处理系统400接收来自数据融合系统发送的高精度位置信息，姿态信息，速度信息，点云数据。点云处理单元根据姿态信息和点云数据生成三维点云数据，再把三维点云数据的坐标系转换成以大型挖掘设备中心为原点的坐标，然后通过双边滤波算法去除三维点云数据在扫描过程中的产生的噪声，对滤波后的三维点云数据精简以降低点三维云数据量，最后根据点三维点云信息中的特征精简后两帧三维点云数据进行配准和拼接构成一帧全景三维点云数据；可视化单元把全景三维点云数据三维重建后显示出当前的地形地貌新信息，还包括显示当前大型挖掘装备的姿态、位置、速度信息。

Claims (4)

1.一种大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统，其特征在于，包括RTK基站(100)、激光雷达A(210)、激光雷达B(220)、数据融合系统(300)、数据综合处理系统(400)；
所述的RTK基站(100)用于接收来自GPS卫星的时间和位置坐标信息，并通过无线通讯把GPS差分数据发送给数据融合系统(300)；
激光雷达A(210)、激光雷达B(220)分别与数据融合系统(300)电信号连接，用于采集三维环境的点云数据；
数据融合系统(300)通过电台接收模块(340)接收RTK基站(100)发送的GPS差分数据，过双通道GPS接收单元(330)接收前端GPS天线(331)和后端GPS天线(332)的GPS信息包括位置和时间，通过姿态检测模块(320)的读取姿态信息，包括俯仰角、偏航角、横滚角，通过激光雷达数据同步单元(310)读取激光雷达A(210)、激光雷达B(220)的数据；其中的数据融合微处理器(360)根据接收GPS差分信息和GPS信息计算出高精度的位置信息和当前速度信息包括速度大小和方向，然后把高精度位置信息、姿态信息和速度信息发送到数据综合处理系统(400)；激光雷达数据同步系统(310)的两个数据处理微处理器(311和312)通过网口分别接收来自激两个光雷达的点云数据，每一帧点云数据传输到处理微处理器，数据处理微处理器会执行中断程序从数据融合微处理器模块读取当前GPS准确时间并把时间信息添加点云数据中，把更新后的点云数据发送到网络交换模块(370)，再由网络交换模块把点云数据发送到数据综合处理系统；
所述数据综合处理系统(400)，包括点云处理单元(410)和可视化单元(420)，接收来自数据综合处理系统发送的高精度位置信息，姿态信息，速度信息，点云数据；点云处理单元根据姿态信息和点云数据生成三维点云数据，再把三维点云数据的坐标系转换成以大型挖掘设备中心为原点的坐标后通过双边滤波算法去除三维点云数据在扫描过程中的产生的噪声，然后对滤波后的三维点云数据精简以降低点三维云数据量，最后根据点三维点云信息中的特征精简后两帧三维点云数据进行配准和拼接构成一帧全景三维点云数据；可视化单元把全景三维点云数据三维重建后显示出当前的地形地貌新信息，还包括显示当前大型挖掘装备的姿态、位置、速度信息；
其中RTK基站放置地势较高且没有遮挡的场地；两个激光雷达分别放置在大型挖掘装备的大型电铲前端不能被遮挡，且两个激光雷达扫描范围有10％～50％的重合；数据融合系统和综合处理系统放置在大型挖掘设备的操作仓内。
2.如权利要求1所述的大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统，其特征在于，激光雷达是使用红外激光的单线二维的机械式激光雷达，其中激光雷达的水平和俯仰扫描角度分别要大于等于30度和180度。
3.如权利要求1或2所述的大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统，其特征在于，数据融合系统，包括激光雷达数据同步单元、姿态检测模块、双通道GPS接收模块、电台接收模块、电源模块、数据融合微处理器和网络交换模块；其中电源模块给负责供电；激光雷达数据同步单元、姿态检测模块、双通道GPS接收单元、电台接收模块与数据融合微处理器对应的功能接口电信号连接。
4.如权利要求1或2所述的所述的大场景高精度大型挖掘装备的三维环境扫描系统，其特征在于，双通道GPS接收单元，外接一个前端GPS天线、后端GPS天线和GPS接收模块，两个天线安装时竖直高度保持一致，水平距离要大于等于2米。
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