CN111367297A - 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法，定位系统包括煤栅、煤堆、轨道、定位机器人、推煤机、基站，定位方法包括如下具体步骤：步骤一：定位机器人移动到推煤机需要作业的区域；步骤二：获取推煤机周围环境空间坐标的点云数据；步骤三：重构实时三维地貌渲染图；步骤四：获取推煤机的姿态信息；步骤五：得到姿态数据；步骤六：描述推煤机的位置姿态；步骤七：对障碍物进行彩色渲染；步骤八：对障碍物进行跟踪；步骤九：车载控制系统控制推煤机避开障碍物，本发明有效提高自动推煤机运行的安全性，提高移动机械的立体作业定位准确度。

Description

一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法。
背景技术
随着无人驾驶技术的不断发展和日益普及，对那些在封闭或半封闭场景的固定区域内使用的机械设备，特别是作业环境恶劣区域是非常有必要采用无人驾驶技术，对作业过程进行辅助和提供支持，如港口、电厂等堆场内使用的推煤机等工程机械设备。
在无人驾驶工程机械进行作业的过程中，需要实时获取自身的定位结果，从而保证自身安全和工作稳定性，因此，如何精准的对无人驾驶工程机械的位姿进行定位，从而获取无人驾驶工程机械的定位结果是至关重要的。
同时，无人驾驶机械设备必须具有的重要功能是避开障碍物，以确保其安全性，防止它与物体或人碰撞。目前，无人驾驶设备通常会通过差分GPS定位法、激光定位法及视觉定位法等定位方法中的任意一种定位方法获取无人驾驶设备的定位结果，然而，无人驾驶工程机械如推煤机在火力发电厂主要承担煤场整形、煤场盘点、应急供煤重要工作。由于推煤机使用环境较为复杂，在此环境内的其他设备位置变化频繁，推煤机作业时不断行驶在起伏不停的煤堆上，空间位置变化也较频繁，使得现有的定位方法无法精准的对自动推煤机的位姿进行定位，进而导致自动推煤机通过现有的定位方法获取得到的定位结果的准确性较低。
现有技术中，该技术主要使用安装在无人驾驶设备上的多线激光雷达或者导航模块来实现。由于作业环境的特殊性，使得激光雷达有作用盲区。单纯利用卫星导航模块或者惯性导航模块，只能获取自身的定位信息，而对环境感知不足，无法应对推煤机立体作业等复杂工况环境。
发明内容
本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，包括煤栅、煤堆、轨道、定位机器人、推煤机、基站，所述煤堆放置于煤栅的底部，所述轨道安装在煤栅上，所述定位机器人在轨道上运动，所述定位机器人设有激光雷达、电池、定位机器人控制系统、网络通信模块B、球形摄像机、充电系统，所述推煤机包括推煤机主体、车载控制系统、网络通信模块A、惯性导航系统，所述车载控制系统、网络通信模块A、惯性导航系统安装在推煤机主体上，所述激光雷达、球形摄像机、网络通信模块B都与定位机器人控制系统电性连接，所述激光雷达、定位机器人控制系统、网络通信模块B、球形摄像机都与电池电性连接，所述充电系统与电池电性连接，所述网络通信模块A、网络通信模块B都与基站无线连接，所述网络通信模块A与网络通信模块B无线连接，所述网络通信模块A通过车载控制系统连接惯性导航系统。
作为优选，轨道位于煤堆的上方。
作为优选，所述激光雷达、球形摄像机位于定位机器人的底端。
作为优选，惯性导航系统用于获取推煤机的姿态角度。
作为优选，所述姿态角度包括俯仰角、倾斜角和偏航角。
作为优选，惯性导航系统包括陀螺仪、加速度计及电子罗盘。
作为优选，车载控制系统包括ARM和GPU。
作为优选，球形摄像机用于对推煤机进行图像监控。
一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法，包括如下具体步骤：步骤一：所述定位机器人移动到推煤机需要作业的区域；
步骤二：所述激光雷达对推煤机进行旋转扫描，从而获取推煤机周围环境空间坐标的点云数据；
步骤三：所述车载控制系统从激光雷达获取点云数据，并基于点云数据重构实时三维地貌渲染图；
步骤四：所述惯性导航系统获取推煤机的姿态信息，所述姿态信息包括俯仰角、滚转角和偏航角；
步骤五：所述车载控制系统从所述惯性导航系统获取姿态信息，然后利用卡尔曼滤波法进行数据融合，得到姿态数据；
步骤六：所述车载控制系统根据实时三维地貌和姿态数据描述推煤机的位置姿态；
步骤七：所述车载控制系统在实时三维地貌渲染图中表示出障碍物，并且对障碍物进行彩色渲染，所述障碍物的颜色与实时三维地貌渲染图的颜色不同；
步骤八：所述车载控制系统通过目标跟踪算法对障碍物进行跟踪，得到障碍物的实时位置和形状信息，并且预测障碍物的运动轨迹；
步骤九：所述车载控制系统根据推煤机的位置姿态与障碍物的形状信息和实时位置控制推煤机避开障碍物。
作为优选，车载控制系统基于点云数据重构实时三维地貌渲染图包括以下步骤：
步骤a：所述车载控制系统对点云数据进行滤波、分割、匹配和拼接，得到修整点数据；
步骤b：所述车载控制系统利用OPENGL技术将修正点数据展宽成面；
步骤c：所述车载控制系统利用颜色插值方法进行彩色渲染，得到彩色的实时三维地貌渲染图，所述三维地貌渲染显示在水平方向360°和垂直方向上测量视角范围内所有物体的位置信息和形状信息。
本发明的有益效果如下：本发明通过定位机器人上激光雷达与惯性导航系统结合起来，使得推煤机能够借助于激光雷达和惯性导航系统获取周围的三维地貌和自身的定位信息，从而有效提高自动推煤机运行的安全性；
本发明通过定位机器人定位方式，使激光雷达稳扫描，可以在煤栅等类似封闭或半封闭式环境内，提高移动机械的立体作业定位准确度。
附图说明
图1为本发明的的立体结构示意图；
图2为定位机器人的立体结构示意图；
图3为推煤机的立体结构示意图；
图4为本发明的模块连接图；
图5为激光雷达发送激光束的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1到图4所示，一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，包括煤栅10、煤堆40、轨道20、定位机器人30、推煤机50、基站60，所述煤堆40放置于煤栅10的底部，所述轨道20安装在煤栅10上，所述定位机器人30在轨道20上运动，所述定位机器人30设有激光雷达31、电池33、定位机器人控制系统34、网络通信模块B35、球形摄像机36、充电系统37，所述推煤机50包括推煤机主体51、车载控制系统52、网络通信模块A53、惯性导航系统54，所述车载控制系统52、网络通信模块A53、惯性导航系统54安装在推煤机主体51上，所述激光雷达31、球形摄像机36、网络通信模块B35都与定位机器人控制系统34电性连接，所述激光雷达31、定位机器人控制系统34、网络通信模块B35、球形摄像机36都与电池33电性连接，所述充电系统37与电池33电性连接，所述网络通信模块A53、网络通信模块B35都与基站60无线连接，所述网络通信模块A53与网络通信模块B35无线连接，所述网络通信模块A53通过车载控制系统52连接惯性导航系统54，所述轨道20位于煤堆40的上方，轨道固定在煤栅顶上，轨道长度略短于煤栅长度。定位机器人悬挂在轨道上，可以在轨道长度范围内运动，扫描范围可以覆盖整个煤栅。
如图2所示，激光雷达31、球形摄像机36位于定位机器人30的底端，球形摄像机36用于对推煤机50进行图像监控。
如图3所示，惯性导航系统54用于获取推煤机的姿态角度，姿态角度包括俯仰角、倾斜角和偏航角，惯性导航系统54包括陀螺仪、加速度计及电子罗盘，车载控制系统52包括ARM和GPU。
如图5所示，激光束60为其中定位机器人某一位置时扫描到的范围，当工作时安装在定位机器人上的激光雷达进行连续旋转扫描，获取推煤机周围环境空间坐标的点云数据，然后车载控制系统52通过在轨道上跟踪移动的激光雷达31获取激光测距的点云数据、通过惯性导航系统54获取推煤机的运动情况和周围的环境信息以及通过网络通信模块A53、网络通信模块B35与基站的远程服务器进行交互，并且在获取了推煤机50的运动情况和周围的环境信息之后，车载控制系统52利用卡尔曼滤波等数据融合算法计算自动驾驶推煤机50的俯仰角、滚转角和偏航角等姿态信息，进而与周围的环境信息结合即可对行驶轨迹和行驶方式进行优化，以保证推煤机能够正常运行。
利用本发明的推煤机能够借助于定位机器人上的激光雷达31和惯性导航系统54获取周围的煤堆的三维地貌和自身的定位信息，从而有效提高推煤机运行的安全性。
如图1到图5所示，一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法，包括如下具体步骤：
步骤一：所述定位机器人30移动到推煤机50需要作业的区域；
步骤二：所述激光雷达31对推煤机50进行旋转扫描，从而获取推煤机50周围环境空间坐标的点云数据；
步骤三：所述车载控制系统52从激光雷达31获取点云数据，并基于点云数据重构实时三维地貌渲染图；
步骤四：所述惯性导航系统54获取推煤机50的姿态信息，所述姿态信息包括俯仰角、滚转角和偏航角；
步骤五：所述车载控制系统52从所述惯性导航系统54获取姿态信息，然后利用卡尔曼滤波法进行数据融合，得到姿态数据；
步骤六：所述车载控制系统52根据实时三维地貌和姿态数据描述推煤机的位置姿态；
步骤七：所述车载控制系统52在实时三维地貌渲染图中表示出障碍物，并且对障碍物进行彩色渲染，所述障碍物的颜色与实时三维地貌渲染图的颜色不同；步骤八：所述车载控制系统52通过目标跟踪算法对障碍物进行跟踪，得到障碍物的实时位置和形状信息，并且预测障碍物的运动轨迹；
步骤九：所述车载控制系统52根据推煤机50的位置姿态与障碍物的形状信息和实时位置控制推煤机50避开障碍物。
车载控制系统基于点云数据重构实时三维地貌渲染图包括以下步骤：
步骤a：所述车载控制系统52对点云数据进行滤波、分割、匹配和拼接，得到修整点数据；
步骤b：所述车载控制系统52利用OPENGL技术将修正点数据展宽成面；
步骤c：所述车载控制系统52利用颜色插值方法进行彩色渲染，得到彩色的实时三维地貌渲染图，所述三维地貌渲染显示在水平方向360°和垂直方向上测量视角范围内所有物体的位置信息和形状信息。
本发明通过定位机器人上激光雷达与惯性导航系统结合起来，使得推煤机能够借助于激光雷达和惯性导航系统获取周围的三维地貌和自身的定位信息，从而有效提高自动推煤机运行的安全性；
本发明通过定位机器人定位方式，使激光雷达稳扫描，可以在煤栅等类似封闭或半封闭式环境内，提高移动机械的立体作业定位准确度。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，包括煤栅(10)、煤堆(40)、轨道(20)、定位机器人(30)、推煤机(50)、基站(60)，所述煤堆(40)放置于煤栅(10)的底部，所述轨道(20)安装在煤栅(10)上，所述定位机器人(30)在轨道(20)上运动，所述定位机器人(30)设有激光雷达(31)、电池(33)、定位机器人控制系统(34)、网络通信模块B(35)、球形摄像机(36)、充电系统(37)，所述推煤机(50)包括推煤机主体(51)、车载控制系统(52)、网络通信模块A(53)、惯性导航系统(54)，所述车载控制系统(52)、网络通信模块A(53)、惯性导航系统(54)安装在推煤机主体(51)上，所述激光雷达(31)、球形摄像机(36)、网络通信模块B(35)都与定位机器人控制系统(34)电性连接，所述激光雷达(31)、定位机器人控制系统(34)、网络通信模块B(35)、球形摄像机(36)都与电池(33)电性连接，所述充电系统(37)与电池(33)电性连接，所述网络通信模块A(53)、网络通信模块B(35)都与基站(60)无线连接，所述网络通信模块A(53)与网络通信模块B(35)无线连接，所述网络通信模块A(53)通过车载控制系统(52)连接惯性导航系统(54)。
2.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述轨道(20)位于煤堆(40)的上方。
3.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述激光雷达(31)、球形摄像机(36)位于定位机器人(30)的底端。
4.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述惯性导航系统(54)用于获取推煤机的姿态角度。
5.根据权利要求4所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述姿态角度包括俯仰角、倾斜角和偏航角。
6.根据权利要求4所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述惯性导航系统(54)包括陀螺仪、加速度计及电子罗盘。
7.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述车载控制系统(52)包括ARM和GPU。
8.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统，其特征在于，所述球形摄像机(36)用于对推煤机(50)进行图像监控。
9.一种基于权利要求1所述应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤一：所述定位机器人(30)移动到推煤机(50)需要作业的区域；
步骤二：所述激光雷达(31)对推煤机(50)进行旋转扫描，从而获取推煤机(50)周围环境空间坐标的点云数据；
步骤三：所述车载控制系统(52)从激光雷达(31)获取点云数据，并基于点云数据重构实时三维地貌渲染图；
步骤四：所述惯性导航系统(54)获取推煤机(50)的姿态信息，所述姿态信息包括俯仰角、滚转角和偏航角；
步骤五：所述车载控制系统(52)从所述惯性导航系统(54)获取姿态信息，然后利用卡尔曼滤波法进行数据融合，得到姿态数据；
步骤六：所述车载控制系统(52)根据实时三维地貌和姿态数据描述推煤机的位置姿态；
步骤七：所述车载控制系统(52)在实时三维地貌渲染图中表示出障碍物，并且对障碍物进行彩色渲染，所述障碍物的颜色与实时三维地貌渲染图的颜色不同；
步骤八：所述车载控制系统(52)通过目标跟踪算法对障碍物进行跟踪，得到障碍物的实时位置和形状信息，并且预测障碍物的运动轨迹；
步骤九：所述车载控制系统(52)根据推煤机(50)的位置姿态与障碍物的形状信息和实时位置控制推煤机(50)避开障碍物。
10.根据权利要求9所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法，其特征在于，所述车载控制系统基于点云数据重构实时三维地貌渲染图包括以下步骤：
步骤a：所述车载控制系统(52)对点云数据进行滤波、分割、匹配和拼接，得到修整点数据；
步骤b：所述车载控制系统(52)利用OPENGL技术将修正点数据展宽成面；
步骤c：所述车载控制系统(52)利用颜色插值方法进行彩色渲染，得到彩色的实时三维地貌渲染图，所述三维地貌渲染显示在水平方向360°和垂直方向上测量视角范围内所有物体的位置信息和形状信息。
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CN105910604A (zh) * 2016-05-25 2016-08-31 武汉卓拔科技有限公司 一种基于多传感器的自主避障导航系统
CN109002053A (zh) * 2018-08-17 2018-12-14 河南科技大学 无人驾驶设备用智能化空间定位和环境感知装置及方法
CN109882244A (zh) * 2019-03-29 2019-06-14 安徽延达智能科技有限公司 一种井下巡检机器人智能建图系统
CN211928438U (zh) * 2020-04-14 2020-11-13 浙江浙能技术研究院有限公司 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统

Patent Citations (4)

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