CN111427062B - 一种基于激光雷达的液压支架对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光雷达的液压支架对齐方法，包括：步骤1，在相邻液压支架之间部署激光雷达和检测目标；步骤2，用激光雷达采集数据，并将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式；步骤3，对激光雷达采集的数据进行滤波处理，过滤掉与检测目标无关的点；步骤4，对滤波后的数据进行直角检测，获得检测目标的位置；步骤5，判断检测目标是否对齐，如果对齐则结束，否则转到步骤6；步骤6，将检测目标的位置返回给控制支架移动的装置，支架在控制装置的控制下移动，转步骤2。

Description

一种基于激光雷达的液压支架对齐方法

技术领域

本发明涉及基于激光雷达进行障碍物检测的方法，更具体地，涉及一种基于激光雷达的液压支架对齐方法。

背景技术

液压支架是用来控制采煤工作面矿山压力的结构物。在采煤机的运行过程中，需要不断地对液压之间进行对齐。在传统对齐方式中，往往需要借助人力来对液压支架进行对齐。这不仅产生了很大的安全隐患，而且浪费了大量人力成本。因此，迫切需要一种能够自动对齐液压支架的方法。

发明内容

本发明提出了一种自动对液压支架进行对齐的方法，以减少人工进行液压支架对齐的安全隐患和人力成本。该方法包含以下步骤：

步骤1，在相邻液压支架之间部署激光雷达和检测目标；

步骤2，用激光雷达采集数据，并将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式；

步骤3，对激光雷达采集的数据进行滤波处理，过滤掉与检测目标无关的点；

步骤4，对滤波后的数据进行直角检测，获得检测目标的位置；

步骤5，判断检测目标是否对齐，如果对齐则结束，否则转到步骤6；

步骤6，将检测目标的位置返回给控制支架移动的装置，支架在控制装置的控制下移动，转步骤2。

步骤1包括：

在每个液压支架上都部署上检测目标和激光雷达，检测目标为一长宽高均为H的立方体盒子；

激光雷达和检测目标处于同一水平线。

步骤2包括：

步骤2-1，用激光雷达采集数据，采集的数据是一系列坐标，表示激光扫描范围内障碍物的位置，所述一系列坐标D₁具有极坐标形式，按照角度递增的顺序表示为D₁＝[(r₁,θ₁),(r₂,θ₂),…,(r_n,θ_n)]，其中n表示数据的条数，r_i表示第i条数据的距离，θ_i表示第i条数据的角度；1≤i≤n；

步骤2-2，将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式，第i条数据的横坐标x_i和纵坐标y_i计算方式为：

x_i＝r_i*cos(θ_i),1≤i≤n，

y_i＝r_i*sin(θ_i),1≤i≤n，

得到转换后的数据D₂＝[(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_n,y_n)]。

步骤3包括：

定义一个大小为w的滑动窗口，滤波开始时窗口左端与数据D₂的第一个数据对齐，这里w取值一般为5～10。记与窗口对齐的数据为D_w＝[(x_i,y_i),(x_i+1,y_i+1),…,(x_i+w-1,y_i+w-1)]，这里(x_i,y_i)表示数据D₂中与滑动窗口对齐的第一个数据，(x_i+w-1,y_i+w-1)表示数据D₂中与滑动窗口的对齐的最后一个数据，i表示数据D₂与滑动窗口对齐的第一个数据的下标。

滤波具体包含以下两个步骤：

步骤3-1，如果(x_i,y_i)等于(0,0)且(x_i+w-1,y_i+w-1)等于(0,0)，转步骤3-2，否则转步骤3-3；

步骤3-2，统计D_w中等于(0,0)的项数，记为S，如果满足S≥w*0.5，将D_w中所有数据置为(0,0)；

步骤3-3，将窗口向右滑动一个位置，如果此时窗口右端超出数据的右边界，则结束，否则转步骤3-1。

步骤4包括：

步骤4-1，对数据进行直角检测：对于每条数据(x_i,y_i),1≤i≤n，计算其左、右两侧点的几何中心，分别记为(x_left,y_left)和(x_right,y_right)，计算方法为：

然后计算(x_left,y_left)和(x_right,y_right)与(x_i,y_i)形成的角的余弦值c_i，其计算方式如下：

步骤4-2，计算立方体盒子在激光扫描平面上的四个顶点的坐标；

步骤4-2包括：选取余弦值最小的点作为盒子的一个顶点，记为(x_b,y_b)，其中b＝min_1≤i≤nc_i；(x_b,y_b)左侧点的几何中心记为

盒子其他三个顶点的坐标(x_a,y_a),(x_c,y_c),(x_d,y_d)计算方式为：

x_c＝x_b+y_a-y_b，

y_c＝y_c+x_b-x_a，

x_d＝x_a+y_a-y_b，

y_d＝y_a+x_b-x_a。

步骤5包括：

对于步骤4-2获得的坐标数据，计算相邻顶点横纵坐标差的最小值：

d_ab＝min(|x_a-x_b|,|y_a-y_b|)

d_bc＝min(|x_b-x_c|,|y_b-y_c|)

d_cd＝min(|x_c-x_d|,|y_c-y_d|)

d_da＝min(|x_a-x_d|,y_a-y_d|)

其中，d_ab表示相邻顶点(x_a,y_a)、(x_b,y_b)横纵坐标差的最小值，d_bc表示相邻顶点(x_b,y_b)、(x_c,y_c)横纵坐标差的最小值，d_cd表示相邻顶点(x_c,y_c)、(x_d,y_d)横纵坐标差的最小值，d_da表示相邻顶点(x_d,y_d)、(x_a,y_a)横纵坐标差的最小值；

如果上述四个最小值都小于一个预先定义的阈值α，则判定检测目标和激光雷达是对齐的，否则判定二者是未对齐的。α的取值一般为5cm。

步骤6包括：

支架的移动可能由某些机械装置或者由人手动控制，本发明中将其统称为控制装置，只需要返回未对齐支架的现有位置，以提供它们控制支架移动的参考信息。

液压支架在控制装置的控制下移动，然后转步骤2。

有益效果：本发明提供了一种简单、高效的液压支架对齐方法。该方法主要借助廉价的激光雷达进行液压支架对齐检测，整个系统部署简单，成本低。本发明提出的液压支架对齐方法能够有效减少障碍物对支架对齐的影响，具有很高的可靠性。此外，本方法无需借助人工辅助，有利于保障工作人员的生命安全。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明基于激光雷达的液压支架对齐方法的流程图。

图2为本发明中液压支架、激光雷达以及检测目标位置关系的模型图。

具体实施方式

图1是本发明基于激光雷达的液压支架对齐方法的流程图。

如图1所示，该方法包含以下步骤：

步骤1，在相邻液压支架之间部署激光雷达和检测目标。

在每个液压支架上都部署上检测目标和激光雷达，检测目标为一长宽高均为30cm的立方体盒子；

液压支架、激光雷达以及检测目标三者位置关系如图2所示。

步骤2，用激光雷达采集数据，并将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式。该步骤包括：

步骤2-1，用激光雷达采集数据。采集的数据是一系列坐标，表示激光扫描范围内障碍物的位置。这些坐标具有极坐标形式，按照角度递增的顺序表示为D₁＝[(r₁,θ₁),(r₂,θ₂),…,(r_n,θ_n)]，其中n表示数据的条数，r_i,1≤i≤n表示距离，θ_i,1≤i≤n表示角度。在一个实施方式中，n＝120，θ_i＝30°-0.5°*i,1≤i<＝120，r_i,1≤i≤n的取值为30cm～150cm。

步骤2-2，将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式，横坐标x_i和纵坐标y_i计算方式为

x_i＝r_i*cos(θ_i),1≤i≤n

y_i＝r_i*sin(θ_i),1≤i≤n

得到D₂＝[(x₁,y₁),(x₂,y₂),…,(x_n,y_n)]。

上述极坐标系和笛卡尔坐标系的原点均为激光雷达，已对齐方向为极坐标系角度为0的方向，同时也是笛卡尔坐标系的x轴方向。

步骤3，对激光雷达采集的数据进行滤波处理，过滤掉与检测目标无关的点。该步骤包括：

定义一个大小为w＝8的滑动窗口，滤波开始时窗口左端与数据D₂的第一个数据对齐。记与窗口对齐的数据为D_w＝[(x_i,y_i),(x_i+1,y_i+1),…,(x_i+w-1,y_i+w-1)]，这里(x_i,y_i)表示数据D₂中与滑动窗口对齐的第一个数据，(x_i+w-1,y_i+w-1)表示数据D₂中与滑动窗口的对齐的最后一个数据，i表示数据D₂与滑动窗口对齐的第一个数据的下标。

滤波具体包含以下两个步骤：

步骤3-1，如果(x_i,y_i)等于(0,0)且(x_i+w-1,y_i+w-1)等于(0,0)，转步骤3-2，否则转步骤3-3；

步骤3-2，统计D_w中等于(0,0)的项数，记为S，如果满足S≥w*0.5，那么将D_w中所有数据置为(0,0)；

步骤3-3，将窗口向右滑动一个位置，如果此时窗口右端超出数据的右边界，则结束，否则转步骤3-1。

步骤4，对滤波后的数据进行直角检测，获得检测目标的位置。该步骤包括：

步骤4-1，对数据进行直角检测。对于每条数据(x_i,y_i),1≤i≤n，计算其左右两侧点的几何中心，分别记为(x_left,y_left)和(x_right,y_right)，计算方法为：

然后计算(x_left,y_left)和(x_right,y_right)与(x_i,y_i)形成的角的余弦值c_i，其计算方式如下：

步骤4-2，计算盒子在激光扫描平面上的四个顶点的坐标。选取余弦值最小的点作为盒子的一个顶点，记为(x_b,y_b)，其中b＝min₁c_i。(x_b,y_b)左侧点的几何中心记为

盒子其他顶点(x_a,y_a),x_c,y_c),x_d,y_d)坐标计算方式为：

x_c＝x_b+y_a-y_b

y_c＝y_c+x_b-x_a

x_d＝x_a+y_a-y_b

y_d＝y_a+x_b-x_a

步骤5，判断检测目标是否对齐，如果对齐则结束，否则转到步骤6。其中判断检测目标是否对齐包括：

对于前一步骤获得的坐标数据，计算相邻顶点横纵坐标差的最小值：

d_ab＝min(|x_a-x_b|,|y_a-y_b|)

d_bc＝min(|x_b-x_c|,|y_b-y_c|)

d_cd＝min(|x_c-x_d|,|y_c-y_d|)

d_da＝min(|x_a-x_d|,|y_a-y_d|)

如果这四个插值都小于一个预先定义的阈值α，则可以判定检测目标和激光雷达是对齐的，否则判定二者是未对齐的。在一个实施方式中，α的取值为5cm。

步骤6，将检测目标的位置返回给控制支架移动的装置，支架在控制装置的控制下移动，转步骤2。该步骤包括：

支架的移动可能由某些机械装置控制，本发明中将其统称为控制装置。只需要返回未对齐支架的现有位置，以提供它们控制支架移动的参考信息。

液压支架在控制装置的控制下移动，然后转步骤2。

本发明提供了一种基于激光雷达的液压支架对齐方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于激光雷达的液压支架对齐方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在相邻液压支架之间部署激光雷达和检测目标；

步骤2，用激光雷达采集数据，并将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式；

步骤3，对激光雷达采集的数据进行滤波处理，过滤掉与检测目标无关的点；

步骤4，对滤波后的数据进行直角检测，获得检测目标的位置；

步骤4包括：

步骤4-1，对数据进行直角检测：对于每条数据(x_i,y_i),1≤i≤n，计算其左、右两侧点的几何中心，分别记为(x_left,y_left)和(x_right,y_right)，计算方法为：

然后计算(x_left,y_left)和(x_right,y_right)与(x_i,y_i)形成的角的余弦值c_i，其计算方式如下：

步骤4-2，计算立方体盒子在激光扫描平面上的四个顶点的坐标；

步骤4-2包括：选取余弦值最小的点作为盒子的一个顶点，记为(x_b,y_b)，其中b＝min_1≤i≤nc_i；(x_b,y_b)左侧点的几何中心记为

盒子其他三个顶点的坐标(x_a,y_a),(x_c,y_c),(x_d,y_d)计算方式为：

x_c＝x_b+y_a-y_b，

y_c＝y_c+x_b-x_a，

x_d＝x_a+y_a-y_b，

y_d＝y_a+x_b-x_a；

步骤5，判断检测目标是否对齐，如果对齐则结束，否则转到步骤6；

步骤5包括：

对于步骤4-2获得的坐标数据，计算相邻顶点横纵坐标差的最小值：

d_ab＝min(|x_a-x_b|，|y_a-y_b|)

d_bc＝min(|x_b-x_c|，|y_b-y_c|)

d_cd＝min(|x_c-x_d|，|y_c-y_d|)

d_da＝min(|x_a-x_d|，|y_a-y_d|)

其中，d_ab表示相邻顶点(x_a，y_a)、(x_b，y_b)横纵坐标差的最小值，d_bc表示相邻顶点(x_b，y_b)、(x_c，y_c)横纵坐标差的最小值，d_cd表示相邻顶点(x_c，y_c)、(x_d，y_d)横纵坐标差的最小值，d_da表示相邻顶点(x_d，y_d)、(x_a，y_a)横纵坐标差的最小值；

如果上述四个最小值都小于一个预先定义的阈值α，则判定检测目标和激光雷达是对齐的，否则判定二者是未对齐的；

步骤6，将检测目标的位置返回给控制支架移动的装置，支架在控制装置的控制下移动，转步骤2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：

在每个液压支架上都部署上检测目标和激光雷达，检测目标为一长宽高均为H的立方体盒子；

激光雷达和检测目标处于同一水平线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2-1，用激光雷达采集数据，采集的数据是一系列坐标，表示激光扫描范围内障碍物的位置，所述一系列坐标D₁具有极坐标形式，按照角度递增的顺序表示为D₁＝[(r₁，θ₁)，(r₂，θ₂)，...，(r_n，θ_n)]，其中n表示数据的条数，r_i表示第i条数据的距离，θ_i表示第i条数据的角度；1≤i≤n；

步骤2-2，将采集的数据转换为笛卡尔坐标系形式，第i条数据的横坐标x_i和纵坐标y_i计算方式为：

x_i＝r_i*cos(θ_i)，1≤i≤n，

y_i＝r_i*sin(θ_i)，1≤i≤n，

得到转换后的数据D₂＝[(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_n，y_n)]。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括：

定义一个大小为w的滑动窗口，滤波开始时窗口左端与数据D₂的第一个数据对齐，记与窗口对齐的数据为D_w＝[(x_i，y_i)，(x_i+1，y_i+1)，...，(x_i+w-1，y_i+w-1)]，这里(x_i，y_i)表示数据D₂中与滑动窗口对齐的第一个数据，(x_i+w-1，y_i+w-1)表示数据D₂中与滑动窗口的对齐的最后一个数据，i表示数据D₂与滑动窗口对齐的第一个数据的下标；

滤波具体包含以下两个步骤：

步骤3-1，如果(x_i，y_i)等于(0，0)且(x_i+w-1，y_i+w-1)等于(0，0)，转步骤3-2，否则转步骤3-3；

步骤3-2，统计D_w中等于(0，0)的项数，记为S，如果满足S≥w*0.5，将D_w中所有数据置为(0，0)；

步骤3-3，将窗口向右滑动一个位置，如果此时窗口右端超出数据的右边界，则结束，否则转步骤3-1。

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