CN112034484A - 一种基于半球形激光雷达的建模系统及其方法 - Google Patents

一种基于半球形激光雷达的建模系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半球形激光雷达的建模系统及其方法，系统包括安装在机器人前方位于两个机械臂中间位置的滑轨，在所述滑轨上滑动安装有滑动电机，在所述滑动电机上固定安装有旋转电机，在所述旋转电机上固定安装有半球形激光雷达；所述滑动电机和所述旋转电机与机器人的控制系统连接，并根据所述机器人的指令进行运动。本发明整个建模过程只需要5～8s，便可以得到精度5cm的三维点云，并且可以用单个激光器自由旋转来对左右两侧建模，有效节约成本。

Description

一种基于半球形激光雷达的建模系统及其方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于半球形激光雷达的建模系统及其方法。
背景技术
带电作业机器人是能在高空配网线路进行带电作业的机器人，通过远程操控策略，以代替人工完成带电作业。与传统人工带电作业方式相比，保障了人身安全，作业效率提升一倍，而且全过程实现人与电的物理隔绝，有效提升了带电作业质量和效率。
带电作业机器人在空中作业过程中，需要对周围特定的电线、瓷瓶、电杆等物体实现有效感知，快速准确获取周围环境的点云模型，能够为后续一系列操作提供支撑。现有技术中，采用激光雷达进行带电作业机器人周围环境的点云建模，但是使用单线激光建模，效率低，点云量小，视野范围有限，难以满足需求；而使用16线激光旋转建模，过程中光心不变，在大切向角的情况下，很容易造成数据缺失，而且角度变化对旋转精度要求极高，否则误差容易发散，为了保证精度，建模时间上也会大打折扣。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种基于半球形激光雷达的建模系统及其方法。
技术方案：
一种基于半球形激光雷达的建模系统，包括安装在机器人前方位于两个机械臂中间位置的滑轨，在所述滑轨上滑动安装有滑动电机，在所述滑动电机上固定安装有旋转电机，在所述旋转电机上固定安装有半球形激光雷达；所述滑动电机和所述旋转电机与机器人的控制系统连接，并根据所述机器人的指令进行运动。
在所述滑轨两端设置有接近开关，所述接近开关用于检测滑动电机是否接近，以限定滑动电机的滑动距离。
所述旋转电机的转动范围为0～180°，其默认朝向为0°。
在所述滑轨内设有齿槽，所述滑动电机通过与该齿槽相对应配合的齿轮滑动安装在所述滑轨上。
所述半球形激光雷达采用32线半球形激光器。
一种基于半球形激光雷达的建模方法，包括步骤：
(1)开始建模，旋转电机根据左右侧电线杆模式切换到对应朝向，滑动电机滑动至零位；
(2)机器人根据建模目标位置控制滑动电机从零位开始水平滑动至目标位置，旋转电机旋转至目标角度，机器人根据滑动电机相对于零位的移动距离获取半球形激光雷达实时移动距离参数，根据旋转电机旋转角度获取半球形激光雷达旋转实时旋转角度参数；
(3)半球形激光雷达采集三维实时点云数据；
(4)根据步骤(2)中得到的半球形激光雷达实时移动距离参数和半球形激光雷达实时旋转角度参数以及步骤(3)得到的三维实时点云数据，拼接成相对零位的三维点云；
(5)通过选择的左右侧模式，确定半球形激光雷达坐标系与机器人坐标系之间的tf关系，将步骤(4)得到的三维点云转换到机器人坐标系下。
记滑动电机滑动至接近开关处为零位，使用零位时刻半球形激光雷达坐标系作为地图坐标系，并得到相应的地图原点；第i时刻半球形激光雷达相对于地图原点的坐标变换为
Figure BDA0002663005730000021
单帧实时点云为
Figure BDA0002663005730000022
一共N帧激光点云参与匹配，则匹配后地图坐标系下的单帧点云为：
Figure BDA0002663005730000023
那么整个拼接好的点云为：
Figure BDA0002663005730000024
最后根据左/右模式下激光的安装位置与机器人坐标系的参数
Figure BDA0002663005730000025
得到在机器人坐标系下的整个拼接好的点云：
Figure BDA0002663005730000026
有益效果：本发明整个建模过程只需要5～8s，便可以得到精度5cm的三维点云，并且可以用单个激光器自由旋转来对左右两侧建模，有效节约成本。
附图说明
图1为本发明中半球形激光雷达和滑动旋转装置的安装示意图。
图2为本发明中建模流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明中半球形激光雷达和滑动旋转装置的安装示意图。如图1所示，本发明的滑动旋转装置安装在机器人前方位于两个机械臂中间的位置，包括滑轨、滑动电机、旋转电机以及半球形激光；滑轨安装在机器人前方位于两个机械臂中间的位置，滑动电机滑动安装在滑轨上；在本发明中，在滑轨内设有齿槽，滑动电机通过与该齿槽相对应配合的齿轮滑动安装在滑轨上；在滑轨两端设置有接近开关，用于检测滑动电机是否接近，以限定滑动电机的滑动距离，在半球形激光到达接近开关所在位置后机器人控制系统内自动找零(即把该位置设成建模的零位)。旋转电机安装在滑动电机上，旋转电机的转动范围为0～180°，旋转电机的默认朝向为0°；半球形激光安装在旋转电机上且跟随运动。滑动电机和旋转电机与机器人控制系统连接，可以根据机器人的指令进行运动，具体为滑动电机根据机器人的指令按指定速度运动到指定位置，转动电机根据机器人的指令按指定角度指定速度旋转。机器人在两个电机上电后自动找零，后期根据零位控制电机做相对运动。
在本发明中，半球形激光采用32线半球形激光器，具有360°*180°视野范围，0.1～30m的测距范围，根据左右侧电线杆模式，半球形激光在旋转电机的带动下旋转到对应方向水平放置，再由滑动电机水平滑动，系统根据滑动电机提供的距离参数、旋转电机提供的角度参数和实时激光点云数据，拼接成整个三维环境的点云数据。具体为：
通过改编具有同步定位与建图功能的的cartographer开源框架，得到全局激光的三维点云重建模型。在机器人操作(ROS)系统下，实时滑动距离换数据为nav_msgs/Odometry类型，实时旋转角度数据转换为sensor_msgs/Imu类型，实时激光点云数据转换为sensor_msgs/PointCloud2类型，通过各消息的时间戳进行对齐，单帧点云数据叠加上距离和角度信息，完成三维点云重建，输出地图坐标系下的sensor_msgs/PointCloud2消息即为地图坐标系下的点云。具体流程见附图2。
图2为本发明中建模流程图。如图2所示，本发明基于半球形激光雷达的建模方法包括如下步骤：
(1)开始建模后，旋转电机可以根据左右侧电线杆模式，切换到对应朝向，滑动电机回归初始零位，两者可以并行运行。
(2)准备动作完毕后，机器人根据建模目标位置控制滑动电机从滑轨零点位置开始水平滑动至目标位置，旋转电机旋转至目标角度，然后机器人根据滑动电机相对于零点的移动距离获取半球形激光的实时距离参数，根据旋转电机的旋转的角度获取半球形激光雷达旋转的实时角度参数
(3)半球形激光雷达采集三维实时点云数据；
(4)根据步骤(2)中得到的半球形激光雷达实时移动距离参数和半球形激光雷达实时旋转角度参数，结合步骤(3)中半球形激光雷达的三维实时点云数据，拼接成相对零位的三维点云，在本发明中，零位为滑轨上接近开关所在位置。最后通过选择的左右侧模式，确定半球形激光雷达坐标系与机器人坐标系之间的tf关系，将三维点云统一转换到机器人坐标系下。
地图拼接计算使用零位时刻半球形激光雷达坐标系作为地图坐标系，相对于地图原点，第i时刻半球形激光雷达相对于地图原点的坐标变换用
Figure BDA0002663005730000041
表示，单帧实时点云用
Figure BDA0002663005730000042
表示，一共N帧激光点云参与匹配，则匹配后地图坐标系下的单帧点云可表示为：
Figure BDA0002663005730000043
那么整个拼接好的点云表示为：
Figure BDA0002663005730000044
最后根据左/右模式下半球形激光雷达的安装位置与机器人坐标系的参数
Figure BDA0002663005730000045
得到在机器人坐标系下的整个拼接好的点云：
Figure BDA0002663005730000046
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于半球形激光雷达的建模系统，其特征在于：包括安装在机器人前方位于两个机械臂中间位置的滑轨，在所述滑轨上滑动安装有滑动电机，在所述滑动电机上固定安装有旋转电机，在所述旋转电机上固定安装有半球形激光雷达；所述滑动电机和所述旋转电机与机器人的控制系统连接，并根据所述机器人的指令进行运动。
2.根据权利要求1所述的建模系统，其特征在于：在所述滑轨两端设置有接近开关，所述接近开关用于检测滑动电机是否接近，以限定滑动电机的滑动距离。
3.根据权利要求2所述的建模系统，其特征在于：所述旋转电机的转动范围为0～180°，其默认朝向为0°。
4.根据权利要求1所述的建模系统，其特征在于：在所述滑轨内设有齿槽，所述滑动电机通过与该齿槽相对应配合的齿轮滑动安装在所述滑轨上。
5.根据权利要求1所述的建模系统，其特征在于：所述半球形激光雷达采用32线半球形激光器。
6.一种采用权利要求1～5任一所述的建模系统的建模方法，其特征在于：包括步骤：
(1)开始建模，旋转电机根据左右侧电线杆模式切换到对应朝向，滑动电机滑动至零位；
(2)机器人根据建模目标位置控制滑动电机从零位开始水平滑动至目标位置，旋转电机旋转至目标角度，机器人根据滑动电机相对于零位的移动距离获取半球形激光雷达实时移动距离参数，根据旋转电机旋转角度获取半球形激光雷达旋转实时旋转角度参数；
(3)半球形激光雷达采集三维实时点云数据；
(4)根据步骤(2)中得到的半球形激光雷达实时移动距离参数和半球形激光雷达实时旋转角度参数以及步骤(3)得到的三维实时点云数据，拼接成相对零位的三维点云；
(5)通过选择的左右侧模式，确定半球形激光雷达坐标系与机器人坐标系之间的tf关系，将步骤(4)得到的三维点云转换到机器人坐标系下。
7.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于：记滑动电机滑动至接近开关处为零位，使用零位时刻半球形激光雷达坐标系作为地图坐标系，并得到相应的地图原点；第i时刻半球形激光雷达相对于地图原点的坐标变换为：
Figure FDA0002663005720000021
单帧实时点云为
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一共N帧激光点云参与匹配，则匹配后地图坐标系下的单帧点云为：
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最后根据左/右模式下激光的安装位置与机器人坐标系的参数
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得到在机器人坐标系下的整个拼接好的点云：
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