CN112884903A - 一种行车三维建模系统及其方法 - Google Patents

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郭锦荣
钟金鸣
凌星海
陈齐勇
林承俊
樊立安
方真
沈祖扬
柏艳萍
陈理帅
蒋博欢
李艾
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Abstract

一种行车三维建模系统及其方法，该系统包括小车定位模块、完整区域分割模块、方格区域点云采集模块和点云坐标系变换模块，小车定位模块、完整区域分割模块与方格区域点云采集模块相连，方格区域点云采集模块与点云坐标系变换模块相连；小车定位模块实时对小车定位；完整区域分割模块将完整区域分割成多个方格区域；方格区域点云采集模块记录小车在各方格区域中心的世界坐标系下的定位坐标，并采集各方格区域中心的激光雷达坐标系下的点云；点云坐标系变换模块将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系下。还包括一种行车三维建模方法。本发明通过一个三维激光雷达就能采集到完整区域的点云信息，可节约成本。

Description

一种行车三维建模系统及其方法
技术领域
本发明涉及三维建模，具体是涉及一种行车三维建模系统及其方法。
背景技术
行车是一种可以移动的起重机械，主要包括纵向轨道、横向轨道和小车，横向轨道可在纵向轨道上纵向滑行，小车可在横向轨道上横向滑行。
目前行车已在各领域有广泛应用，行车的控制大多采用人工控制，当行车实现智能化自动控制时，需要通过传感器采集行车运行场景信息来进行三维建模，目前的三维建模中，需要同时安装多个传感器如三维激光雷达来采集整个场景的信息，而传感器往往价格昂贵，这使得三维建模的成本较高，行车的智能自动化市场推广受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种行车三维建模系统及其方法，通过一个三维激光雷达就能采集到完整区域的点云信息，从而有效节约成本。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种行车三维建模系统，包括小车定位模块、完整区域分割模块、方格区域点云采集模块和点云坐标系变换模块，所述小车定位模块、完整区域分割模块分别与方格区域点云采集模块相连，所述方格区域点云采集模块与点云坐标系变换模块相连；
所述小车定位模块，用于实时对行车的小车定位，获取小车在世界坐标系下的实时坐标；
所述完整区域分割模块，用于选取行车运行视野范围内能够覆盖整个场景的完整区域，并将完整区域分割成m×n个方格区域；
所述方格区域点云采集模块，用于控制小车运动停止到每个方格区域的中心位置，记录小车在各方格区域中心位置的世界坐标系下的定位坐标，并通过三维激光雷达采集各方格区域中心位置的激光雷达坐标系下的点云；
所述点云坐标系变换模块，用于将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系O下。
进一步，所述小车定位模块包括第一激光测距仪、第二激光测距仪、第一激光反射板和第二激光反射板，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪设于行车的横向轨道的端部，所述第一激光反射板设于行车的纵向轨道的端部，所述第二激光反射板设于行车的小车上。
进一步，所述方格区域点云采集模块包括三维激光雷达，三维激光雷达安装于行车的小车下部，三维激光雷达的镜头垂直朝向地面。
一种行车三维建模方法，包括以下步骤：
步骤S1：实时对行车的小车定位，获取小车在世界坐标系下的实时坐标；
步骤S2：选取行车运行视野范围内能够覆盖整个场景的完整区域；
步骤S3：将完整区域分割成m×n个方格区域，方格区域表示为A(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)；
步骤S4：控制小车运动停止到每个方格区域的中心位置，记录小车在各方格区域中心位置的世界坐标系下的定位坐标，并通过三维激光雷达采集各方格区域中心位置的激光雷达坐标系下的点云；
步骤S5：将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系O下。
进一步，步骤S1的具体过程为：以第一激光反射板所在位置为原点，以行车的纵向轨道的方向为y轴，以行车的横向轨道的方向为x轴，以垂直朝向地面的方向为z轴，定义世界坐标系O；利用第一激光测距仪、第二激光测距仪实时定位小车在世界坐标系下的位置，第一激光测距仪发射的纵向激光到第一激光反射板的距离为小车y轴坐标，第二激光测距仪发射的横向激光到第二激光反射板的距离为小车x轴坐标，小车z轴坐标为零。
进一步，步骤S3中，
Figure BDA0002985549710000031
m,n取正整数，a表示完整区域的长，b表示完整区域的宽，h表示三维激光雷达的安装高度，α表示三维激光雷达的视场角，m,n取正整数。
进一步，步骤S4的具体过程为：方格区域A(i,j)中心位置的世界坐标系下的定位坐标表示为(xi,yj,0),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，方格区域A(i,j)中心位置的激光雷达坐标系表示为o(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，方格区域A(i,j)中心位置的激光雷达坐标系o(i,j)下的点云表示为C(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，设点云C(i,j)＝{d1,d2…dk}，k＝(1,2…N)，dk表示点云C(i,j)下的点，N表示点云C(i,j)下点的个数。
进一步，步骤S5的具体过程为：依次将激光雷达坐标系o(i,j)下的点云的点变换到世界坐标系O下，即完成方格区域A(i,j)下点云C(i,j)从激光雷达坐标系o(i,j)变换到世界坐标系O；设定激光雷达坐标系o(i,j)下的点云C(i,j)的点dk的坐标为(xk,yk,zk)，世界坐标系O的点云C(i,j)的点dk的坐标为(xk',yk',zk')，则xk'＝xk+xi，yk'＝yk+yi，zk'＝zk。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明将单个三维激光雷达安装于行车的小车上，并将行车运行视野范围内完整区域分割为多个方格区域，安装有三维激光雷达的小车逐一运行至每个方格区域的中心位置，三维激光雷达逐一在各个方格区域的中心位置采集视野范围内的点云信息，通过一个三维激光雷达就能采集到完整区域的点云信息，可替代需多个三维激光雷达采集点云信息的方案，从而有效节约成本。
附图说明
图1是本发明实施例行车的运行场景图。
图2是本发明实施例之行车三维建模系统的结构示意图。
图3是本发明实施例之行车三维建模方法的流程图。
图4是图2所示实施例之行车三维建模方法的完整区域分割示意图。
图5是图2所示实施例之行车三维建模方法的三维激光雷达的扫描半径示意图。
图6是图2所示实施例之行车三维建模方法的三维激光雷达扫描方格的示意图。
图中，1—纵向轨道，2—横向轨道，3—小车，4—三维激光雷达，5—第一激光测距仪，6—第一激光反射板，7—第二激光测距仪，8—第二激光反射板，9—小车定位模块，10—完整区域分割模块，11—方格区域点云采集模块，12—点云坐标系变换模块。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本实施的行车包括纵向轨道1、横向轨道2和小车3，纵向轨道1相对固定在两侧墙壁上，横向轨道2设于纵向轨道1之间，横向轨道2可在纵向轨道1上纵向滑行，小车3设于横向轨道2上，小车3可在横向轨道2上横向滑行。三维激光雷达4安装于行车的小车3下部，三维激光雷达4的镜头垂直朝向地面。第一激光测距仪5、第二激光测距仪7设于横向轨道2的端部，纵向轨道1的端部设有第一激光反射板6，小车3上设有第二激光反射板8。
参照图2，本实施例之行车三维建模系统包括小车定位模块9、完整区域分割模块10、方格区域点云采集模块11和点云坐标系变换模块12，小车定位模块9、完整区域分割模块10分别与方格区域点云采集模块11相连，方格区域点云采集模块11与点云坐标系变换模块12相连。
小车定位模块9包括第一激光测距仪5、第二激光测距仪7、第一激光反射板6和第二激光测距仪7。小车定位模块9，用于实时对行车的小车定位，获取小车在世界坐标系下的实时坐标。
完整区域分割模块10，用于选取行车运行视野范围内能够覆盖整个场景的完整区域，并将完整区域分割成m×n个方格区域。
方格区域点云采集模块11包括三维激光雷达4。方格区域点云采集模块11，用于控制小车运动停止到每个方格区域的中心位置，记录小车在各方格区域中心位置的世界坐标系下的定位坐标，并通过三维激光雷达4采集各方格区域中心位置的激光雷达坐标系下的点云。
点云坐标系变换模块12，用于将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系O下。
参照图3，本实施例之行车三维建模方法包括以下步骤：
步骤S1：实时对行车的小车3定位，获取小车3在世界坐标系下的实时坐标。
步骤S1的具体过程为：以第一激光反射板6所在位置为原点，以纵向轨道1的方向为y轴，以横向轨道2的方向为x轴，以垂直朝向地面的方向为z轴，定义世界坐标系O；利用第一激光测距仪5、第二激光测距仪7实时定位小车3在世界坐标系下的位置，第一激光测距仪5发射的纵向激光到第一激光反射板6的距离为小车y轴坐标，第二激光测距仪7发射的横向激光到第二激光反射板8的距离为小车x轴坐标，小车z轴坐标为零。
步骤S2：选取行车运行视野范围内能够覆盖整个场景的完整区域。
步骤S3：参照图4，将完整区域分割成m×n个方格区域，方格区域表示为A(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)。m,n的取值需要保证三维激光雷达在每个方格区域采集的点云能够覆盖到整个方格区域。m,n的取值根据完整区域的长、宽，以及三维激光雷达4的安装高度、三维激光雷达4的视场角来确定。参照图5，图6，设完整区域的长为a，宽为b，p点表示三维激光雷达4的安装点，三维激光雷达4的安装高度为h，三维激光雷达4的视场角为α，三维激光雷达4的扫描半径
Figure BDA0002985549710000071
则
Figure BDA0002985549710000072
则
Figure BDA0002985549710000073
Figure BDA0002985549710000074
m,n取正整数。
步骤S4：控制小车运动停止到每个方格区域的中心位置，记录小车在各方格区域中心位置的世界坐标系下的定位坐标，并通过三维激光雷达采集各方格区域中心位置的激光雷达坐标系下的点云。
步骤S4的具体过程为：方格区域A(i,j)中心位置的世界坐标系下的定位坐标表示为(xi,yj,0),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，方格区域A(i,j)中心位置的激光雷达坐标系表示为o(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，方格区域A(i,j)中心位置的激光雷达坐标系o(i,j)下的点云表示为C(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，设点云C(i,j)＝{d1,d2…dk}，k＝(1,2…N)，dk表示点云C(i,j)下的点，N表示点云C(i,j)下点的个数。激光雷达在各个方格区域的中心位置采集点云时，是以各个方格区域的中心位置作为激光雷达坐标系的原点，故不同的方格区域，激光雷达坐标系是不同的。
步骤S5：将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系O下。
步骤S5的具体过程为：依次将激光雷达坐标系o(i,j)下的点云的点变换到世界坐标系O下，即完成方格区域A(i,j)下点云C(i,j)从激光雷达坐标系o(i,j)变换到世界坐标系O；设定激光雷达坐标系o(i,j)下的点云C(i,j)的点dk的坐标为(xk,yk,zk)，世界坐标系O的点云C(i,j)的点dk的坐标为(xk',yk',zk')，则xk'＝xk+xi，yk'＝yk+yi，zk'＝zk。
本发明将单个三维激光雷达安装于行车的小车上，并将行车运行视野范围内完整区域分割为多个方格区域，安装有三维激光雷达的小车逐一运行至每个方格区域的中心位置，三维激光雷达逐一在各个方格区域的中心位置采集视野范围内的点云信息，通过一个三维激光雷达就能采集到完整区域的点云信息，可替代需多个三维激光雷达采集点云信息的方案，从而有效节约成本。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种行车三维建模系统，其特征在于：包括小车定位模块、完整区域分割模块、方格区域点云采集模块和点云坐标系变换模块，所述小车定位模块、完整区域分割模块分别与方格区域点云采集模块相连，所述方格区域点云采集模块与点云坐标系变换模块相连；
所述小车定位模块，用于实时对行车的小车定位，获取小车在世界坐标系下的实时坐标；
所述完整区域分割模块，用于选取行车运行视野范围内能够覆盖整个场景的完整区域，并将完整区域分割成m×n个方格区域；
所述方格区域点云采集模块，用于控制小车运动停止到每个方格区域的中心位置，记录小车在各方格区域中心位置的世界坐标系下的定位坐标，并通过三维激光雷达采集各方格区域中心位置的激光雷达坐标系下的点云；
所述点云坐标系变换模块，用于将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系O下。
2.如权利要求1所述的行车三维建模系统，其特征在于：所述小车定位模块包括第一激光测距仪、第二激光测距仪、第一激光反射板和第二激光反射板，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪设于行车的横向轨道的端部，所述第一激光反射板设于行车的纵向轨道的端部，所述第二激光反射板设于行车的小车上。
3.如权利要求1或2所述的行车三维建模系统，其特征在于：所述方格区域点云采集模块包括三维激光雷达，三维激光雷达安装于行车的小车下部，三维激光雷达的镜头垂直朝向地面。
4.一种行车三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：实时对行车的小车定位，获取小车在世界坐标系下的实时坐标；
步骤S2：选取行车运行视野范围内能够覆盖整个场景的完整区域；
步骤S3：将完整区域分割成m×n个方格区域，方格区域表示为A(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)；
步骤S4：控制小车运动停止到每个方格区域的中心位置，记录小车在各方格区域中心位置的世界坐标系下的定位坐标，并通过三维激光雷达采集各方格区域中心位置的激光雷达坐标系下的点云；
步骤S5：将各个方格区域内采集的激光雷达坐标系下的点云变换到世界坐标系O下。
5.如权利要求4所述的行车三维建模方法，其特征在于：步骤S1的具体过程为：以第一激光反射板所在位置为原点，以行车的纵向轨道的方向为y轴，以行车的横向轨道的方向为x轴，以垂直朝向地面的方向为z轴，定义世界坐标系O；利用第一激光测距仪、第二激光测距仪实时定位小车在世界坐标系下的位置，第一激光测距仪发射的纵向激光到第一激光反射板的距离为小车y轴坐标，第二激光测距仪发射的横向激光到第二激光反射板的距离为小车x轴坐标，小车z轴坐标为零。
6.如权利要求4或5所述的行车三维建模方法，其特征在于：步骤S3中，
Figure FDA0002985549700000031
m,n取正整数，a表示完整区域的长，b表示完整区域的宽，h表示三维激光雷达的安装高度，α表示三维激光雷达的视场角，m,n取正整数。
7.如权利要求4或5所述的行车三维建模方法，其特征在于：步骤S4的具体过程为：方格区域A(i,j)中心位置的世界坐标系下的定位坐标表示为(xi,yj,0),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，方格区域A(i,j)中心位置的激光雷达坐标系表示为o(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，方格区域A(i,j)中心位置的激光雷达坐标系o(i,j)下的点云表示为C(i,j),i＝(1,2…m),j＝(1,2…n)，设点云C(i,j)＝{d1,d2…dk}，k＝(1,2…N)，dk表示点云C(i,j)下的点，N表示点云C(i,j)下点的个数。
8.如权利要求4或5所述的行车三维建模方法，其特征在于：步骤S5的具体过程为：依次将激光雷达坐标系o(i,j)下的点云的点变换到世界坐标系O下，即完成方格区域A(i,j)下点云C(i,j)从激光雷达坐标系o(i,j)变换到世界坐标系O；设定激光雷达坐标系o(i,j)下的点云C(i,j)的点dk的坐标为(xk,yk,zk)，世界坐标系O的点云C(i,j)的点dk的坐标为(xk',yk',zk')，则xk'＝xk+xi，yk'＝yk+yi，zk'＝zk。
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