CN113093204B - 一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法及系统，该方法中通过在钢包车轨道尽头处分散安装的多台激光测距仪，并校准了任意2台激光测距仪间的位置关系，在实际测量时当某一台激光测距仪发生故障时，系统将判断其它激光测距仪能够替换该激光测距仪，并使用其它激光测距仪折算到故障激光测距仪的测量结果作为钢包车位置。另外，还可以利用校准得到了激光测距仪位置关系来判断每台激光检测仪的测量结果是否正确可靠，从而自动将故障激光测距仪的状态转为正常，并重新采用故障激光测距仪的实测结果作为钢包车位置值。本发明可以提高钢包车位置测量的可靠性，保障出钢安全。

Description

一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法及系统

技术领域

本发明涉及冶金行业自动控制领域，尤其涉及一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法及系统。

背景技术

当转炉冶炼完毕后，需要通过倾动机构将炉体倾翻，将炉内钢水从炉帽下方的出钢口流出到炉下钢包车上的钢包内，这个操作过程被称为转炉出钢操作，以往出钢操作都依靠操作人员手工完成，近年来越来越多的钢厂实现了自动出钢，出钢过程中钢包车需要实现自动行驶功能，保证钢流与钢包中心准确对中，因此钢包车的位置测量技术变得至关重要，其为与出钢安全紧密相关的因素，如果钢包车定位出现偏差导致钢流落到了钢包之外将引发重大事故，因此钢包车位置测量要求精确无误，安全可靠。

目前主要的位置检测方案是通过在钢包车轨道端头安装一台激光测距仪，利用照射到钢包车尾端的反射激光来测量钢包车的位置，该方案测量精度高，但可靠性差，当激光的光路上有异物遮挡或者激光测距仪的位置变化时会产生错误的测量结果，因此目前亟需一套高可靠的钢包车位置测量方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法、终端设备及存储介质。

具体方案如下：

一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法，包括以下步骤：

S1：安装至少2台测距仪器对车辆的距离进行测量，并对所有测距仪器进行校准，得到测距仪器中两两间的对应关系；

S2：初始化选择任意一台测距仪器作为主测距仪器；

S3：初始化设定级数m＝1，采用主测距仪器的实际测量值作为车辆的位置；

S4：如果主测距仪器发生故障，则将其他测距仪器在主测距仪器发生故障前的实际测量值根据校准结果折算为主测距仪器的折算值，计算其他测距仪器对应主测距仪器的折算值与对应时刻的主测距仪器的实际测量值之间的误差，将其他测距仪器中误差小于误差阈值且无障碍的测距仪器作为第m级测距仪器，将第m级测距仪器的实际测量值对应的主测距仪器的折算值作为车辆的位置；

S5：如果第m级测距仪器发生故障，则将其他测距仪器在第m级测距仪器故障前的实际测量值根据校准结果折算为第m级测距仪器的折算值，计算其他测距仪器对应第m级测距仪器的折算值与对应时刻的第m级测距仪器的实际测量值之间的误差，将其他测距仪器中误差小于误差阈值且无障碍的测距仪器作为第m+1级测距仪器，将第m+1级测距仪器的实际测量值对应的主测距仪器的折算值作为车辆的位置；

S6：实时监测第m+1级测距仪器是否发生故障和是否所有测距仪器的实际测量值均满足校准结果，当第m+1级测距仪器发生故障时，令m＝m+1，返回S5；如果所有测距仪器的实际测量值均满足校准结果，返回S3。

进一步的，步骤S1中校准的方法为：

在车辆移动过程中进行等距离间隔的采样，在每个采样周期内采集n台测距仪器的实际测量值，并构成n个采样集合LS₁,LS₂,...,LS_n，其中，LS_n表示第n台测距仪器的采样集合；

从n个采样集合中任意提取两个采样集合，以计算该两个采样集合对应的两台测距仪器的对应关系，最终得到n台测距仪器中两两之间的对应关系；

根据n台测距仪器中两两之间的对应关系对n个采样集合LS₁,LS₂,...,LS_n中的数据进行筛选，从采样集合中剔除不符合对应关系的值后，重新构建n个新的采样集合LS'₁,LS'₂,...,LS'_n；

采用新的采样集合LS'₁,LS'₂,...,LS'_n重新得到n台测距仪器中两两之间的新的对应关系。

进一步的，测距仪器采用激光测距仪。

一种基于多测距仪器的车辆位置测量系统，包括用于对车辆的距离进行测量的至少2台测距仪器和控制装置，其中控制装置包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例上述的方法的步骤。

本发明采用如上技术方案，本发明采用如上技术方案，可以极大的提高自动出钢过程中钢包车自动驾驶的安全可靠性。

附图说明

图1所示为本发明实施例一的流程图。

图2所示为该实施例中2台激光测距仪的安装示意图。

图3所示为该实施例中2台激光测距仪的测距原理图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一：

本实施例提供了一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1：安装至少2台测距仪器对车辆的距离进行测量，并对所有测距仪器进行校准，得到测距仪器中两两间的对应关系。

该实施例车辆为钢包车，测距仪器需安装在钢包车轨道尽头，尽量的分散安装，不同测距仪器能够独立的测量钢包车尾部到安装位置的距离。

校准过程包括以下步骤：

S101：在车辆移动过程中进行等距离间隔的采样，在每个采样周期内采集n台测距仪器的实际测量值，并构成n个采样集合LS₁,LS₂,...,LS_n，其中，LS_n表示第n台测距仪器的采样集合；

S102：从n个采样集合中任意提取两个采样集合，以计算该两个采样集合对应的两台测距仪器的对应关系，最终得到n台测距仪器中两两之间的对应关系；

S103：根据n台测距仪器中两两之间的对应关系对n个采样集合LS₁,LS₂,...,LS_n中的数据进行筛选，从采样集合中剔除不符合对应关系的值后，重新构建n个新的采样集合LS'₁,LS'₂,...,LS'_n；

S104：采用新的采样集合LS'₁,LS'₂,...,LS'_n重新得到n台测距仪器中两两之间的新的对应关系。

S2：初始化选择任意一台测距仪器作为主测距仪器。

S3：初始化设定级数m＝1，采用主测距仪器的实际测量值作为车辆的位置。

S4：如果主测距仪器发生故障，则将其他测距仪器在主测距仪器发生故障前的实际测量值根据校准结果折算为主测距仪器的折算值，计算其他测距仪器对应主测距仪器的折算值与对应时刻的主测距仪器的实际测量值之间的误差，将其他测距仪器中误差小于误差阈值且无障碍的测距仪器作为第m级测距仪器，将第m级测距仪器的实际测量值对应的主测距仪器的折算值作为车辆的位置。

S5：如果第m级测距仪器发生故障，则将其他测距仪器在第m级测距仪器故障前的实际测量值根据校准结果折算为第m级测距仪器的折算值，计算其他测距仪器对应第m级测距仪器的折算值与对应时刻的第m级测距仪器的实际测量值之间的误差，将其他测距仪器中误差小于误差阈值且无障碍的测距仪器作为第m+1级测距仪器，将第m+1级测距仪器的实际测量值对应的主测距仪器的折算值作为车辆的位置。

S6：实时监测第m+1级测距仪器是否发生故障和是否所有测距仪器的实际测量值均满足校准结果，当第m+1级测距仪器发生故障时，令m＝m+1，返回S5；如果所有测距仪器的实际测量值均满足校准结果，返回S3。

下面以基于2台激光测距仪的转炉钢包车位置测量为例进行说明。

在测量过程中两台激光测距仪采用“一用一备”的同时测量钢包车位置的方式，即当一台激光测距仪数值故障时，可以先切换到备用激光测距仪，在其它激光测距仪数值故障期间，如果另一台激光测距仪的读数恢复正常，系统就会将钢包车位置值切换为该激光测距仪实测值的折算值，同时还能利用两套激光测距仪的偏差来判断测距系统是否存在故障，这样钢包车位置测量系统的可靠性大幅提升。

2台激光测距仪分别安装在钢包车左右两侧，下面用1号激光和1号激光简单表示，如图2所示，理想情况下两台激光测距仪测量得到的钢包车距离相同，但在实际应用中由于安装位置和激光方向的偏差以及钢包车上两个激光反射面不在同一个平面上等因素的影响，导致两台激光测距仪测量的钢包车位置不同，因此需要首先对两台激光测距仪的测量值进行校准，即求解出两台测量值的相互对应关系。

2台激光测距仪的测距原理可以抽象为图3所示，两台激光测距仪之间的差异的原因被归结为安装的位置偏差X以及激光方向偏差α,β,其中α表示1号激光的激光束方向与钢包车运行方向，即轨道方向的夹角，β表示2号激光的激光束方向与钢包车运行方向，即轨道方向的夹角。

L₁，L₂分别为激光1和激光2的测量结果，从图3中可以得到两者有如下关系：

L₁cosα-L₂cosβ＝X (1)

L₁＝KL₂+B (3)

由上式可得L₁与L₂之间存在线性关系，K,B为常数可以通过测量2台激光测距仪读数正常时一段范围内的L₁和L₂的值后进行回归计算得到，具体计算过程如下：

控制钢包车从A点运行到B点，对应L₁的测量范围为[a,b]，以L₁为基准，按照一定的距离间隔在区间[a,b]上采样2台激光测距仪的反馈读数，具体方法如下：

第1个采样周期，判断反馈值L₁ L₂是否合理(测距仪工作正常)，且是否满足L₁∈[a,b]，如果上述两个条件满足时，记录2台激光测距仪的实际测量值分别为L₁₁、L₂₁，并存入到集合L₁S＝{L₁₁}，L₂S＝{L₂₁}；

第2个采样周期，当反馈值L₁ L₂合理，且满足条件：L₁∈[a,b]且

其中，Δ表示采样距离间隔，则记录2台激光测距仪的数值L₁₂、L₂₂，并添加到集合L₁S＝{L₁₁，L₁₂}，L₂S＝{L₂₁,L₂₂}；

Δ越大表示采样越稀疏，回归精度越低，但计算量越小；Δ越小表示采样越稠密，回归精度越高，但计算量越大，一般取Δ＝0.2m。

第3个采样周期，当反馈值L₁ L₂合理且满足条件：L₁∈[a,b]且

则记录2台激光测距仪的数值L₁₁、L₂₁，并添加到集合L₁S＝{L₁₁,L₁₂,L₁₃}，L₂S＝{L₂₁,L₂₂,L₂₃}。

按上述方法持续采集k个采样周期，当反馈值L₁ L₂合理且满足条件：L₁∈[a,b]且

则记录2台激光测距仪的数值L_1k、L_2k，并添加到集合L₁S＝{L₁₁,L₁₂,L₁₃,...L_1k}，L₂S＝{L₂₁,L₂₂,L₂₃,...L_2k}。

当集合L₁S中的元素数量N≥|b-a|/Δ-1时，采样的数值就能以大于等于Δ间隔铺满[a,b]，此时采样过程结束，可利用测量点集合L₁S,L₂S回归计算K和B。

即：

将2台激光测距仪位置对应关系写成矩阵形式：

使用最小二乘法可以方便的计算出K和B的最优回归值。这样就完成了对2台激光测距仪之间的标定。实际的标定过程中往往无人监视，某1台激光或者2台激光可能出现被异物，如钢渣等遮挡的情况，这样会导致对2台激光位置关系的回归计算出现偏差，除此以外反射面的不平整等因素也会影响回归结果，因此有必要剔除异常的采样结果，异常结果的主要特征是两台激光之间的关系不满足L₁＝KL₂+B，因此我们在第一次计算K、B回归值的基础上，以第一次回归的关系作为判断依据，即不满足L₁＝KL₂+B的采样点视为异常点，具体判断方法如下：

利用上一步的回归结果，通过2号激光的采样集合L₂S计算出1号激光的折算值并与1号激光的采样集合进行比较得到偏差集合ES：

偏差越大对应的这组采样序列异常的可能性越大，因此对偏差集合ES的元素从大到小的排序，剔除掉其中前η％(10≤η≤50)的误差值对应的采样值，然后使用剩下的采样值再次进行回归计算K和B的值就能得到2台激光间更准确的关系。

上述步骤为2台激光测距仪之间关系的校准过程，实际的钢包车位置测量过程如下：

初始设置钢包车位置使用1号激光测距仪实测值；

当1号激光测距仪故障，如断线、超量程或者跳变时，检查2号激光测距仪是否故障，并检查1号激光测距仪故障前的实测值与2号激光测距仪折算到1号激光测距仪的折算值的误差是否小于误差阈值，如果时，表明故障前2台激光测距仪的相对关系没有发生改变，因此可以在故障后使用2号激光测距仪实测结果变换到1号激光测距仪的折算值来代替。如果2号激光测距仪也有故障或者偏差不能满足条件则需要进行报警处理。

如果在多组不同的测量值下两台激光测距仪的关系都能满足L₁＝KL₂+B，则说明2台激光的测距结果都是正确的，激光通路上没有物体遮挡，且两者的方向位置也没有变化，这时恢复到初始状态采用1号激光测距仪实测结果作为钢包车位置值。

如果一台激光测距仪的故障率为10％，那么采用本发明实施例所述的方法时，2台激光测距仪同时故障时系统才会无法获取钢包车位置，2台同时故障的概率为1％，如果安装有N台激光测距仪，则系统故障率为(10％)^N，当N＝4时，故障率已经可以低至万分之一，因此，本实施例方法可以极大的提高自动出钢过程中钢包车自动驾驶的安全可靠性。

实施例二：

本发明还提供一种基于多测距仪器的车辆位置测量系统，包括用于对车辆的距离进行测量的至少2台测距仪器和控制装置，其中控制装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。

进一步地，作为一个可执行方案，所述控制装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述控制装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述控制装置的组成结构仅仅是控制装置的示例，并不构成对控制装置的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述控制装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等，本发明实施例对此不做限定。

进一步地，作为一个可执行方案，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述控制装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个控制装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述控制装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。

所述控制装置集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)以及软件分发介质等。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于多测距仪器的车辆位置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：安装至少2台测距仪器对车辆的距离进行测量，并对所有测距仪器进行校准，得到测距仪器中两两间的对应关系；

S2：初始化选择任意一台测距仪器作为主测距仪器；

S3：初始化设定级数m＝1，采用主测距仪器的实际测量值作为车辆的位置；

S4：如果主测距仪器发生故障，则将其他测距仪器在主测距仪器发生故障前的实际测量值根据校准结果折算为主测距仪器的折算值，计算其他测距仪器对应主测距仪器的折算值与对应时刻的主测距仪器的实际测量值之间的误差，将其他测距仪器中误差小于误差阈值且无障碍的测距仪器作为第m级测距仪器，将第m级测距仪器的实际测量值对应的主测距仪器的折算值作为车辆的位置；

S5：如果第m级测距仪器发生故障，则将其他测距仪器在第m级测距仪器故障前的实际测量值根据校准结果折算为第m级测距仪器的折算值，计算其他测距仪器对应第m级测距仪器的折算值与对应时刻的第m级测距仪器的实际测量值之间的误差，将其他测距仪器中误差小于误差阈值且无障碍的测距仪器作为第m+1级测距仪器，将第m+1级测距仪器的实际测量值对应的主测距仪器的折算值作为车辆的位置；

S6：实时监测第m+1级测距仪器是否发生故障和是否所有测距仪器的实际测量值均满足校准结果，当第m+1级测距仪器发生故障时，令m＝m+1，返回S5；如果所有测距仪器的实际测量值均满足校准结果，返回S3。

2.根据权利要求1所述的基于多测距仪器的车辆位置测量方法，其特征在于：步骤S1中校准的方法为：

在车辆移动过程中进行等距离间隔的采样，在每个采样周期内采集n台测距仪器的实际测量值，并构成n个采样集合LS₁,LS₂,...,LS_n，其中，LS_n表示第n台测距仪器的采样集合；

从n个采样集合中任意提取两个采样集合，以计算该两个采样集合对应的两台测距仪器的对应关系，最终得到n台测距仪器中两两之间的对应关系；

根据n台测距仪器中两两之间的对应关系对n个采样集合LS₁,LS₂,...,LS_n中的数据进行筛选，从采样集合中剔除不符合对应关系的值后，重新构建n个新的采样集合LS'₁,LS'₂,...,LS'_n；

采用新的采样集合LS'₁,LS'₂,...,LS'_n重新得到n台测距仪器中两两之间的新的对应关系。

3.根据权利要求1所述的基于多测距仪器的车辆位置测量方法，其特征在于：测距仪器采用激光测距仪。

4.一种基于多测距仪器的车辆位置测量系统，其特征在于：包括用于对车辆的距离进行测量的至少2台测距仪器和控制装置，其中控制装置包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～3中任一所述方法的步骤。

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