CN113126114B - 基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人 - Google Patents

基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人，包括：S1.获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据；S2.根据所述激光雷达扫描数据构建粮面三维模型；S3.根据所述粮面三维模型分析抛投系统在各个抛投方向上的各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度；S4.根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；S5.根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮；S6.当抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，并重复执行S1‑S5。通过对粮仓内的粮面进行三维重构，然后根据构建的三维模型自动进行抛投，将粮食均匀抛投到粮仓内，做到抛粮与平粮一体化，提高了入粮和平粮的效率。

Description

基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人。
背景技术
目前，粮仓入粮主要以人工为主，入粮过程中的平粮环节需要在粮仓安排粮工执行粮食的搬运、平整等工作。一个粮仓一般需要2～3个粮工配合进行粮面的平整。人工平粮的弊端在于效率低下、人力成本支出、不可无间断工作、管理难度大，入粮过程中的高温、扬尘也不利于粮工长时间工作；且功能单一的抛粮头只能朝一个方向按相同的抛速将粮食抛出，无法满足抛粮即平粮的要求。虽然为了解决粮食入仓平整的自动化需求出现了部分平粮机器人(例如公开号为CN209922239U的专利公开了一种粮仓作业设备)，但是该类机器人仍然需要机器人通过平粮结构在粮仓内来回运动以推平粮食，虽然节约了人工成本，但是平粮效率仍然不是很高。所以需要提供一种方案以便于提高粮仓入粮和平粮的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人，用以实现提高粮仓入粮和平粮的效率的技术效果。
第一方面，本发明提供了一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法，包括：
S1.获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据；
S2.根据所述激光雷达扫描数据构建粮面三维模型；
S3.根据所述粮面三维模型分析抛投系统在各个抛投方向上的各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度；
S4.根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；
S5.根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮；
S6.当抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，并重复执行S1-S5。
进一步地，所述激光雷达扫描数据通过安装在电动转轴的激光雷达扫描获得；电动转轴用于调整激光雷达的俯仰角度以获取不同俯仰角度对应的激光雷达扫描数据。
进一步地，所述电动转轴调整激光雷达的俯仰角度时以激光雷达垂直于粮仓底面的方向作为起始扫描角度，按预设步进角度调整扫描方向；其中，步进角度计算方式为：
式中，Astep表示步进角度；Apitch表示当前俯仰角度；Amax_pitch表示最大俯仰角度。
进一步地，S2包括：
S21.将所述激光雷达扫描数据中各个扫描点对应的球坐标转换为三维直角坐标；
S22.根据所述三维直角坐标进行深度建模，得到粮面的三维深度矩阵并将所述三维深度矩阵作为粮面三维模型。
进一步地，所述抛投时长的计算方式为：
Tdelay＝Tbase+Tv+Td
式中，Tdelay表示抛投时长；Tbase表示基础延时；Tv表示抛速影响延时；Td表示粮面深度影响延时。
第二方面，本发明提供了一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投系统，包括控制系统、抛投系统和反馈系统；所述反馈系统用于获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据；所述控制系统用于根据所述激光雷达扫描数据构建粮面三维模型；根据所述粮面三维模型分析抛投系统的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度；根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮，并在抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，继续根据反馈系统获取到的激光雷达扫描数据执行转动抛粮流程。
进一步地，所述反馈系统包括扫描模块和输出传输模块；所述扫描模块安装在电动转轴上的激光雷达，以及与所述激光雷达连接的处理模块；所述电动转轴用于调整激光雷达的俯仰角度以获取不同俯仰角度对应的激光雷达扫描数据；所述处理模块包括数据缓存单元和计算单元；所述数据缓存单元用于缓存所述激光雷达扫描数据；所述计算单元用于对所述激光雷达扫描数据进行过滤处理；所述输出传输模块包括控制单元和数据传输单元，所述控制单元用于控制扫描模块进行扫描并对数据传输单元的数据交互进行同步控制。
进一步地，所述抛投系统包括旋转装置和安装在所述旋转装置上的抛投机；所述抛投机用于根据所述抛投速度进行抛粮；所述旋转装置用于带动所述抛投机转动以改变所述抛投机的抛投方向。
进一步地，所述控制系统包括数据处理模块和控制主板；所述数据处理模块用于接收所述激光雷达扫描数据，对所述激光雷达扫描数据进行平滑滤波处理后建立三维深度矩阵，得到对应的粮面三维模型并根据所述粮面三维模型分析得到抛投系统的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度，并根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；所述控制主板用于根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮。
第三方面，本发明提供了一种机器人，包括安装支架以及安装在所述安装支架上的上述粮食精确抛投系统。
本发明能够实现的有益效果是：本发明提供的粮食精确抛投方法通过对粮仓内的粮面进行三维重构，然后根据构建的三维模型自动进行抛投，将粮食均匀抛投到粮仓内，做到抛粮与平粮一体化，提高了入粮和平粮的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种粮食精确抛投方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光雷达数据坐标转换示意图；
图3为本发明实施例提供的一种深度矩阵构建方式示意图；
图4为本发明实施例提供的一种粮食精确抛投系统的拓扑结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种反馈系统拓扑结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种抛投系统拓扑结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种控制系统拓扑结构示意图。
图标：10-粮食精确抛投系统；100-控制系统；110-数据处理模块；120-控制主板；200-抛投系统；210-旋转装置；220-抛投机；300-反馈系统；310-扫描模块；320-输出传输模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种粮食精确抛投方法流程示意图。
经申请人研究发现，现有粮仓入粮以人工为主，入粮过程中平粮环节需要在粮仓安排粮工进行粮食的搬运、平粮等工作。一个粮仓一般需要2～3个粮工配合进行粮面的平粮。但是，人工平粮效率低下、人力成本支出、不可无间断工作、管理难度大，入粮过程中的高温、扬尘也不利于粮工长时间工作。另外，功能单一的抛粮头只能朝一个方向按相同的抛速将粮食抛出，无法满足抛粮即平粮的要求。所以本申请提供了一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法，具体包括以下步骤：
S1.获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据。
在一种实施方式中，在粮仓中安装好抛粮系统后，就可以先对抛投系统的位置进行初始化，然后通过带电动转轴的激光雷达对粮仓进行扫描得到当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据。该激光雷达可以选用360度线性激光雷达。通过电动转轴可以调整激光雷达的俯仰角以获取对应的扫描数据。示例性地，在获取扫描数据时，电动转轴可以带动激光雷达以垂直于粮仓底面的方向作为起始扫描角度，然后按照预设步进角速度逐渐调整扫描方向。其中步进角度的计算方式为：
式中，Astep表示步进角度；Apitch表示当前俯仰角度；Amax_pitch表示最大俯仰角度。由上式计算得到的步进角度与当前俯仰角度负相关，俯仰角度越大，步进角度越小，可确保扫描数据纵向分辨率与横向分辨率均匀分布。
S2.根据所述激光雷达扫描数据构建粮面三维模型。
请参看图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种激光雷达数据坐标转换示意图；图3为本发明实施例提供的一种深度矩阵构建方式示意图。
在一种实施方式中，S2包括以下步骤：
S21.将所述激光雷达扫描数据中各个扫描点对应的球坐标转换为三维直角坐标。
如图2所示，因为激光扫描原始数据是扫描点到扫描中心的直线距离，该激光扫描原始数据为球坐标。为了真实反映粮面高度，需要将球坐标转换为三维直角坐标，转换关系式如下：
式中，表示扫描点在XOY平面中与x轴的夹角的角度；θ表示激光雷达从YOZ平面开始旋转的角度；r1表示扫描点与激光雷达中心的距离。
S22.根据所述三维直角坐标进行深度建模，得到粮面的三维深度矩阵并将所述三维深度矩阵作为粮面三维模型。
在一种实施方式中，在获得扫描三维直角坐标后，就可以进行深度建模，得到粮面的三维深度矩阵，三维深度矩阵深度矩阵即为粮面三维模型。如图3所示。该三维深度矩阵中的长和宽分别对应粮仓的长和宽，每一个矩阵单元格的长和宽对应10cm的距离，若定义深度矩阵大小为250*250，则实际对应一个25m*25m的粮仓。三维深度矩阵中各个坐标点的坐标可表示为P(x,y,z)；其中，x表示该坐标点的横坐标；y表示该坐标点的纵坐标；z表示该坐标点所对应的深度信息，即该坐标点下的粮面深度。
需要说明的是，为了提高粮面三维模型的准确性，在执行上述步骤之前，还可以对激光雷达扫描数据进行平滑滤波处理，以降低干扰数据的影响。
S3.根据所述粮面三维模型分析抛投系统在各个抛投方向上的各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度。
在一种实施方式中，在获取到粮仓中的粮面三维模型后，就可以根据该三维模型分析抛投系统的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度。
具体地，在获取到三维深度矩阵后，可以进一步使用数字图像处理技术进行边界查找，确认粮仓壁，同时对三维深度矩阵内部进行平滑填充处理，得到连续的粮面三维图像，然后根据该粮面三维图像分析抛投系统在各个抛投方向上的各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度。
S4.根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长。
在一种实施方式中，当分析得到抛投系统在各个抛投方向上的各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度后，就可以根据各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度分析抛粮时各个抛投点的抛投时长。
具体地，抛投时长的计算方式为：
Tdelay＝Tbase+Tv+Td
式中，Tdelay表示抛投时长；Tbase表示基础延时；Tv表示抛速影响延时；Td表示粮面深度影响延时。Tbase为常量，可以根据实际抛投效果进行调节；Tv由抛投速度决定，与抛投速度呈正相关，抛投速度越大(即目标抛投点越远)，Tv数值越大。Td由粮面深度决定，与粮面深度呈正相关，深度越大，Td数值越大。
S5.根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮。
在一种实施方式中，当获取到抛投系统在各个抛投方向上各个抛投点的抛投速度和抛投时长后，就可以根据抛投方向、抛投速度和抛投时长制定抛投策略，控制抛投系统进行转动抛粮。具体地，抛投策略包括启停、加速、减速、顺转和反转等动作。
S6.当抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，并重复执行S1-S5。
在一种实施方式中，当抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，然后再次按照S1-S5的流程进行抛粮。
请参看图4，图4为本发明实施例提供的一种粮食精确抛投系统的拓扑结构示意图。
在一种实施方式中，本发明实施例还提供了一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投系统10，该粮食精确抛投系统10包括控制系统100、抛投系统200和反馈系统300。其中，反馈系统300用于获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据；控制系统100用于根据激光雷达扫描数据构建粮面三维模型；根据粮面三维模型分析抛投系统200的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度；根据粮面深度和抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；根据抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统200进行转动抛粮，并在抛投系统200转动到当前转动方向的最大转角处时折返，继续根据反馈系统300获取到的激光雷达扫描数据执行转动抛粮流程。
请参看图5，图5为本发明实施例提供的一种反馈系统拓扑结构示意图。
在一种实施方式中，反馈系统300包括扫描模块310和输出传输模块320；扫描模块310包括安装在电动转轴上的激光雷达，以及与激光雷达连接的处理模块；电动转轴用于调整激光雷达的俯仰角度以获取不同俯仰角度对应的激光雷达扫描数据；处理模块包括数据缓存单元和计算单元；数据缓存单元用于缓存激光雷达扫描数据；计算单元用于对激光雷达扫描数据进行过滤处理；输出传输模块320包括控制单元和数据传输单元，控制单元用于控制扫描模块310进行扫描并对数据传输单元的数据交互进行同步控制。
请参看图6，图6为本发明实施例提供的一种抛投系统拓扑结构示意图。
在一种实施方式中，抛投系统200包括旋转装置210和安装在旋转装置210上的抛投机220；抛投机220用于根据抛投速度进行抛粮；旋转装置210用于带动抛投机220转动以改变抛投机220的抛投方向。
如图6所示，旋转装置210包括转向电机以及与转向电机连接的转向结构；抛投机220包括加速电机以及与该加速电机连接的抛投结构。转向电机通过数控驱动器进行驱动，同时数控驱动器又通过转向控制单元进行控制；加速电机通过数控变频器进行驱动，同时数控变频器通过加速控制单元进行控制；而转向控制单元和加速控制单元通过信号接收单元与控制系统100连接。
具体地，抛投机220的抛投结构可以选用带式传输机，同时为了满足抛投速度的需求，抛投机220的加速电机可以选用380V三相交流防尘爆加速电机，该加速电机可以由RS485通信方式的数控变频器进行加速频率和加速方向控制，工作频率范围0Hz～50Hz可调。按本发明抛投工作条件的约定，该加速电机只能保持正向旋转。旋转装置210通过转向电机控制转向结构的转动角速度和转动方向，该转向电机可以选用48V直流反馈型步进电机，该类型的步进电机可以由RS485通信方式的数控驱动器进行转动角速度和转动方向的控制，其最小可调转动角度为0.018°，可带动抛投机220按小于0.1度的精度进行步进旋转。数控驱动器与转向控制单元连接；数控变频器与加速控制单元连接；转向控制单元和加速控制单元则通过信号接收单元与控制系统100连接。
请参看图7，图7为本发明实施例提供的一种控制系统拓扑结构示意图。
在一种实施方式中，控制系统100包括数据处理模块110和控制主板120；数据处理模块110用于接收激光雷达扫描数据，对激光雷达扫描数据进行平滑滤波处理后建立三维深度矩阵，得到对应的粮面三维模型并根据粮面三维模型分析得到抛投系统200的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度，并根据粮面深度和抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；控制主板120用于根据抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统200进行转动抛粮。
数据处理模块110包括数据处理单元和存储单元。示例性地，数据处理模块110可以选用工业控制机，工业控制机中可以植入对应的处理程序，并将运算数据存储于本地SQL数据库中。数据处理模块110建立三维深度矩阵后，可以使用数字图像处理技术进行边界查找，确认粮仓壁；同时对三维深度矩阵内部进行平滑填充处理，得到连续的粮面三维图像；然后根据该粮面三维图像分析得到抛投系统200的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度，并根据粮面深度和抛投速度分析各个抛投点的抛投时长，最后生成对应的粮食抛投策略并发送给控制主板120。
控制主板120包括逻辑单元、控制单元、交互单元和驱动单元。逻辑单元负责完成与数据处理模块110的数据通信交互，并设计抛投系统200的运行逻辑，包括加速、减速、顺转、反转、抛投时长等。控制单元接收逻辑单元的运行逻辑，并转换成控制指令。交互单元负责完成运行过程中的交互控制输入和指示输出，包含启动按钮、紧急停止按钮、RGB三色LED灯。驱动单元则用于向抛投系统200输送控制指令。
综上所述，本发明实施例提供一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法、系统及机器人，通过对粮仓内的粮面进行三维重构，然后根据构建的三维模型自动进行抛投，将粮食均匀抛投到粮仓内，做到抛粮与平粮一体化，提高了入粮和平粮的效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投方法，其特征在于，包括：
S1.获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据；
S2.根据所述激光雷达扫描数据构建粮面三维模型；
S3.根据所述粮面三维模型分析抛投系统在各个抛投方向上的各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度；
S4.根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；
S5.根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮；
S6.当抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，并重复执行S1-S5；
所述激光雷达扫描数据通过安装在电动转轴的激光雷达扫描获得；电动转轴用于调整激光雷达的俯仰角度以获取不同俯仰角度对应的激光雷达扫描数据；
所述电动转轴调整激光雷达的俯仰角度时以激光雷达垂直于粮仓底面的方向作为起始扫描角度，按预设步进角度调整扫描方向；其中，步进角度计算方式为：
式中，Astep表示步进角度；Apitch表示当前俯仰角度；Amax_pitch表示最大俯仰角度；
所述抛投时长的计算方式为：
Tdelay＝Tbase+Tv+Td
式中，Tdelay表示抛投时长；Tbase表示基础延时；Tv表示抛速影响延时；Td表示粮面深度影响延时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2包括：
S21.将所述激光雷达扫描数据中各个扫描点对应的球坐标转换为三维直角坐标；
S22.根据所述三维直角坐标进行深度建模，得到粮面的三维深度矩阵并将所述三维深度矩阵作为粮面三维模型。
3.一种基于激光扫描重构的粮食精确抛投系统，其特征在于，包括控制系统、抛投系统和反馈系统；
所述反馈系统用于获取当前粮仓内粮面的激光雷达扫描数据；
所述控制系统用于根据所述激光雷达扫描数据构建粮面三维模型；根据所述粮面三维模型分析抛投系统的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度；根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮，并在抛投系统转动到当前转动方向的最大转角处时折返，继续根据反馈系统获取到的激光雷达扫描数据执行转动抛粮流程；
所述激光雷达扫描数据通过安装在电动转轴的激光雷达扫描获得；电动转轴用于调整激光雷达的俯仰角度以获取不同俯仰角度对应的激光雷达扫描数据；
所述电动转轴调整激光雷达的俯仰角度时以激光雷达垂直于粮仓底面的方向作为起始扫描角度，按预设步进角度调整扫描方向；其中，步进角度计算方式为：
式中，Astep表示步进角度；Apitch表示当前俯仰角度；Amax_pitch表示最大俯仰角度；
所述抛投时长的计算方式为：
Tdelay＝Tbase+Tv+Td
式中，Tdelay表示抛投时长；Tbase表示基础延时；Tv表示抛速影响延时；Td表示粮面深度影响延时。
4.根据权利要求3所述的粮食精确抛投系统，其特征在于，所述反馈系统包括扫描模块和输出传输模块；所述扫描模块包括安装在电动转轴上的激光雷达以及与所述激光雷达连接的处理模块；所述电动转轴用于调整激光雷达的俯仰角度以获取不同俯仰角度对应的激光雷达扫描数据；所述处理模块包括数据缓存单元和计算单元；所述数据缓存单元用于缓存所述激光雷达扫描数据；所述计算单元用于对所述激光雷达扫描数据进行过滤处理；所述输出传输模块包括控制单元和数据传输单元，所述控制单元用于控制扫描模块进行扫描并对数据传输单元的数据交互进行同步控制。
5.根据权利要求3所述的粮食精确抛投系统，其特征在于，所述抛投系统包括旋转装置和安装在所述旋转装置上的抛投机；所述抛投机用于根据所述抛投速度进行抛粮；所述旋转装置用于带动所述抛投机转动以改变所述抛投机的抛投方向。
6.根据权利要求3所述的粮食精确抛投系统，其特征在于，所述控制系统包括数据处理模块和控制主板；所述数据处理模块用于接收所述激光雷达扫描数据，对所述激光雷达扫描数据进行平滑滤波处理后建立三维深度矩阵，得到对应的粮面三维模型并根据所述粮面三维模型分析得到抛投系统的抛投方向以及各个抛投点对应的粮面深度和抛投速度，并根据所述粮面深度和所述抛投速度分析各个抛投点的抛投时长；所述控制主板用于根据所述抛投方向、抛投速度和抛投时长控制抛投系统进行转动抛粮。
7.一种机器人，其特征在于，包括安装支架以及安装在所述安装支架上的权利要求3-6任一项所述的粮食精确抛投系统。
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