CN113605766A - 一种汽车搬运机器人的探测系统及位置调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车搬运机器人的探测系统及位置调整方法，一种汽车搬运机器人的探测系统包括主体框架，主体框架包括沿汽车长度方向设置的横梁、以及对称设置于横梁两侧的L型叉臂，L型叉臂包括前限位叉臂、后限位叉臂，主体框架上设置有激光雷达，前限位叉臂与后限位叉臂之间设置有搬运货叉。一种汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，包括以下步骤：S1、位置标定：S2、扫描检测：调整机器人姿态和搬运货叉的宽度以及位置，将目标车辆搬运至指定地点。本发明不仅节省了停车场的车位空间，而且扩宽了汽车搬运机器人的适用场景，可以在汽车生产线或转运环节等场所得以运用，增加了汽车搬运机器人的使用灵活性。

Description

一种汽车搬运机器人的探测系统及位置调整方法
技术领域
本发明涉及一种探测系统及位置调整方法，尤其涉及一种汽车搬运机器人的探测系统及位置调整方法。
背景技术
随着移动机器人在仓储、生产线、货物分拣等领域的不断发展，越来越多的生产工序可以被移动机器人替代，以提高效率。在汽车搬运这个细分的市场中，存在两种类型的移动机器人，分别是潜伏式和夹取式，潜伏式机器人由于在机器人和车辆之间有承托物，所以不需要对被移动的车辆外形参数有过多的了解，但这种机器人在使用过程中暴露的问题也是承托物如何安装以及承托物占用的空间问题。
相比而言，夹取式机器人的柔性化更好，此类机器人不会对场地有过多的要求和改造，一般夹取式机器人夹持汽车的轮胎，以免对汽车车身造成损坏，为此夹取式机器人在夹取汽车之前，需提前获取汽车的轮胎位置及车宽车长等数据。在民用市场，特别是机器人停车领域的应用中，一般有机器人和驾驶人分离的区域，此区域内一般设置有传感器，可以测量汽车的尺寸信息，并通过调度系统将车辆尺寸信息连同调度任务一同发送给移动机器人，机器人可以根据车辆的位置和尺寸信息，将车辆夹取后存储起来。
现有机器人停车领域的常见机器人和驾驶人员交接的区域，该区域在矩形空间的四个角落布置有激光雷达扫描柱，每个扫描柱内部安装有3D和2D激光雷达，用于扫描车身的整体数据，并提取出车辆位置、车长、车宽、车高、车辆偏移角度等信息。该方案需要在停车场设置专用区域，此区域会占用停车场的车位空间。
现有汽车搬运机器人需要配合专有的外部检测区域和设备，才能完成汽车的扫描，此种方法在民用停车场景中可以使用，缺点是会牺牲一些车位空间和增加成本，另外，在实际操作中，对驾驶员在交接区域的停车技术有一定要求，容易出现停车位置不符合要求的情况。
在汽车生产或转运环节，由于汽车产线的规划和布局一般没有交接区域的设置，也没有交接区域布置扫描设备的空间，使得汽车搬运机器人缺少汽车的位置和尺寸信息，因此汽车搬运机器人无法在汽车生产线或转运环节上得以运用。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，针对汽车搬运机器人缺少独立扫描检测功能，必须借助外部扫描设备提取车辆信息的问题，本发明提供了一种汽车搬运机器人的探测系统及位置调整方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种汽车搬运机器人的探测系统，包括用于承载机器人及汽车的主体框架，主体框架包括沿汽车长度方向设置的横梁、以及对称设置于横梁两侧的L型叉臂，L型叉臂包括前限位叉臂、后限位叉臂，主体框架上设置有激光雷达，激光雷达用于扫描汽车并产生3D点云数据，根据3D点云数据，经过检测算法即可计算出汽车与主体框架之间的相对位置关系；主体框架通过横梁确保两激光雷达中心线的距离大于目标车辆的长度，从而保证激光雷达可完整的扫描到目标车辆的侧面；
前限位叉臂与后限位叉臂之间设置有用于夹持汽车轮胎的搬运货叉，搬运货叉包括成对配制的一号搬运货叉、二号搬运货叉，搬运货叉与主体框架活动相接，搬运货叉既能沿主体框架水平滑动，也能沿主体框架上下升降，从而保证机器人夹持住汽车后，将汽车抬离地面。
优选的，横梁为可伸缩横梁或固定横梁；前限位叉臂、后限位叉臂上分别设置有前激光雷达、后激光雷达，前激光雷达与后激光雷达关于主体框架的水平中心线对称。
优选的，横梁为可伸缩横梁或固定横梁；主体框架平行于目标车辆的一侧设置有导轨，导轨上匹配设置有滑动机构，滑动机构上设置有激光雷达，通过滑动机构将激光雷达从导轨一侧移动到另一侧，在激光雷达移动过程中扫描目标车辆。
优选的，导轨的长度大于目标车辆的长度。
优选的，搬运货叉为两对，两对搬运货叉间隔设置。
一种汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，包括以下步骤：
S1、位置标定：对前激光雷达4、后激光雷达5进行位置标定；
S2、扫描检测：位置标定完成后，当主体框架1运行至目标车辆6一侧时，前激光雷达4、后激光雷达5开启对目标车辆6的扫描，通过前激光雷达4、后激光雷达5获取目标车辆6一侧的原始点云数据；
S3、对扫描到的原始点云数据进行噪声滤波，得到滤波后的有效点云数据；使用地面检测算法进行地面检测，记录地平面法向量参数；
S4、使用聚类算法对有效点云数据进行聚类；
S5、使用分类器算法，通过计算步骤S4不同类别下的特征向量对车身、车轮进行分类；
S6、实现车身点云平面的拟合，并对平面法向量进行约束，即与步骤S3得到的地平面垂直，得到车身平面；
S7、将车轮点云图像投影到车身平面，并提取边缘点云，通过拟合的圆得到车轮圆心以及半径的提取，通过前后车轮的中心点计算目标车辆6相对于主体框架1的偏转角；
S8、基于车辆点云投影以车轮中心为起点，沿约束方向对车身点云进行临近点搜索，通过计算临近搜索点到限位叉臂内侧平面的距离表示前后悬安全距离；
S9、车轮中心点到临近搜索点沿偏转角度方向上的投影距离即为车辆的前悬长度、后悬长度，两车轮中心点之间的距离即为目标车辆的轴距，整车长度即为轴距加前悬长度加后悬长度；
S10、主体框架上的机器人根据上述步骤测量出的五个参数，得出机器人插取目标车辆时的最终姿态参数，然后机器人通过相应运动模型计算运动轨迹，调整机器人姿态和搬运货叉的宽度以及位置，将目标车辆搬运至指定地点。
优选的，步骤S1中位置标定的具体过程为：获取前激光雷达相对于后激光雷达或后激光雷达相对于前激光雷达的坐标变换矩阵，进而将两个激光雷达统一在主体框架的坐标系下；步骤S5中特征向量包括轮廓、密度概率、反射率。
优选的，步骤S10中五个参数包括目标车辆的前悬长度、后悬长度、整车长度、前后悬安全距离以及目标车辆相对于主体框架的偏转角度。
优选的，步骤S10中最终姿态参数包含机器人的目标点坐标(X、Y、A)以及搬运货叉相对目标点坐标下在主体框架的运动距离；
其中，A为偏转角度；Y为在机器人扫描测量时Y坐标值下，加上/减去沿偏转角度方向上保证车辆中心点与机器人中心点在同一直线上机器人需要移动的距离；X坐标值为在机器人扫描测量时X坐标值到车身平面的距离，加上/减去要求机器人中心点到车辆车身平面与扫描测量时X坐标值到车身平面的距离的差值；
通过车辆的前悬、后悬参数以及机器人在目标点坐标下与目标车辆的前后悬安全距离，得出搬运货叉需要相对移动的距离。
优选的，步骤S10插取目标车辆的具体过程为：机器人通过相应运动模型计算运动轨迹，调整机器人姿态和搬运货叉的宽度以及位置，使得成对配置的一号搬运货叉与二号搬运货叉的中心线对准目标车辆的一侧车轮胎中心，另外一对搬运货叉中心对准目标车辆另外一侧的车轮胎中心，进而主体框架向目标车辆靠近，直到两对搬运货叉完全插入到目标车辆底部，并使得主体框架完全包围住目标车辆，此时两对搬运货叉的独立货叉分别向对应中心线方向靠拢设定的距离，从而夹紧汽车轮胎，之后两对搬运货叉同时升高，使目标车辆脱离地面，最后主体框架将目标车辆搬运至指定地点。
本发明提出一种激光雷达扫描车辆的检测系统，并将该系统集成到汽车搬运机器人的控制系统中，使得汽车搬运机器人具备汽车的扫描检测能力，并根据检测到的汽车位置和尺寸信息，引导汽车搬运机器人搬运汽车，不仅节省了停车场的车位空间，而且扩宽了汽车搬运机器人的适用场景，可以在汽车生产线或转运环节等场所得以运用，增加了汽车搬运机器人的使用灵活性。
本发明通过设置汽车搬运机器人扫描待叉取车辆的探测系统，并利用此探测系统引导机器人准确夹取车辆，从而可以省略掉专用检测区域的传感器设置，使得机器人具备独立的检测车辆信息的能力，进一步扩展了应用此系统的汽车搬运机器人的应用场景。
附图说明
图1为本发明探测系统的整体结构示意图。
图2为本发明探测系统与目标车辆的位置关系图。
图3为图2的立体结构示意图。
图中：1、主体框架；2、前限位叉臂；3、后限位叉臂；4、前激光雷达；5、后激光雷达；6、目标车辆；7、一号搬运货叉；8、二号搬运货叉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的一种汽车搬运机器人的探测系统，包括用于承载机器人及汽车的主体框架1，主体框架1包括沿汽车长度方向设置的横梁、以及对称设置于横梁两侧的L型叉臂，L型叉臂包括前限位叉臂2、后限位叉臂3，主体框架1上设置有激光雷达，激光雷达用于扫描汽车并产生3D点云数据，根据3D点云数据，经过检测算法即可计算出汽车与主体框架1之间的相对位置关系；主体框架1通过横梁确保两激光雷达中心线的距离大于目标车辆的长度，从而保证激光雷达可完整的扫描到目标车辆的侧面；
横梁为可伸缩横梁或固定横梁；横梁包括两种结构，一种为可伸缩横梁，其适用于车型变化大、需要节省空间的场所，主体框架1通过调节横梁的长度使两激光雷达中心线的距离大于目标车辆的长度；一种为固定横梁，其适用于车型相对稳定、对空间要求不高的工业场景，固定横梁保证两激光雷达中心线的距离大于目标车辆的长度。
通过在主体框架1上设置激光雷达实现对车辆的扫描，无需在地面安装扫描柱，不占用额外的地面空间，且激光雷达数量少，成本低，也使汽车搬运机器人具备自主的扫描探测功能。通过激光雷达扫描的3D点云数据，提取目标车辆的关键信息，包括目标车辆的前悬长度、后悬长度、轴距、车辆长度、车辆偏转角度，机器人根据前述关键信息，调正自身的姿态，提升叉取目标车辆的准确性与稳定性。
前限位叉臂2与后限位叉臂3之间设置有用于夹持汽车轮胎的搬运货叉，搬运货叉为两对，两对搬运货叉间隔设置。搬运货叉包括成对配制的一号搬运货叉7、二号搬运货叉8，搬运货叉与主体框架1活动相接，搬运货叉既能沿主体框架1水平滑动，也能沿主体框架1上下升降，从而保证机器人夹持住汽车后，将汽车抬离地面。搬运货叉与主体框架1的连接关系为现有技术，此处不再赘述。
一种汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，包括以下步骤：
S1、位置标定：对前激光雷达4、后激光雷达5进行位置标定；获取前激光雷达4相对于后激光雷达5或后激光雷达5相对于前激光雷达4的坐标变换矩阵，进而将两个激光雷达统一在主体框架1的坐标系下；
S2、扫描检测：位置标定完成后，当主体框架1运行至目标车辆6一侧时，前激光雷达4、后激光雷达5开启对目标车辆6的扫描，通过前激光雷达4、后激光雷达5获取目标车辆6一侧的原始点云数据；
S3、对扫描到的原始点云数据进行噪声滤波，得到滤波后的有效点云数据；使用地面检测算法进行地面检测，记录地平面法向量参数；
S4、使用聚类算法对有效点云数据进行聚类；
S5、使用分类器算法，通过计算步骤S4不同类别下的特征向量对车身、车轮进行分类；特征向量包括轮廓、密度概率、反射率。
S6、实现车身点云平面的拟合，并对平面法向量进行约束，即与步骤S3得到的地平面垂直，得到车身平面；
S7、将车轮点云图像投影到车身平面，并提取边缘点云，通过拟合的圆得到车轮圆心以及半径的提取，通过前后车轮的中心点计算目标车辆6相对于主体框架1的偏转角；
S8、基于车辆点云投影以车轮中心为起点，沿约束方向对车身点云进行临近点搜索，通过计算临近搜索点到限位叉臂内侧平面的距离表示前后悬安全距离；
S9、车轮中心点到临近搜索点沿偏转角度方向上的投影距离即为车辆的前悬长度、后悬长度，两车轮中心点之间的距离即为目标车辆6的轴距，整车长度即为轴距加前悬长度加后悬长度；
S10、主体框架1上的机器人根据上述步骤测量出的五个参数，包括目标车辆6的前悬长度、后悬长度、整车长度、前后悬安全距离以及目标车辆6相对于主体框架1的偏转角度，得出机器人插取目标车辆6时的最终姿态参数，包含机器人的目标点坐标(X、Y、A)以及搬运货叉相对目标点坐标下在主体框架1的运动距离；
其中，A为偏转角度；Y为在机器人扫描测量时Y坐标值下，加上/减去沿偏转角度方向上保证车辆中心点与机器人中心点在同一直线上机器人需要移动的距离；X坐标值为在机器人扫描测量时X坐标值到车身平面的距离，加上/减去要求机器人中心点到车辆车身平面与扫描测量时X坐标值到车身平面的距离的差值；通过车辆的前悬、后悬参数以及机器人在目标点坐标下与目标车辆6的前后悬安全距离，得出搬运货叉需要相对移动的距离。
如图2、图3所示，通过测量出的目标车辆五个参数，来确定机器人插取目标车辆6时的最终姿态参数，保证主体框架1与目标车辆6互相平行，主体框架1的中心与目标车辆6的中心位于同一条水平中心线上，目标车辆6与主体框架1的距离在设定的范围内，搬运货叉的中心与目标车辆车轮的中心点相对应。
然后机器人通过相应运动模型计算运动轨迹，调整机器人姿态和搬运货叉的宽度以及位置，使得成对配置的一号搬运货叉7与二号搬运货叉8的中心线对准目标车辆6的一侧车轮胎中心，另外一对搬运货叉中心对准目标车辆6另外一侧的车轮胎中心，进而主体框架1向目标车辆6靠近，直到两对搬运货叉完全插入到目标车辆6底部，并使得主体框架1完全包围住目标车辆6，此时两对搬运货叉的独立货叉分别向对应中心线方向靠拢设定的距离，从而夹紧汽车轮胎，之后两对搬运货叉同时升高，使目标车辆6脱离地面，最后主体框架1将目标车辆6搬运至指定地点。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，前限位叉臂2、后限位叉臂3上分别设置有前激光雷达4、后激光雷达5，前激光雷达4与后激光雷达5关于主体框架1的水平中心线对称。采用双激光雷达，使得双激光雷达的点云数据可以覆盖整个目标车辆，避免目标车辆的关键信息丢失。
实施例2
主体框架1平行于目标车辆的一侧设置有导轨，导轨上匹配设置有滑动机构，滑动机构上设置有激光雷达，通过滑动机构将激光雷达从导轨一侧移动到另一侧，在激光雷达移动过程中扫描目标车辆，实现车辆的扫描功能。导轨的长度大于目标车辆的长度。导轨与滑动机构的连接关系为现有技术，此处不再赘述，本专利设置的激光雷达不限于上述方式，可根据实际使用需求做出相应的调整。
相较于实施例1，本实施例减少了使用成本，通过只安装一个激光雷达即可实现车辆的扫描，通过扫描汽车并产生3D点云数据，后续的位置调整步骤是一样的。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车搬运机器人的探测系统，其特征在于：包括用于承载机器人及汽车的主体框架(1)，所述主体框架(1)包括沿汽车长度方向设置的横梁、以及对称设置于横梁两侧的L型叉臂，所述L型叉臂包括前限位叉臂(2)、后限位叉臂(3)，所述主体框架(1)上设置有激光雷达，激光雷达用于扫描汽车并产生3D点云数据，根据3D点云数据，经过检测算法即可计算出汽车与主体框架(1)之间的相对位置关系；主体框架(1)通过横梁确保两激光雷达中心线的距离大于目标车辆的长度，从而保证激光雷达可完整的扫描到目标车辆的侧面；
所述前限位叉臂(2)与后限位叉臂(3)之间设置有用于夹持汽车轮胎的搬运货叉，所述搬运货叉包括成对配制的一号搬运货叉(7)、二号搬运货叉(8)，搬运货叉与主体框架(1)活动相接，搬运货叉既能沿主体框架(1)水平滑动，也能沿主体框架(1)上下升降，从而保证机器人夹持住汽车后，将汽车抬离地面。
2.根据权利要求1所述的汽车搬运机器人的探测系统，其特征在于：所述横梁为可伸缩横梁或固定横梁；所述前限位叉臂(2)、后限位叉臂(3)上分别设置有前激光雷达(4)、后激光雷达(5)，所述前激光雷达(4)与后激光雷达(5)关于主体框架(1)的水平中心线对称。
3.根据权利要求1所述的汽车搬运机器人的探测系统，其特征在于：所述横梁为可伸缩横梁或固定横梁；所述主体框架(1)平行于目标车辆的一侧设置有导轨，所述导轨上匹配设置有滑动机构，所述滑动机构上设置有激光雷达，通过滑动机构将激光雷达从导轨一侧移动到另一侧，在激光雷达移动过程中扫描目标车辆。
4.根据权利要求3所述的汽车搬运机器人的探测系统，其特征在于：所述导轨的长度大于目标车辆的长度。
5.根据权利要求1所述的汽车搬运机器人的探测系统，其特征在于：所述搬运货叉为两对，两对搬运货叉间隔设置。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1、位置标定：对前激光雷达(4)、后激光雷达(5)进行位置标定；
S2、扫描检测：位置标定完成后，当主体框架(1)运行至目标车辆(6)一侧时，前激光雷达(4)、后激光雷达(5)开启对目标车辆(6)的扫描，通过前激光雷达(4)、后激光雷达(5)获取目标车辆(6)一侧的原始点云数据；
S3、对扫描到的原始点云数据进行噪声滤波，得到滤波后的有效点云数据；使用地面检测算法进行地面检测，记录地平面法向量参数；
S4、使用聚类算法对有效点云数据进行聚类；
S5、使用分类器算法，通过计算步骤S4不同类别下的特征向量对车身、车轮进行分类；
S6、实现车身点云平面的拟合，并对平面法向量进行约束，即与步骤S3得到的地平面垂直，得到车身平面；
S7、将车轮点云图像投影到车身平面，并提取边缘点云，通过拟合的圆得到车轮圆心以及半径的提取，通过前后车轮的中心点计算目标车辆(6)相对于主体框架(1)的偏转角；
S8、基于车辆点云投影以车轮中心为起点，沿约束方向对车身点云进行临近点搜索，通过计算临近搜索点到限位叉臂内侧平面的距离表示前后悬安全距离；
S9、车轮中心点到临近搜索点沿偏转角度方向上的投影距离即为车辆的前悬长度、后悬长度，两车轮中心点之间的距离即为目标车辆(6)的轴距，整车长度即为轴距加前悬长度加后悬长度；
S10、主体框架(1)上的机器人根据上述步骤测量出的五个参数，得出机器人插取目标车辆(6)时的最终姿态参数，然后机器人通过相应运动模型计算运动轨迹，调整机器人姿态和搬运货叉的宽度以及位置，将目标车辆(6)搬运至指定地点。
7.根据权利要求6所述的汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，其特征在于：所述步骤S1中位置标定的具体过程为：获取前激光雷达(4)相对于后激光雷达(5)或后激光雷达(5)相对于前激光雷达(4)的坐标变换矩阵，进而将两个激光雷达统一在主体框架(1)的坐标系下；所述步骤S5中特征向量包括轮廓、密度概率、反射率。
8.根据权利要求6所述的汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，其特征在于：所述步骤S10中五个参数包括目标车辆(6)的前悬长度、后悬长度、整车长度、前后悬安全距离以及目标车辆(6)相对于主体框架(1)的偏转角度。
9.根据权利要求6所述的汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，其特征在于：所述步骤S10中最终姿态参数包含机器人的目标点坐标(X、Y、A)以及搬运货叉相对目标点坐标下在主体框架(1)的运动距离；
其中，A为偏转角度；Y为在机器人扫描测量时Y坐标值下，加上/减去沿偏转角度方向上保证车辆中心点与机器人中心点在同一直线上机器人需要移动的距离；X坐标值为在机器人扫描测量时X坐标值到车身平面的距离，加上/减去要求机器人中心点到车辆车身平面与扫描测量时X坐标值到车身平面的距离的差值；
通过车辆的前悬、后悬参数以及机器人在目标点坐标下与目标车辆(6)的前后悬安全距离，得出搬运货叉需要相对移动的距离。
10.根据权利要求6所述的汽车搬运机器人的探测系统的位置调整方法，其特征在于：所述步骤S10插取目标车辆的具体过程为：机器人通过相应运动模型计算运动轨迹，调整机器人姿态和搬运货叉的宽度以及位置，使得成对配置的一号搬运货叉(7)与二号搬运货叉(8)的中心线对准目标车辆(6)的一侧车轮胎中心，另外一对搬运货叉中心对准目标车辆(6)另外一侧的车轮胎中心，进而主体框架(1)向目标车辆(6)靠近，直到两对搬运货叉完全插入到目标车辆(6)底部，并使得主体框架(1)完全包围住目标车辆(6)，此时两对搬运货叉的独立货叉分别向对应中心线方向靠拢设定的距离，从而夹紧汽车轮胎，之后两对搬运货叉同时升高，使目标车辆(6)脱离地面，最后主体框架(1)将目标车辆(6)搬运至指定地点。
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