CN116381652A - 集装箱起重机激光雷达的校验方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集装箱起重机激光雷达的校验方法及系统，所述方法包括：将反光板固定在集装箱起重机门腿上，将激光雷达固定在小车上；将集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，扫描一帧点云数据并从中提取反光板的真实坐标位置；将集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并转换到集装箱起重机坐标系中；获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，测量反光板的坐标位置；计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，根据偏差大小判断激光雷达是否异常。本发明可以在不影响集装箱起重机自动化作业的情况下，实时对激光雷达设备的运行状态进行自我检验，保证自动化作业的效率和安全性。

Description

集装箱起重机激光雷达的校验方法及系统

技术领域

本发明属于起重机作业检验技术领域，具体涉及一种集装箱起重机激光雷达的校验方法及系统。

背景技术

集装箱起重机利用激光雷达进行自动化作业时，虽然激光雷达可以快速进行点云扫描，精准获取目标各种信息。但是在自动化作业过程中，由于运动和长时间的磨损，导致激光雷达的坐标系可能会发生变化，有可能是坐标的偏移，也有可能是角度的偏移，这样会对实际自动化作业带来影响。

目前集装箱起重机自动化业界与激光雷达校验相关的技术还相对较少，其他近似领域中，应用到的类似技术有激光雷达标定，比如CN114660579A公开了一种全自动激光雷达与相机标定方法，其将标定板固定在机械臂上，在可移动的机器人的平台上配置激光雷达和相机采集标定数据，可实现激光雷达标定。但标定与校验的区别很大，标定一般而言比较复杂，而且一般只在作业开始前应用一次，后续自动化运行过程中，不会再进行标定，此时激光雷达设备的运行状态处于不确定状态，当发现有问题时，有可能会出现非常严重的事故，造成人员伤亡和经济损失。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种集装箱起重机激光雷达的校验方法及系统，用于解决集装箱起重机自动化运行过程中，无法在设备自动化运行过程中实时对激光雷达设备的运行状态进行校验的问题。

本发明第一方面，公开了一种集装箱起重机激光雷达的校验方法，所述方法包括：

配置一块反光板，将反光板固定在集装箱起重机门腿上，将激光雷达固定在小车上；

将集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，使用激光雷达扫描一帧点云数据，从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置；

将集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中；

获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置；

计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，若偏差小于预设阈值，判定激光雷达是正常的，否则，判定激光雷达工作不正常。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述激光雷达的固定位置所在的水平线高于第五层集装箱的顶面。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述使用激光雷达扫描一帧点云数据之前还包括：

定义激光雷达坐标系、集装箱起重机坐标系，并确定激光雷达坐标系与集装箱起重机坐标系的转换关系。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置具体包括：

根据反光板的反射率远大于周围物体的特性，在点云可视化软件中，将一帧点云数据按照反射率进行不同颜色的显示，在反光板的位置范围内取反射率最大的点云区域的中心作为反光板的真实坐标位置，记反光板的真实坐标位置为(x0,y0,z0)。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中之后、获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域之前还包括：

设定反射率阈值，对目标点云数据进行反射率直通滤波，去除反射率低于反射率阈值的点。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域具体包括：

基于反光板的反射率远高于附近物体的反射率的原理设定反射率阈值，所述反射率阈值比反光板周围物体的反射率高，且比反光板的反射率低；

分别设定反光板在x轴方向、y轴方向、z轴方向的点云提取范围的阈值XThre、YThre、ZThre；

对于点云中的每一个点p(x′，y′，z′)，记pi为该点的反射率，使用以下公式获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域CloudBoard：

CloudBoard＝{p|pi≥IntensityThre，|x′-x0|<XThre，|y′-y0|<YThre，|z′-z0|<ZThre}

其中，IntensityThre为反射率阈值。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置具体包括：

记CloudBoard中所有点的最小x轴坐标为xmin，最大x轴坐标为xmax，最小y轴坐标为ymin，最大y轴坐标为ymax，最小z轴坐标为zmin，最大z轴坐标为zmax；

使用以下公式计算点云区域的中心：

以点云区域的中心(xb,yb,zb)作为反光板的测量坐标位置。

本发明第二方面，公开了一种集装箱起重机激光雷达的校验系统，所述系统包括：

反光板：固定在集装箱起重机门腿上

激光雷达：固定在集装箱起重机的小车上；

第一数据采集和计算模块：用于控制集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，使用激光雷达扫描一帧点云数据，从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置；

第二数据采集和计算模块：用于控制集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中；获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置；

异常判断模块：用于计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，若偏差小于预设阈值，判定激光雷达的工作状态是正常的，否则，判定激光雷达的工作状态不正常。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1)本发明使用激光雷达获取反光板的真实坐标位置，在集装箱起重机利用激光雷达进行自动化作业的过程中获取包含反光板的目标点云数据，基于目标点云数据计算出反光板的位置坐标，并与反光板的真实坐标位置比较，从而判断激光雷达的工作状态是否正常，可以在不影响集装箱起重机自动化作业、也不影响激光雷达获取点云信息的情况下，实时对激光雷达设备的运行状态进行自我检验，可以有效识别出激光雷达的位姿是否有偏移或工作状态是否正常，从而提高集装箱起重机自动化作业效率和作业精度，保证自动化作业的安全性；

2)本发明利用反光板的反射率远高于附近物体的反射率的原理获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，并计算点云区域的中心作为反光板的测量坐标位置，不需要复杂的标定计算即可准确测量的反光板的位置偏差，实现快速判断，且具有实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明的集装箱起重机激光雷达的校验方法流程图；

图2为本发明的集装箱起重机及反光板安装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、配置一块反光板，将反光板固定在集装箱起重机门腿上，将激光雷达固定在小车上。

图2所示为集装箱起重机及反光板安装示意图，其中，激光雷达固定在小车上，反光板固定在集装箱起重机门腿上，激光雷达比第五层集装箱的位置略高，具体是激光雷达的固定位置所在的水平线高于第五层集装箱的顶面。

激光雷达坐标系与集装箱起重机坐标系不一样，正常作业过程中需要根据PLC反馈的小车位置信息，将从激光雷达获取到的点云数据进行坐标转换，将这些点云中点的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系上。因此，需要定义激光雷达坐标系、集装箱起重机坐标系，从而确定激光雷达坐标系与集装箱起重机坐标系的转换关系。激光雷达坐标系为以坐在司机室中小车向前方向为x轴正向、以垂直地面向上为z轴、以激光雷达中心为原点的笛卡尔直角坐标系，通过右手定则确定y轴。集装箱起重机坐标系为以坐在司机室中小车向前方向为x轴正向、向左为y轴正向、以垂直地面向上为z轴、以司机室中心在地面上的投影为原点的笛卡尔直角坐标系。

S2、将集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，使用激光雷达扫描一帧点云数据，从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置。

根据反光板的反射率远大于周围物体的特性，在点云可视化软件中，将激光雷达扫描到的一帧点云数据按照反射率的大小进行不同颜色的显示，手动查看反光板在的大致位置，在反光板的位置范围内取反射率最大的点云区域的中心作为反光板的真实坐标位置，记反光板的真实坐标位置为(x0,y0,z0)。

S3、将集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中。

将集装箱起重机的吊具移动到目标位置后，激光雷达开始3D扫描。对于自动抓箱，目标位置为待抓集装箱的位置；对于自动放箱，目标位置为吊具上抓着的集装箱待放置的位置。通过3D扫描获取包含反光板的目标点云数据，根据步骤S1中确定的激光雷达坐标系与集装箱起重机坐标系的转换关系将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中。

S4、获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置。

由于激光雷达受产品质量、使用环境的影响，不可避免的存在噪点，同时本发明针对的是反射率较高的反光板所在区域，因此可设定反射率阈值，对目标点云数据进行反射率直通滤波，去除反射率低于反射率阈值的点。

由于反光板的反射率远高于附近物体的反射率，因此设定反射率阈值IntensityThre，使反射率阈值比反光板周围物体的反射率高，且比反光板的反射率低，比如可取IntensityThre＝9000。

在集装箱起重机坐标系中分别设定反光板在x轴方向、y轴方向、z轴方向的点云提取范围的阈值XThre、YThre、ZThre，比如可分别取XThre＝0.5、YThre＝0.5、ZThre＝0.5，单位为米。

对于点云中的每一个点p(x′，y′，z′)，记pi为该点的反射率，使用以下公式获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域CloudBoard：

CloudBoard＝{p|pi≥IntensityThre，|x′--x0|<XThre，|y′-y0|<YThre，|z′-z0|<ZThre}

其中，IntensityThre为反射率阈值。

记CloudBoard中所有点的最小x轴坐标为xmin，最大x轴坐标为xmax，最小y轴坐标为ymin，最大y轴坐标为ymax，最小z轴坐标为zmin，最大z轴坐标为zmax；

使用以下公式计算点云区域的中心：

以点云区域的中心(xb,yb,zb)作为反光板的测量坐标位置。

S5、计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，若偏差小于预设阈值，判定激光雷达是正常的，否则，判定激光雷达工作不正常。

反光板中心的坐标在集装箱起重机坐标系下是固定的，若通过激光雷达扫描的点云数据测算得到的反光板中心的坐标发生偏移，则说明激光雷达本身的测量存在问题。因此本发明对测量得到的反光板中心的坐标与反光板的真实坐标位置进行对比检验，如果两个点之间的位置偏差值大于预设阈值，则表明激光雷达的位置有较大偏移，激光雷达工作不正常，这个时候自动化作业是有风险的。

本发明利用反光板的反射率远高于附近物体的反射率的原理获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，并计算点云区域的中心作为反光板的测量坐标位置，不需要复杂的标定计算即可准确测量的反光板的位置偏差，实现快速判断，且不需要设备停机，可以在不影响集装箱起重机自动化作业、也不影响激光雷达获取点云信息的情况下，实时对激光雷达设备的运行状态进行自我检验。

本发明不需要复杂的标定即可有效识别出激光雷达的位姿是否有偏移或工作状态是否正常，从而提高集装箱起重机自动化作业效率和作业精度，保证自动化作业的安全性。

在上述方法实施例的基础上，本发明还提出一种集装箱起重机激光雷达的校验系统，所述系统包括：

反光板：固定在集装箱起重机门腿上

激光雷达：固定在集装箱起重机的小车上；

第一数据采集和计算模块：用于控制集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，使用激光雷达扫描一帧点云数据，从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置；

第二数据采集和计算模块：用于控制集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中；获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置；

异常判断模块：用于计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，若偏差小于预设阈值，判定激光雷达的工作状态是正常的，否则，判定激光雷达的工作状态不正常。

以上系统实施例是在方法实施例的基础上实施的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。

本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。

本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述方法包括：

配置一块反光板，将反光板固定在集装箱起重机门腿上，将激光雷达固定在小车上；

将集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，使用激光雷达扫描一帧点云数据，从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置；

将集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中；

获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置；

计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，若偏差小于预设阈值，判定激光雷达是正常的，否则，判定激光雷达工作不正常。

2.根据权利要求1所述的集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述激光雷达的固定位置所在的水平线高于第五层集装箱的顶面。

3.根据权利要求1所述的集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述使用激光雷达扫描一帧点云数据之前还包括：

定义激光雷达坐标系、集装箱起重机坐标系，并确定激光雷达坐标系与集装箱起重机坐标系的转换关系。

4.根据权利要求1所述的集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置具体包括：

根据反光板的反射率远大于周围物体的特性，在点云可视化软件中，将一帧点云数据按照反射率进行不同颜色的显示，在反光板的位置范围内取反射率最大的点云区域的中心作为反光板的真实坐标位置，记反光板的真实坐标位置为(x0,y0,z0)。

5.根据权利要求1所述的集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中之后、获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域之前还包括：

设定反射率阈值，对目标点云数据进行反射率直通滤波，去除反射率低于反射率阈值的点。

6.根据权利要求4所述的集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域具体包括：

基于反光板的反射率远高于附近物体的反射率的原理设定反射率阈值，所述反射率阈值比反光板周围物体的反射率高，且比反光板的反射率低；

在集装箱起重机坐标系中，分别设定反光板在x轴方向、y轴方向、z轴方向的点云提取范围的阈值XThre、YThre、ZThre；

对于目标点云数据中的每一个点p(x′,y′,z′)，记pi为该点的反射率，使用以下公式获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域CloudBoard：

CloidBoard＝{p|pi≥IntensityThre，|x′-x0|＜XThre，|y′-y0|＜YThre，|z′-z0|＜ZThre}

其中，IntensityThre为反射率阈值。

7.根据权利要求6所述的集装箱起重机激光雷达的校验方法，其特征在于，所述计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置具体包括：

记CloudBoard中所有点的最小x轴坐标为xmin，最大x轴坐标为xmax，最小y轴坐标为ymin，最大y轴坐标为ymax，最小z轴坐标为zmin，最大z轴坐标为zmax；

使用以下公式计算点云区域的中心：

以点云区域的中心(xb,yb,zb)作为反光板的测量坐标位置。

8.一种集装箱起重机激光雷达的校验系统，其特征在于，所述系统包括：

反光板：固定在集装箱起重机门腿上

激光雷达：固定在集装箱起重机的小车上；

第一数据采集和计算模块：用于控制集装箱起重机的吊具移动到集装箱上方，使用激光雷达扫描一帧点云数据，从一帧点云数据中提取反光板的真实坐标位置；

第二数据采集和计算模块：用于控制集装箱起重机的吊具移动到目标位置，通过激光雷达获取包含反光板的目标点云数据，并将目标点云数据的坐标由激光雷达坐标系转换到集装箱起重机坐标系中；获取反光板的真实坐标位置附近的点云区域，计算点云区域的中心，得到反光板的测量坐标位置；

异常判断模块：用于计算反光板的真实坐标位置与测量坐标位置之间的偏差，若偏差小于预设阈值，判定激光雷达的工作状态是正常的，否则，判定激光雷达的工作状态不正常。

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