CN116424900A - 一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法，包括：车辆位置初步识别；根据空车厢的点云特征跟踪车厢的位置；确定首次停车位置；开始卸料；中间卸料；结束卸料。本发明采用了定容装车的方式，保留了传统车场使用地磅计量的传统，使装车计量过程更加符合散装物料商务交易的运作。利用简单的激光雷达点云快速简便的测量车厢及其物料的装载程度，简化了测量难度，使装车过程更加易于操作，大大减轻了装车员的工作强度。由于计算过程简单，可以使用简单便宜的计算硬件即可以达到精确测量的目的，使系统成本大大下降，非常适用于传统装车场改造为智能化装车场的改造。

Description

一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法，是一种机械化装载散装物料的运输机械的自动化工艺方法，是一种用于汽车装车站进行自动化装车的工艺方法。

背景技术

汽车装车站装车形式一般采用定重量装车，采用皮带秤或地磅，边装料边称重计量边装车量的方式，或者采用定量斗定量配料后，再向车厢卸料的方式，即：以重量限定装车量。这种装车方式的缺点在于，想要将车厢装满，就先要计算出车厢装满后的物料体积，再根据该物料的比重计算出装满车厢物料的重量，以便在装车时根据满车厢物料的重量值，进行重量计量。这种按重量计量进行装车的工艺方法的缺点是，由于一些物料(例如)的比重受到温度、湿度，粒径大小等方面的影响，在装车时的比重变化较大，根据标准比重计算出的装车物料重量不是容积超出(物料溢出车厢)，就是容积不足(车厢没有装满)。为解决这一问题，近年来提出了一种定容积(满容积)装车方式，即按照一定数量的体积量向车厢装料方式。现有的定容装车依赖装车员手动操作，肉眼观察车厢前梆越过落料口后，手动控制启动卸料闸门，并时刻观察车厢内物料高度，料高达到一定高度后，提醒卡车司机往前移动车辆，车辆前移必然使得落料口下方料高变化，即料高降低，此时如果卡车司机自主停车，则装车员不喊话并保持料流持续，如果卡车走的过多则提醒司机停车。如此从车前梆位置开始装料一直到车后梆位置，待后梆位置料满后，装车员关闭卸料闸门，并提醒司机离场。如果司机希望装载的物料堆成像屋脊一样堆积冒尖，同时不会溢出车厢侧梆而产生撒漏，往往还需要在装车站内配1名观察工，时刻观察料高情况。由以上的描述可以看出，装车员，以及观察工在装车过程中需时刻集中精力观察装车实况，稍有疏忽就会产生撒漏，影响装车环境，形成装车偏差，从而引起经济纠纷。尽管现已提出了一些定容自动装车的工艺方法，但这些使用常规的单/多点激光/超声波测距难以满足定容积装车苛刻条件的技术需要，摄像机图像识别对接近于车厢颜色的物料也是全无优势，如何精确的进行识别和测量以满足定容积装车的要求是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法。所述的方法通过雷达点云识别车厢及装载量，使用十分简单的系统实现了装车自动化。

本发明的目的是这样实现的：一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法，所述方法所使用的装车系统包括：在汽车装车站的装车间车道上方设置至少三个具有扫描功能的激光雷达，其中一个是安装在装车间顶部的中轴线上的中线雷达，另外两个是分别安装在装车间顶部中轴线左右两侧的左侧雷达和右侧雷达；建立坐标系：以车道右侧地面一点为坐标0点，车辆前进方向为y轴正方向，地面竖直向上方向为z轴正方向，车道右向左方向为x轴正方向；坐标原点、各个激光雷达、卸料口依照y轴的正方向依次顺序排列，所述方法的步骤如下：

步骤1，车辆位置初步识别：车辆进入装车间，进入激光雷达扫描范围后，识别卸料口下方的车厢的前后缘、车头、车头与车厢之间的空档；

其中，车厢区别于车头和空档的点云特征：装车间上方雷达检测到落料口下方区域点云z坐标处于1.2-1.5米，且通道侧面雷达检测到区域点云x坐标处于0.5-1.0米，z坐标处于1.6-2.5米；

步骤2，根据空车厢的点云特征跟踪车厢的位置：车厢前梆点云特征：区域点云的y坐标相同，z坐标值介于1.5米至3.5米之间，特征匹配的点云的z值最高值即为前梆高度，点云y坐标即是车前梆位置；

车厢后梆点云特征：车厢后梆点云特征同车厢前梆点云特征，区别是前梆和后梆点云的y值不同，前梆点云的y值处于中线雷达的前方，后梆点云的y值处于中线雷达的后方；

车厢右侧梆点云特征：右侧雷达检测到区域点云的z坐标相同，且点云x坐标处于0.5-1.0米，且点云z坐标处于2.3-3.6米；特征匹配的点云的z值最高值即为车厢右侧梆高度，点云x坐标即是车厢右侧梆位置；

车厢左侧梆点云特征：左侧雷达检测到区域点云的z坐标相同，且点云x坐标处于3.5-4.0米，且点云z坐标处于2.3-3.5米；特征匹配的点云的z值最高值即为左侧梆高度，点云x坐标即是左车侧梆位置；

步骤3，确定首次停车位置：检测到卸料口下方物体是否为车厢，装车系统实时检测车前梆位置，指挥车辆停在卸料口位置；检测车厢就位置时，车厢侧梆的z坐标和x坐标；如果车辆中心线严重偏离装车间中心线，则要求车辆调整位置，直至符合车辆中心线与装车间中心线重合的要求；

步骤4，开始卸料：启动卸料并实时检测堆料高度，当检测到车厢前端料满时则指挥车辆前进；

堆料高度的监测通过A、B两种检测方式，同时对卸入车厢的料堆进行监测，方式A：利用左侧雷达和右侧雷达测量落料点前方和后方的料堆高度，用于测量靠近车厢前梆待装区域料满和临近车箱后梆待装区域满料的卸料控制；方式B：利用左测雷达和右侧雷达检测落料点侧面的料堆高度，用于防止物料满溢出车厢侧梆的卸料控制；

步骤5，中间卸料：装车系统指挥车辆前行并继续卸料，装车系统使用方式B检测车厢中的料堆高度，当出现料堆高度降低时则指挥车辆等待；如果出现料堆高度接近溢出，则减小卸料量，或指挥车辆提高车速；

步骤6，结束卸料：实时测量车后梆位置，当车箱后梆抵近卸料口时，使用方式A检测临近车箱后梆待装区域的满料情况，使用方式B检测两侧料堆高度是否超过左右两侧车梆，临近车箱后梆待装区域满料后，或料堆达到两侧车梆高度，则结束卸料，完成装车。

本发明的优点和有益效果是：本发明采用了定容装车的方式，保留了传统车场使用地磅计量的传统，使装车计量过程更加符合散装物料商务交易的运作。利用简单的激光雷达点云快速简便的测量车厢及其物料的装载程度，简化了测量难度，使装车过程更加易于操作，大大减轻了装车员的工作强度。由于计算过程简单，可以使用简单便宜的计算硬件即可以达到精确测量的目的，使系统成本大大下降，非常适用于传统装车场改造为智能化装车场的改造。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所述装车方法所使用的装车站系统示意图，扫描空车的视图；

图2是本发明实施例所述装车方法所使用的装车站系统示意图，是图1中的A向视图；

图3是本发明实施例所述装车方法的流程图；

图4是本发明实施例所述装车方法开始卸料的示意图；

图5是本发明实施例所述装车方法结束卸料的示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法。所述方法所使用的装车系统如图1、2所示。所述方法所使用的装车系统包括：在汽车装车站的装车间1车道上方设置至少三个具有扫描功能的激光雷达2，其中一个是安装在装车间顶部的中轴线101上的中线雷达201，另外两个是分别安装在装车间顶部中轴线左右两侧的左侧雷达202和右侧雷达203，见图2。建立坐标系：以车道右侧地面一点为坐标0点，车辆前进方向为y轴正方向，地面竖直向上方向为z轴正方向，车道右向左方向为x轴正方向；坐标原点、各个激光雷达、卸料口依照y轴的正方向依次顺序排列，即：当车辆驶入装车间时，首先接触是虚拟的坐标零点，接着是中线雷达和两个左、右侧雷达，接着是卸料口，由于车辆前行方向设定为坐标y轴的正方向，在空间上可以表述为，坐标O点在前，中间是各个激光雷达，最后是卸料口，如图1所示。所述的、左右侧是按通常习惯的车辆左、右侧。

本实施例所述的装车系统是一种将物料提升至高于装车位置，并利用重力使物料自然下降进入车厢中的自动装车机械。装车站通常设有一个高于装车车辆3的储料仓4，储料仓的底部设有用于卸料的闸门5，卸料闸门下方连接卸料口6。储料仓下方为装车间，装车间中设有车辆穿过装车间的车道。装车的车辆从装车间的一侧进入装车间中并到达卸料口下方，通过开启闸门卸料，将车辆装满。

所述方法的步骤如下，流程如图3所示：

步骤1，车辆位置初步识别：车辆进入装车间，进入激光雷达扫描范围后，识别卸料口下方的车厢的前后缘、车头、车头与车厢之间的空档，如图1所示。

其中，车厢区别于车头和空档的点云特征：装车间上方雷达检测到落料口下方区域点云z坐标处于1.2-1.5米(即车厢底板的高度范围，用于区别非车头)，且通道侧面雷达检测到区域点云x坐标处于0.5-1.0米，z坐标处于1.6-2.5米；(车厢侧梆的点云特征，用于区别非空档)。

装车的卡车驶入装车间，车辆一旦进入激光雷达的扫描范围，装车系统即开始对卡车的外形进行扫描分析，根据所获取的点云的三维坐标辨别哪里是车头，哪里是车厢，以便进一步对车厢进行详细的辨识。

步骤2，根据空车厢的点云特征跟踪车厢的位置：车厢前梆点云特征：区域点云的y坐标相同，z坐标值介于1.5米至3.5米之间(车厢前梆高度的范围)。特征匹配的点云的z值最高值即为前梆高度，点云y坐标即是车前梆位置；

车厢后梆点云特征：车厢后梆点云特征同车厢前梆点云特征，区别是前梆和后梆点云的y值不同，前梆点云的y值处于中线雷达的前方，后梆点云的y值处于中线雷达的后方(汽车行驶方向为前)。

车厢右侧梆点云特征：右侧雷达检测到区域点云的z坐标相同，且点云x坐标处于0.5-1.0米，且点云z坐标处于2.3-3.6米(该取值须覆盖车厢侧梆高度范围)。特征匹配的点云的z值最高值即为车厢右侧梆高度，点云x坐标即是车厢右侧梆位置；

车厢左侧梆点云特征：左侧雷达检测到区域点云的z坐标相同，且点云x坐标处于3.5-4.0米，且点云z坐标处于2.3-3.5米(该取值须覆盖车厢侧梆高度范围)。特征匹配的点云的z值最高值即为左侧梆高度，点云x坐标即是左车侧梆位置；

步骤3，确定首次停车位置：检测到卸料口下方物体是否为车厢，装车系统实时检测车前梆位置，指挥车辆停在卸料口位置(车前梆越过卸料口0.5米为宜)。检测车厢就位位置(起始装车位)时，车厢侧梆的z坐标(高度的精密尺寸)和x坐标(位置的精密尺寸)；如果车辆中心线严重偏离装车间中心线，则要求车辆调整位置，直至符合车辆中心线与装车间中心线重合的要求。所述的车辆中心线是指汽车两个前轮之间的中点与两个后轮之间的中点之间的连线。所述的装车间中心是指过卸料口对称中心、与车辆行车方向一致的线。车辆在卸料过程中的正确车辆位置是：车辆的中心线在装车过程中始终与装车间中心线重合，在本实施例确定的坐标系中是x_M，见图2。

步骤4，开始卸料：启动卸料并实时检测堆料高度，当检测到车厢前端料满时则指挥车辆前进，见图4。

堆料高度的监测通过A、B两种检测方式都是用通道侧面激光雷达测量，同时对卸入车厢的料堆进行监测，如图2所示。方式A：利用左侧雷达和右侧雷达测量落料点前方和后方的料堆高度(车头方向为前)，用于测量靠近车厢前梆待装区域料满和临近车箱后梆待装区域满料的卸料控制，如图4、5所示。方式B：利用左测雷达和右侧雷达检测落料点侧面的料堆高度，用于防止物料满溢出车厢侧梆的卸料控制。

方式A:选取y轴方向距离料流边缘0.2米，且x轴方向居于装车间中心线(x坐标值为x_M)与坐标0点之间的激光点，激光点z值最高的即为料高。前梆区域测料高和后梆区域测料高如图4、5所示。

方式B:考虑车辆可能未按装车间中心线居中行驶，在通道两侧放置2部激光雷达测料高，2部雷达以装车站中心线对称位置安装。以x轴方向侧梆距离激光雷达远的雷达数据为准，用来应对因车辆偏驶造成的车厢一侧溢洒而另一侧未装满的情况。如果车辆偏驶严重则不予装车，并提醒司机调整车辆。先通过点云识别车厢侧梆的位置，再比较左右2部激光雷达测得的侧梆x位置并选定其中某一部雷达的数据，再通过该雷达测得的车厢侧梆的x坐标向远离雷达方向0.2米范围找激光点，该激光点的高度(z坐标值)，即是需要的料高。如果该处料高值大于侧梆高度(大于侧梆高度的阈值可以根据实际情况设定)，则认为料满。另外，装载过程中车辆偏驶情况也会有变化，选用激光雷达1或者2(左侧雷达或右侧雷达)的数据也得随着偏驶情况而改变。

方式A和B根据不同的装车阶段单独或联合运作，测得的任何一个料高值达到满值则提醒司机前进。如果超过严重超限值则关闭卸料闸门，暂停卸料。

车辆就位后(卸料口与空车厢的合适时)就要开启闸门向车厢中卸料，这时用方式A检测车厢前梆待装区域是否料满，同时使用方式B对料堆两侧是否装满，甚至溢出车厢左右侧梆，如果发现满料则进入下一步骤。

步骤5，中间卸料：装车系统指挥车辆前行并继续卸料，装车系统使用方式B检测车厢中的料堆高度，当出现料堆高度降低时则指挥车辆等待；如果出现料堆高度接近溢出，则减小卸料量，或指挥车辆提高车速；

在中间卸料的时段，只需要使用方式B对车厢两侧进行检测，以防止物料溢出车厢左右侧，控制车厢中堆积物料多少，主要依靠控制车辆前行的速度，或缓慢前行，甚至停止，或稍微增加前行速度，在必要时还可以用控制卸料量的方式，例如控制卸料闸门的开度等。

步骤6，结束卸料：实时测量车后梆位置(y坐标)，当车箱后梆抵近卸料口时，使用方式A检测临近车箱后梆待装区域的满料情况，使用方式B检测两侧料堆高度是否超过左右两侧车梆，临近车箱后梆待装区域满料后，或料堆达到两侧车梆高度，则结束卸料，完成装车，见图5。

车后梆点云特征：中线雷达检测到区域点云的y坐标相同，z坐标值介于1.5米至3.0米之间(车后梆高度的范围)，且该区域点云后面(y轴负方向)的点云z值都在0处。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如装车站的形式、卸料的方式、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于激光雷达点云识别的满容积无人装车方法，所述方法所使用的装车系统包括：在汽车装车站的装车间车道上方设置至少三个具有扫描功能的激光雷达，其中一个是安装在装车间顶部的中轴线上的中线雷达，另外两个是分别安装在装车间顶部中轴线左右两侧的左侧雷达和右侧雷达；建立坐标系：以车道右侧地面一点为坐标0点，车辆前进方向为y轴正方向，地面竖直向上方向为z轴正方向，车道右向左方向为x轴正方向；坐标原点、各个激光雷达、卸料口依照y轴的正方向依次顺序排列，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，车辆位置初步识别：车辆进入装车间，进入激光雷达扫描范围后，识别卸料口下方的车厢的前后缘、车头、车头与车厢之间的空档；

其中，车厢区别于车头和空档的点云特征：装车间上方雷达检测到落料口下方区域点云z坐标处于1.2-1.5米，且通道侧面雷达检测到区域点云x坐标处于0.5-1.0米，z坐标处于1.6-2.5米；

步骤2，根据空车厢的点云特征跟踪车厢的位置：车厢前梆点云特征：区域点云的y坐标相同，z坐标值介于1.5米至3.5米之间，特征匹配的点云的z值最高值即为前梆高度，点云y坐标即是车前梆位置；

车厢后梆点云特征：车厢后梆点云特征同车厢前梆点云特征，区别是前梆和后梆点云的y值不同，前梆点云的y值处于中线雷达的前方，后梆点云的y值处于中线雷达的后方；

车厢右侧梆点云特征：右侧雷达检测到区域点云的z坐标相同，且点云x坐标处于0.5-1.0米，且点云z坐标处于2.3-3.6米；特征匹配的点云的z值最高值即为车厢右侧梆高度，点云x坐标即是车厢右侧梆位置；

车厢左侧梆点云特征：左侧雷达检测到区域点云的z坐标相同，且点云x坐标处于3.5-4.0米，且点云z坐标处于2.3-3.5米；特征匹配的点云的z值最高值即为左侧梆高度，点云x坐标即是左车侧梆位置；

步骤3，确定首次停车位置：检测到卸料口下方物体是否为车厢，装车系统实时检测车前梆位置，指挥车辆停在卸料口位置；检测车厢就位置时，车厢侧梆的z坐标和x坐标；如果车辆中心线严重偏离装车间中心线，则要求车辆调整位置，直至符合车辆中心线与装车间中心线重合的要求；

步骤4，开始卸料：启动卸料并实时检测堆料高度，当检测到车厢前端料满时则指挥车辆前进；

堆料高度的监测通过A、B两种检测方式，同时对卸入车厢的料堆进行监测，方式A：利用左侧雷达和右侧雷达测量落料点前方和后方的料堆高度，用于测量靠近车厢前梆待装区域料满和临近车箱后梆待装区域满料的卸料控制；方式B：利用左测雷达和右侧雷达检测落料点侧面的料堆高度，用于防止物料满溢出车厢侧梆的卸料控制；

步骤5，中间卸料：装车系统指挥车辆前行并继续卸料，装车系统使用方式B检测车厢中的料堆高度，当出现料堆高度降低时则指挥车辆等待；如果出现料堆高度接近溢出，则减小卸料量，或指挥车辆提高车速；

步骤6，结束卸料：实时测量车后梆位置，当车箱后梆抵近卸料口时，使用方式A检测临近车箱后梆待装区域的满料情况，使用方式B检测两侧料堆高度是否超过左右两侧车梆，临近车箱后梆待装区域满料后，或料堆达到两侧车梆高度，则结束卸料，完成装车。

Images