CN116620802B - 一种利用室内施工智能物料运输系统的运输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用室内施工智能物料运输系统的运输方法，属于智能化物料运输技术领域。运输系统包括物料运输车、路径规划模块、智能避障模块、智能定位模块、综合管理模块。物料运输车承载其余模块，抓取并放置物料；路径规划模块建立基于BIM模型的基础导航地图，根据当前的位置和输入的目的地规划出运动路径；智能避障模块通过采集环境视觉信息，提取障碍物位置信息，按照避障算法计算出局部避障路径；智能定位模块定位运输系统当前位置信息，实时更新运输系统在导航地图中的位置；综合管理模块实现对各模块协调调用控制。本发明能够自动进行物料的运输工作，作业效率高，提升了建筑施工的智能化、自动化水平，提高了施工精度和安全性。

Description

一种利用室内施工智能物料运输系统的运输方法

技术领域

本发明属于智能化物料运输技术领域，尤其涉及一种利用室内施工智能物料运输系统的运输方法。

背景技术

在室内施工过程中，经常需要将大量的施工物料从仓库运到施工位置处，在此过程中，需要用到运输器械。现有技术1(CN202310197076.7)公开了一种无人物流车自动装卸装置及运输方法，包括装卸底板、升降系统、载物平台、滚筒、驱动电机、导航模块、定位模块、传送带系统等，通过传送带系统对整托物料进行传输，从而实现无人参与情况下完成物料的装卸，运输和配送；但是该设备占地面积大，只能实现固定的初始位置的运输工作，灵活性较差。现有技术2(CN202310242850.1)公开了一种特种物料运输无轨胶轮车，包括车头、车斗、五轴机械手、抱筒架、抓具油缸等，可满足一次运送2根铁皮圆筒，提高了作业效率；一个人员可实现装卸车全部流程，省人省力，减员增效；遥控操作可让操作者远离危险区域，保证安全；但是该设备需要现场人员操作，智能化程度低。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种利用室内施工智能物料运输系统的运输方法，解决了传统技术中的物料运输方式所存在的智能化程度低、设备占地面积大、灵活性差等问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种室内施工智能物料运输系统，包括物料运输车以及安装在物料运输车上的路径规划模块、智能避障模块、智能定位模块、综合管理模块；物料运输车、路径规划模块、智能避障模块、智能定位模块均与综合管理模块信号连接，受其控制或传递各项数据信息。

进一步地，所述物料运输车包括安装在车轮组件上的车体，车轮组件包括测速电机；还包括安装在车体上的六自由度机器人，六自由度机器人末端安装有抱爪，抱爪上安装有力传感器，靠近抱爪位置处的六自由度机器人机械臂上安装有视觉单元。

进一步地，所述路径规划模块包括安装在服务器中的BIM子模块、路径规划算法子模块；BIM子模块用于接收BIM模型，提取模型信息；路径规划算法子模块根据BIM子模块发送的模型信息转化为基础导航地图，按照路径规划算法生成运输系统从起始点至目的地的行走路径。

进一步地，所述智能避障模块包括安装在物料运输车上的面结构光相机、激光测距仪，激光测距仪用于实时获取运行路径上的障碍物与运输系统之间的距离数据，面结构光相机用于测量障碍物的外形数据；还包括安装在服务器中的避障算法子模块，避障算法子模块接收激光测距仪发送的障碍物信息，按照避障算法生成新的局部路径规划。

进一步地，所述智能定位模块包括安装在物料运输车上的高清摄像机、六轴倾角传感器以及摆放在施工现场的标记块，高清摄像机用于识别标记块，并将识别信息发送至服务器中的定位算法子模块进行分析处理，六轴倾角传感器用于测量物料运输车沿空间三维的转动角度，并将测量数据发送至定位算法子模块；定位算法子模块按照定位算法生成运输系统位置信息并发送至路径规划模块。

利用上述室内施工智能物料运输系统的运输方法，包括如下过程：

步骤1：运输系统整体位于标定好的初始位置处，将该初始位置定义为施工现场世界坐标系原点和BIM模型原点；操作人员在服务器的三维建模软件上建立室内建筑BIM模型，导入BIM子模块，通过人机交互界面在BIM模型上标记出物料库和运输目的地位置；

步骤2：路径规划模块按照规划算法首先生成运输系统到物料库的初始运动路径，综合管理模块按照该运动路径控制物料运输车运动，直至运输系统整体运动到物料库；运动过程中，激光测距仪实时检测运动路径上的障碍物信息，遇到障碍物时，避障算法子模块基于避障算法生成新的局部路径规划，综合管理模块根据该局部路径规划控制物料运输车躲避障碍物，避开障碍物后，路径规划模块重新更新路径，综合管理模块继续控制物料运输车运动；运动过程中，智能定位模块基于定位算法实时定位物料运输车在施工现场世界坐标系下实际位置坐标以及在BIM模型中的位置坐标，并传递至路径规划模块，辅助路径规划模块进行路径规划；

步骤3：运输系统整体到达物料库后，综合管理模块控制物料运输车上的六自由度机器人运动，抓取物料；

步骤4：路径规划模块重新生成从物料库到运输目的地的运动路径，综合管理模块根据该路径继续控制物料运输车朝着运输目的地运动；

步骤5：运输系统到达运输目的地后，综合管理模块控制六自由度机器人运动，放置物料；

步骤6：重复步骤1至5，继续进行下一趟物料运送工作，直至所有物料运送完成。

进一步地，所述路径规划模块实现路径规划的具体方法如下：

S1：BIM子模块对BIM模型实体信息进行分类、提取和解析，并将提取的BIM模型实体信息存储在路径规划算法子模块中；

S2：路径规划算法子模块提取楼板的数据，解析确定楼板的长度ML、宽度NL，将楼板划分为ml×nl网格，表示向下取整，RL是物料运输车的通过半径；然后，路径规划算法子模块将楼板的边界转化为点和线的组合，以BIM模型的坐标系为路径规划算法的坐标系，记录下拐点的坐标值，拐点之间用直线代替实际边界曲线；路径规划算法的坐标系中，每个网格初始属性T赋值均为0；

S3：路径规划算法子模块虚拟建立一个与楼板平行且位于楼板上方的平面A，楼板与平面A之间距离为LL，等于物料运输车的通过高度；路径规划算法子模块提取标高超过楼板且低于平面A的模型数据，将模型的复杂边界转换成为点和线的组合，将点和线的坐标数据放置到BIM模型坐标系中，点和线所包围的区域设为不可通过区域B，当楼板网格W_ij与不可通过区域B交集不为空时，该网格属性T赋值为1；然后将所有属性T为0的网格构成一个集合，组成室内路径规划基础地图；

S4：路径规划算法子模块将物料运输车所在的位置设置为起始点，将起始点和目的地点转化为室内路径规划基础地图上的坐标点，设定物料运输车当前位置网格为W_i，该网格中心点坐标为(x_i，y_i)，路径起始点网格为W_q，该网格的中心点坐标为(x_q，y_q)，目的地点网格为W_z，该网格中心点坐标为(x_z，y_z)，构建如下所示的优先级函数f(x_i，y_i)：

f(x_i，y_i)＝g(x_i，y_i)+bh(x_i，y_i)

其中：

d₁＝|x_i-x_z|+|y_i-y_z|

式中，g(x_i，y_i)为距离起点函数；h(x_i，y_i)为距离终点综合函数；b为选择系数；a₁和a₂为距离系数，b₁、b₂和b₃为安全系数且b₃>b₂>b₁>1；d₁、d₂分别为第一距离终点函数和第二距离终点函数；

以当前位置网格W_i为中心，与之相连共有8个网格W_ik，k＝1,2…8，与这8个网格相连有16个网格W_il，l＝1,2…16；当W_ik中所有网格属性T为0且W_il中有网格属性T为1的情况，设为第一情况；当W_ik有网格属性T为1且W_il中所有网格属性T为0的情况，设为第二情况；当W_ik中有网格属性T为1且W_il中有网格属性T为1的情况，设为第三情况；

S5：路径规划算法子模块设置2个集合E₁和E₂，将起始点作为初始网格，放入E₁中，将其作为优先级别值最高的网格；

S6：判断E₁是否为空，若为空，表示S5没有将起始点放入E₁，搜索失败，搜索失败后重新返回S5，若不为空则选出该优先级别最高的网格作为当前位置网格；

S7：以S6选出的当前位置网格W_i为中心，对其相连的8个网格W_ik进行搜索，寻找其中属性T为0的网格，将满足要求的网格信息保存在E₁中，并通过S4中的公式计算各网格对应的f(x_i，y_i)值，然后选出f(x_i，y_i)值最小的网格留在E₁中，其余网格删除，并以留在E₁中的该网格作为新的当前位置网格；

S8：判断当前位置网格是否为终点，若不为终点则将其放入E₂中，然后返回S7，不断循环，若为终点，则退出循环，然后在E₂中取出从终点到起始点所有网格，组成最终的路径，进而规划出物料运输车的运行路径。

进一步地，所述智能避障模块实现避障的具体方法如下：

S1：激光测距仪实时监测前方障碍物，当激光测距仪检测到运输系统运动前方3RL处有障碍物时，面结构光相机启动并拍摄障碍物，生成障碍物的三维点云数据，避障算法子模块将障碍物三维点云数据投影到路径规划模块建立的室内路径规划基础地图上，用点和线表达障碍物轮廓线；物料运输车的通过半径为RL；

S2：避障算法子模块生成与障碍物轮廓线平行的路径线G，该路径线G与障碍物轮廓线之间距离为2RL，路径规划模块所规划出的路径与路径线G之间的交点H将路径线G分成F₁和F₂两部分，设定F₁和F₂在交点H处的切线单位向量分别为和/>交点H到目的地点的单位方向向量为/>利用下式分别计算/>与/>的夹角θ₁和θ₂：

然后，将夹角小于的路径线作为运输系统的局部避障路线，即局部路径规划，并传递给综合管理模块，综合管理模块按照该局部路径规划控制运输系统行走，实现避障。

进一步地，所述智能定位模块实现定位的具体过程如下：

S1：六轴倾角传感器实时记录物料运输车沿施工现场世界坐标系X、Y、Z三轴的角度数据θ_x、θ_y、θ_z，并发送给定位算法子模块，定位算法子模块同时接收物料运输车上的测速电机的转速数据n_r，积分计算出物料运输车中心分别在施工现场世界坐标系X、Y、Z三个方向上的位移S_x1、S_y1、S_z1：

式中，t为运行时间，r为车轮半径；

S2：高清摄像机识别施工现场的标记块，并将识别信息发送至定位算法子模块，定位算法子模块计算出高清摄像机坐标系原点在施工现场世界坐标系上的位置，则进一步计算出物料运输车中心在施工现场的位置，记为(S_x2，S_y2，S_z2)；

S3：定位算法子模块综合S1以及S2计算出的数据，重新计算物料运输车中心在施工现场的位置，即最终的物料运输车实时位置，记为(S_x，S_y，S_z)：

其中，c₁和c₂为权重系数；

S4：根据施工现场世界坐标系与BIM模型坐标系的转化关系，定位算法子模块计算出物料运输车中心在BIM模型坐标系上的位置并可视化显示出来，然后将位置数据发送给路径规划模块。

本发明具有如下有益效果：

本发明针对目前室内建筑施工运输所存在的短缺、效率低、智能化程度不高等问题，设计了一套室内施工智能物料运输系统，该运输系统能够自动进行路径规划、障碍物躲避、物料取放等操作，无需过多现场人员参与，只需输入对应目的地等数据即可实现自动化运输工作，运输作业效率高，有效提升了建筑施工的智能化、自动化水平，提高了施工精度、效率和安全性，降低人力投入和成本，解决施工现场物料无序摆放、管理效率低下、施工效率低、安全性不高等问题。

附图说明

图1为本发明所述室内施工智能物料运输系统正面结构示意图；

图2为本发明所述室内施工智能物料运输系统平面结构示意图；

图3为本发明所述室内施工智能物料运输系统各模块运行关系图；

图4为本发明所述路径线G示意图。

图中：1-物料运输车；11-车轮组件；111-驱动电机；112-轮组；113-测速电机；12-车体；13-六自由度机器人；14-抱爪；15-视觉单元；16-电池组件；2-服务器；3-智能避障模块；31-激光测距仪；4-智能定位模块；41-六轴倾角传感器；5-路径线G；6-障碍物轮廓线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、2所示，本发明所述的室内施工智能物料运输系统，包括物料运输车1以及安装在物料运输车1上的路径规划模块、智能避障模块3、智能定位模块4、综合管理模块；物料运输车1、路径规划模块、智能避障模块3、智能定位模块4均与综合管理模块信号连接，受其控制或传递各项数据信息。

如图1、2所示，物料运输车1包括车轮组件11、车体12、六自由度机器人13、抱爪14、视觉单元15、电池组件16。电池组件16通过螺栓固定安装在车体12上，为运输系统提供动力。车体12通过螺栓安装在车轮组件11上，车轮组件11包括驱动电机111、轮组112、测速电机113，驱动电机111为车轮组件11提供驱动力，驱动电机111、测速电机113均与综合管理模块连接，便于控制车轮组件11带动车体12实现行走、转向、速度调整等运动；轮组112集成有刹车部件，且由综合管理模块控制；测速电机113与轮组112中的车轮同轴连接，用于测量车轮转速。六自由度机器人13受综合管理模块控制，其通过螺栓安装在车体12上；抱爪14通过螺栓安装在六自由度机器人13末端，抱爪14上还通过螺栓安装有力传感器，力传感器与综合管理模块信号连接，传递数据。视觉单元15与综合管理模块信号连接，传递扫描得到的目标位置数据，视觉单元15包括高清摄像机，高清摄像机通过螺栓安装在靠近抱爪14位置处的六自由度机器人13机械臂上。

如图1、2所示，路径规划模块包括安装在服务器2中的BIM子模块、路径规划算法子模块；BIM子模块用于接收BIM模型，提取模型信息；路径规划算法子模块用于根据BIM子模块发送的模型信息转化为基础导航地图，按照路径规划算法生成运输系统从起点至目的地之间的行走路径，并传递给综合管理模块，综合管理模块据此控制运输系统按照指定路径行走，运输物料。

如图1、2所示，智能避障模块3包括通过螺栓安装在车体12上的面结构光相机、激光测距仪31；其中，激光测距仪31共有4个，分别位于物料运输车1外边缘四角处，用于实时获取运输系统运行路径上的障碍物信息，当运动方向上的激光测距仪31测得的距离数据小于设定阈值，表明运行路径前方有障碍物，否则，没有障碍物；面结构光相机有1个，用于测量障碍物的外形。智能避障模块3还包括避障算法子模块，安装在服务器2中，避障算法子模块接收激光测距仪31发送的障碍物信息，按照避障算法生成新的局部路径规划，并传递给综合管理模块，综合管理模块按照新的局部路径规划控制运输系统行走，实现避障，避障结束后，综合管理模块继续控制运输系统按照路径规划模块生成的新的路径行走，运输物料。

如图1、2所示，智能定位模块4包括通过螺栓安装在车体12上的高清摄像机、六轴倾角传感器41，还包括标记块；标记块摆放在施工现场，实际以施工现场的复杂程度和面积来确定放置数量，主要放置在施工现场拐点等特殊位置处；高清摄像机安装在车体12上靠近的抱爪14的拐角位置处，用于识别标记块，并将识别信息发送至安装在服务器2中的定位算法子模块进行分析处理；六轴倾角传感器41安装在车体12上，用于测量车体12沿空间三维的转动角度，并将测量数据发送至定位算法子模块。定位算法子模块根据接收到的数据，按照相应的定位算法，生成运输系统位置信息，并将该位置信息发送至路径规划模块，更新路径规划信息。

综合管理模块是运输系统的中央控制系统，安装在一台服务器2上，包括协调处理子模块、人机交互子模块、平台数据库子模块；协调处理子模块用于实现对其余各模块(包括路径规划模块、智能避障模块3、智能定位模块4)的协调调用，收集处理各个模块的数据；人机交互子模块具有输入任务命令、显示各个模块信息、显示工作日志、报警等功能；平台数据库子模块具有采集或存储运行数据、调用数据库信息的功能，实现系统智能分析和详细记录、保存数据功能。

参照图3，利用上述室内施工智能物料运输系统的物料运输方法，包括如下过程：

步骤1：运输系统整体位于标定好的初始位置处，并将该初始位置定义为施工现场世界坐标系原点和BIM模型原点，其中，施工现场世界坐标系的X轴方向为东方向，Y轴方向为北方向，Z轴方向为垂直地面向上的方向，BIM模型的X、Y、Z方向与施工现场世界坐标系相对应；首先，操作人员在服务器2的三维建模软件上建立室内建筑BIM模型，然后将BIM模型导入到路径规划模块的BIM子模块中，通过人机交互界面在BIM模型上标记出物料库和物料运输目的地的位置；

步骤2：路径规划模块按照规划算法首先生成运输系统到物料库的初始运动路径，综合管理模块按照该运动路径，发送指令至物料运输车1，控制其运动，使得运输系统整体运动到物料库；运行过程中，智能避障模块3中的激光测距仪31实时检测运动路径上的障碍物信息，当遇到障碍物时，避障算法子模块基于避障算法生成新的局部路径规划，综合管理模块根据该局部路径规划控制物料运输车1动作以躲避障碍物，避开障碍物后，路径规划模块重新更新路径，综合管理模块继续控制物料运输车1运动；运行过程中，智能定位模块4基于相应的定位算法实时定位物料运输车1在施工现场世界坐标系下实际位置坐标以及在BIM模型中的位置坐标，并传递至路径规划模块，辅助路径规划模块进行路径规划。

其中，路径规划模块实现路径规划的具体方法如下：

S1：操作人员将施工现场的基于IFC标准建立的BIM模型导入到路径规划模块的BIM子模块中，BIM子模块对BIM模型实体信息进行分类、提取和解析，并将提取的BIM模型实体信息存储在路径规划算法子模块中；

S2：路径规划算法子模块提取楼板的数据，解析确定楼板的长度ML、宽度NL，将楼板划分为ml×nl网格，其中，表示向下取整，RL是物料运输车1的通过半径；然后，路径规划算法子模块将楼板的边界转化为点和线的组合，以BIM模型的坐标系为路径规划算法的坐标系，以BIM模型的X、Y、Z方向为路径规划算法的X、Y、Z方向，记录下拐点的坐标值，拐点之间用直线代替实际边界曲线，路径规划算法的坐标系中，每个网格初始属性T赋值均为0；

S3：路径规划算法子模块虚拟建立一个平面A，平面A与楼板平行，平面A位于楼板上方，二者之间距离为LL(物料运输车1的通过高度也为LL)；路径规划算法子模块提取标高超过楼板且低于平面A的柱、墙、门、窗等模型数据，将模型的复杂边界转换成为点和线的组合，将点和线的坐标数据放置到BIM模型坐标系中，点和线所包围的区域设为不可通过区域B，当楼板网格W_ij与不可通过区域B交集不为空时，该网格属性T赋值为1，即：

将所有属性T为0的网格构成一个集合，组成室内路径规划基础地图；

S4：路径规划算法子模块将物料运输车1所在的位置设置为起始点，将起始点和目的地点转化为室内路径规划基础地图上的坐标点，设定物料运输车1当前位置网格为W_i，该网格中心点坐标为(x_i，y_i)，路径起始点网格为W_q，该网格的中心点坐标为(x_q，y_q)，目的地点网格为W_z，该网格中心点坐标为(x_z，y_z)，构建如下所示的优先级函数f(x_i，y_i)：

f(x_i，y_i)＝g(x_i，y_i)+bh(x_i，y_i)

其中：

d₁＝|x_i-x_z|+|y_i-y_z|

式中，g(x_i，y_i)为距离起点函数；h(x_i，y_i)为距离终点综合函数；b为选择系数；a₁和a₂为距离系数，b₁、b₂和b₃为安全系数且b₃>b₂>b₁>1；d₁、d₂分别为第一距离终点函数和第二距离终点函数2；

第一情况、第二情况和第三情况的解释为：以当前位置网格W_i为中心，与之相连共有8个网格W_ik，k＝1,2…8，与这8个网格相连有16个网格W_il，l＝1,2…16，当W_ik中所有网格属性T为0且W_il中有网格属性T为1的情况，设为第一情况；当W_ik有网格属性T为1且W_il中所有网格属性T为0的情况，设为第二情况；当W_ik中有网格属性T为1且W_il中有网格属性T为1的情况，设为第三情况；系数b的作用是提高附近有建筑构件的网格的优先级函数值，提高不选此点作为路径点的概率，提高所规划的路径的安全性；

S5：路径规划算法子模块设置2个集合E₁和E₂，将起始点作为初始网格，放入E₁中，将其作为优先级别值最高的网格；

S6：判断E₁是否为空，若为空，表示S5没有将起始点放入E₁，则搜索失败，搜索失败后重新返回S5，若不为空则选出该优先级别最高的网格作为当前位置网格；

S7：以S6选出的当前位置网格W_i为中心，对其相连的8个网格W_ik进行搜索，寻找其中属性T为0的网格，将满足要求的网格信息保存在E₁中，并通过S4中的公式计算各网格对应的f(x_i，y_i)值，然后选出f(x_i，y_i)值最小的网格留在E₁中，其余网格删除，并以留在E₁中的该网格作为新的当前位置网格；

S8：判断当前位置网格是否为终点，若不为终点则将其放入E₂中，然后返回S7，不断循环，若为终点，则退出循环，然后在E₂中取出从终点到起始点所有网格，组成最终的路径，进而规划出物料运输车1的运行路径。

智能避障模块3实现避障的具体方法如下：

S1：智能避障模块3中的激光测距仪31实时监测前方的障碍物，当激光测距仪31检测到运输系统运动前方3RL(RL为物料运输车1的通过半径)处有障碍物时，面结构光相机启动并拍摄障碍物，生成障碍物的三维点云数据，避障算法子模块将障碍物三维点云数据投影到路径规划模块建立的室内路径规划基础地图上，用点和线表达障碍物轮廓线6；

S2：参照图4，避障算法子模块生成与障碍物轮廓线6平行的路径线G5，该路径线G5与障碍物轮廓线6之间距离为2RL，位于物料运输车1一侧，路径规划模块所规划出的路径与路径线G5之间存在交点H，交点H将路径线G5分成F₁和F₂两部分，设定F₁和F₂在交点H处的切线单位向量分别为和/>设定交点H到目的地点的单位方向向量为/>利用下式分别计算/>与/>的夹角θ₁和θ₂：

将夹角小于的路径线作为运输系统的局部避障路线，即局部路径规划，并传递给综合管理模块，综合管理模块按照该局部路径规划控制运输系统行走，实现避障；在此过程中，激光雷达实时监测物料运输车1与障碍物之间的距离，当物料运输车1行走完成避障路线后，智能定位模块4将物料运输车1的位置信息发送给路径规划模块，路径规划模块更新路径，生成新的规划路径，物料运输车1按照新的规划路径继续向目的地前进。

智能定位模块4实现定位的具体过程如下：

S1：智能定位模块4的六轴倾角传感器41实时记录物料运输车1沿施工现场世界坐标系X、Y、Z三轴的角度数据θ_x、θ_y、θ_z，并发送给定位算法子模块，定位算法子模块同时接收车轮组件11的测速电机113的转速数据n_r，积分计算出物料运输车1中心分别在施工现场世界坐标系X、Y、Z三个方向上的位移S_x1、S_y1、S_z1：

式中，t为运行时间，r为车轮半径；

S2：高清摄像机识别施工现场的标记块，并将识别信息发送至定位算法子模块(高清摄像机在使用前进行标定工作，标定出高清摄像机拍摄的图像坐标系与世界坐标系之间的关系，标记块在工作前也放置在固定的位置，其位置坐标已知)；定位算法子模块计算出高清摄像机坐标系原点在施工现场世界坐标系上的位置，即高清摄像机在施工现场的位置，高清摄像机固定在物料运输车1上，位置已知，则进一步计算出物料运输车1中心在施工现场的位置，记为(S_x2，S_y2，S_z2)；

S3：定位算法子模块综合S1以及S2计算出的数据，重新计算物料运输车1中心在施工现场的位置，记为(S_x，S_y，S_z)：

其中，c₁和c₂为权重系数；

S4：根据施工现场世界坐标系与BIM模型坐标系的转化关系，定位算法子模块计算出物料运输车1中心在BIM模型坐标系上的位置并可视化显示出来，然后将位置数据发送给路径规划模块。

步骤3：物料运输车1带着运输系统整体到达物料库后，视觉单元15拍摄物料库的货架，生成货架和货架上的物料的图片数据，并传递至综合管理模块，综合管理模块根据当前物料运输车1的位置信息以及接收的图片数据，生成抱爪14抓取点的空间位置信息；接着，根据抱爪14和六自由度机器人13的结构关系，计算出六自由度机器人13姿态信息，六自由度机器人13根据姿态指令信息及运动学反解解算得到六自由度机器人13各关节的位置姿态信息，进而进行位置闭环运动；六自由度机器人13运动过程中，综合管理模块基于视觉单元15跟踪物料实时位置信息，并将其与六自由度机器人13实时位姿进行比较，判断六自由度机器人13实时姿态误差并进行调整，从而实现准确抓取物料；六自由度机器人13达到控制误差范围内后，综合管理模块控制抱爪14抓紧物料，抱爪14的力传感器测量抱爪14抓紧物料的力值，当力值超过设定的阈值后，表明抱爪14完成抓紧物料工作，综合管理模块控制六自由度机器人13和抱爪14回到设定的运输位置处，取料工作完成。

步骤4：路径规划模块按照同样的原理生成从物料库到物料运输目的地的运动路径，综合管理模块按照该运动路径控制物料运输车1运动，运行过程中，如果遇到障碍物，智能避障模块3启动，生成局部避障路径，避开障碍后，路径规划模块更新路径，综合管理模块继续按照新的路径控制物料运输车1运动；在此过程中，智能定位模块4实时定位物料运输车1在施工现场以及BIM模型中的位置坐标。

步骤5：物料运输车1到达物料运输目的地后，视觉单元15拍摄目的地的物料放置平台，生成物料放置平台的图片数据，综合管理模块根据当前物料运输车1的位置信息和接收的图片数据，生成物料放置点以及抱爪14应到位置的空间位置信息；根据抱爪14和六自由度机器人13的结构关系，综合管理模块计算出六自由度机器人13姿态信息，六自由度机器人13根据姿态指令信息及运动学反解解算得到六自由度机器人13各关节的位置姿态信息，进而进行位置闭环运动；运动过程中，基于视觉单元15跟踪抱爪14应到位置的实时位置信息，并将其与六自由度机器人13实时位姿进行比较，判断六自由度机器人13实时姿态误差，从而达到实时准确控制其至指定目标位置；六自由度机器人13达到控制误差范围内后，综合管理模块控制抱爪14松开物料，抱爪14的力传感器测量抱爪14抓紧物料的力值，当力值小于设定的阈值后，抱爪14完成松开物料工作；综合管理模块控制六自由度机器人13和抱爪14回到设定的运输位置；至此物料运输车1运输物料工作完成。

步骤6：重复步骤1至5，继续进行下一趟物料运送工作，直至所有所需的物料运送完成。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用室内施工智能物料运输系统的运输方法，其特征在于，室内施工智能物料运输系统包括物料运输车(1)以及安装在物料运输车(1)上的路径规划模块、智能避障模块(3)、智能定位模块(4)、综合管理模块；物料运输车(1)、路径规划模块、智能避障模块(3)、智能定位模块(4)均与综合管理模块信号连接，受其控制或传递各项数据信息；智能避障模块(3)包括安装在物料运输车(1)上的面结构光相机、激光测距仪(31)，还包括安装在服务器(2)中的避障算法子模块；智能定位模块(4)包括安装在物料运输车(1)上的高清摄像机、六轴倾角传感器(41)以及摆放在施工现场的标记块；

运输方法包括如下过程：

步骤1：运输系统整体位于标定好的初始位置处，将该初始位置定义为施工现场世界坐标系原点和BIM模型原点；操作人员在服务器(2)的三维建模软件上建立室内建筑BIM模型，导入路径规划模块中的BIM子模块，通过人机交互界面在BIM模型上标记出物料库和运输目的地位置；

步骤2：路径规划模块按照路径规划算法首先生成运输系统到物料库的初始运动路径，综合管理模块按照该运动路径控制物料运输车(1)运动，直至运输系统整体运动到物料库；运动过程中，激光测距仪(31)实时检测运动路径上的障碍物信息，遇到障碍物时，避障算法子模块基于避障算法生成新的局部路径规划，综合管理模块根据该局部路径规划控制物料运输车(1)躲避障碍物，避开障碍物后，路径规划模块重新更新路径，综合管理模块继续控制物料运输车(1)运动；运动过程中，智能定位模块(4)基于定位算法实时定位物料运输车(1)在施工现场世界坐标系下实际位置坐标以及在BIM模型中的位置坐标，并传递至路径规划模块，辅助路径规划模块进行路径规划；

步骤3：运输系统整体到达物料库后，综合管理模块控制物料运输车(1)上的六自由度机器人(13)运动，抓取物料；

步骤4：路径规划模块重新生成从物料库到运输目的地的运动路径，综合管理模块根据该路径继续控制物料运输车(1)朝着运输目的地运动；

步骤5：运输系统到达运输目的地后，综合管理模块控制六自由度机器人(13)运动，放置物料；

步骤6：重复步骤1至5，继续进行下一趟物料运送工作，直至所有物料运送完成；

所述路径规划模块实现路径规划的具体方法如下：

S1：BIM子模块提取BIM模型实体信息并存储在路径规划算法子模块中；

S2：路径规划算法子模块提取楼板的数据，解析确定楼板的长度、宽度，将楼板进行网格划分，然后将楼板的边界转化为点和线的组合，以BIM模型的坐标系为路径规划算法的坐标系，记录下拐点的坐标值，拐点之间用直线代替实际边界曲线；路径规划算法的坐标系中，每个网格初始属性T赋值均为0；

S3：路径规划算法子模块虚拟建立与楼板平行且位于楼板上方的平面A，楼板与平面A之间距离等于物料运输车(1)的通过高度；路径规划算法子模块提取标高超过楼板且低于平面A的模型数据，将模型的复杂边界转换成为点和线的组合，将点和线的坐标数据放置到BIM模型坐标系中，点和线所包围的区域设为不可通过区域B，当楼板网格W_ij与不可通过区域B交集不为空时，该网格属性T赋值为1；然后将所有属性T为0的网格构成一个集合，组成室内路径规划基础地图；

S4：路径规划算法子模块将物料运输车(1)所在的位置设置为起始点，将起始点和目的地点转化为室内路径规划基础地图上的坐标点，设定物料运输车(1)当前位置网格为W_i，该网格中心点坐标为(x_i，y_i)，路径起始点网格为W_q，该网格的中心点坐标为(x_q，y_q)，目的地点网格为W_z，该网格中心点坐标为(x_z，y_z)，构建如下所示的优先级函数f(x_i，y_i)：

f(x_i，y_i)＝g(x_i，y_i)+bh(x_i，y_i)

其中：

d₁＝|x_i-x_z|+|y_i-y_z|

式中，g(x_i，y_i)为距离起点函数；h(x_i，y_i)为距离终点综合函数；b为选择系数；a₁和a₂为距离系数，b₁、b₂和b₃为安全系数且b₃>b₂>b₁>1；d₁、d₂分别为第一距离终点函数和第二距离终点函数；

以当前位置网格W_i为中心，与之相连共有8个网格W_ik，k＝1,2…8，与这8个网格相连有16个网格W_il，l＝1,2…16；当W_ik中所有网格属性T为0且W_il中有网格属性T为1的情况，设为第一情况；当W_ik有网格属性T为1且W_il中所有网格属性T为0的情况，设为第二情况；当W_ik中有网格属性T为1且W_il中有网格属性T为1的情况，设为第三情况；

S5：路径规划算法子模块设置2个集合E₁和E₂，将起始点作为初始网格，放入E₁中，将其作为优先级别值最高的网格；

S6：判断E₁是否为空，若为空，表示S5没有将起始点放入E₁，搜索失败，搜索失败后重新返回S5，若不为空则选出该优先级别最高的网格作为当前位置网格；

S7：以S6选出的当前位置网格W_i为中心，对其相连的8个网格W_ik进行搜索，寻找其中属性T为0的网格，将满足要求的网格信息保存在E₁中，并通过S4中的公式计算各网格对应的f(x_i，y_i)值，然后选出f(x_i，y_i)值最小的网格留在E₁中，其余网格删除，并以留在E₁中的该网格作为新的当前位置网格；

S8：判断当前位置网格是否为终点，若不为终点则将其放入E₂中，然后返回S7，不断循环，若为终点，则退出循环，然后在E₂中取出从终点到起始点所有网格，组成最终的路径，进而规划出物料运输车(1)的运行路径；

所述智能避障模块(3)实现避障的具体方法如下：

S1：激光测距仪(31)实时监测前方障碍物，当激光测距仪(31)检测到运输系统运动前方3RL处有障碍物时，面结构光相机启动并拍摄障碍物，生成障碍物的三维点云数据，避障算法子模块将障碍物三维点云数据投影到路径规划模块建立的室内路径规划基础地图上，用点和线表达障碍物轮廓线(6)；物料运输车(1)的通过半径为RL；

S2：避障算法子模块生成与障碍物轮廓线(6)平行的路径线G(5)，该路径线G(5)与障碍物轮廓线(6)之间距离为2RL，路径规划模块所规划出的路径与路径线G(5)之间的交点H将路径线G(5)分成F₁和F₂两部分，设定F₁和F₂在交点H处的切线单位向量分别为和/>交点H到目的地点的单位方向向量为/>分别计算/>与/>的夹角θ₁和θ₂；

然后将夹角小于的路径线作为运输系统的局部避障路线，即局部路径规划，并传递给综合管理模块，综合管理模块按照该局部路径规划控制运输系统行走，实现避障。

2.根据权利要求1所述的运输方法，其特征在于，所述智能定位模块(4)实现定位的具体过程如下：

S1：六轴倾角传感器(41)实时记录物料运输车(1)沿施工现场世界坐标系X、Y、Z三轴的角度数据θ_x、θ_y、θ_z，并发送给定位算法子模块，定位算法子模块同时接收物料运输车(1)上的测速电机(113)的转速数据n_r，积分计算出物料运输车(1)中心分别在施工现场世界坐标系X、Y、Z三个方向上的位移S_x1、S_y1、S_z1：

式中，t为运行时间，r为车轮半径；

S2：高清摄像机识别施工现场的标记块，并将识别信息发送至定位算法子模块，定位算法子模块计算出高清摄像机坐标系原点在施工现场世界坐标系上的位置，则进一步计算出物料运输车(1)中心在施工现场的位置，记为(S_x2，S_y2，S_z2)；

S3：定位算法子模块综合S1以及S2计算出的数据，重新计算物料运输车(1)中心在施工现场的位置，即最终的物料运输车(1)实时位置，记为(S_x，S_y，S_z)：

其中，c₁和c₂为权重系数；

S4：根据施工现场世界坐标系与BIM模型坐标系的转化关系，定位算法子模块计算出物料运输车(1)中心在BIM模型坐标系上的位置并可视化显示出来，然后将位置数据发送给路径规划模块。