专利名称：基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于检测技术领域的实时三维场景重建与挖掘机避碰系统，特别是一种基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统。
背景技术：
气压沉箱工法是在沉箱下部设置一个气密性高的钢筋混凝土结构工作室，向工作室内注入压力与刃口处地下水压力相等的压缩空气，使设备在无水的环境下进行挖土、排土，箱体在本身自重以及上部荷载的作用下下沉到指定深度，最后在沉箱结构面底部浇筑混凝土底板的一种工法。该施工方法具有施工量少、结构强度大、可以充分利用狭小的施工空间资源、施工安全可靠、对周围建筑物无影响等优点。但是，工人在高压的环境下工作，不仅工作效率低，更严重的是工人易患沉箱病，严重损害工人健康。
无人工法是针对克服有人工法的上述缺点，而开发的一种彻底避免有人操作的全部自动化机械的工法，最大的特点是无人进箱，所有作业全部使用遥控机械完成，故作业人员得到彻底解放；作业时间不受限制，故挖掘效率大大提高，进而促使成本降低，施工安全可靠。当气压沉箱采用无人化、自动化、信息化和人工呼吸保护系统等高新技术后，将使得地下空间的开发利用，可以向大深度、大面积的方向发展，可较好的适应经济建设和社会发展的需求。地表遥控的无人工法是利用安装在沉箱挖掘铲上的摄像机和设置于箱内天顶上的监视摄像机拍摄到的沉箱内的土质状况、沉箱挖掘铲及排土系统工作状况的图像信息，经电缆传送给地表中央控制室内的监视器。操作人员通过观察监视器进行取、装土等操作。摄像机传来的图像虽然清晰直观，但由于是二维图像画面，施工管理人员和沉箱挖掘机操作人员现场感不强，不利于沉箱施工管理。再加上受摄像机安装角度的影响，沉箱挖掘机操作人员也会发生误判，挖掘机容易发生碰撞，造成事故。
经对现有技术文献的检索发现，日本发明专利(专利号JP1165827)公布了一种利用工业摄像机组成的沉箱内地质监视系统，这种方法无法显示沉箱内三维地貌。日本发明专利(专利号JP1165830)提出了一种利用报警传感器对沉箱挖掘机的位置进行测量计算，当挖掘机之间互相接近时发出报警，这种方法虽然在几个挖掘机靠近时能够报警，但是，使用此种方法实现挖掘机对沉箱环境的认识有困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，使其能实时地采集沉箱内的地貌状况，实时远距离传输沉箱内三维地貌数据，对采集的信息进行建模还原，为沉箱操作人员提供沉箱工作室内实时三维的场景，同时，该系统还对采集的信息进行分析建模，对挖掘机运动进行跟踪，提供可靠的挖掘机避碰信息，以保证施工操作舒适和安全，并为挖掘机器人智能挖掘打下基础。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四个模块传感器模块、运动控制模块、三维地貌建模与显示模块、挖掘机避碰算法模块。传感器模块采集沉箱工作室内地表、工作室内各物体表面数据和挖掘机位置数据，通过串口传输到地面控制区室内主机，为三维地貌建模与显示模块和挖掘机避碰算法模块提供数据；运动控制模块控制传感器模块绕减速机旋转轴旋转，以得到沉箱工作室的三维信息；三维地貌建模与显示模块对传感器模块送来的数据以及运动控制模块传来的角度数据进行三维图像建模、还原，并通过显示模块准确地显示出沉箱工作室内的三维场景；挖掘机避碰算法模块对三维地貌建模与显示模块场景进行算法处理，得到挖掘机的位置、姿态、并进行运动跟踪，进而进行智能避碰运算。
所述的传感器模块，安装在沉箱工作室内顶板，传感器模块由激光扫描传感器、激光测距传感器、倾角传感器组成，其采集数据对象为沉箱内地貌状况、工作室内设备表面数据和挖掘机位置数据，激光扫描传感器对沉箱工作室地面进行扫描，采集沉箱工作室地面信息；激光测距传感器测量挖掘机位置信息；倾角传感器采集沉箱工作室顶板姿态信息。激光扫描传感器、激光测距传感器和倾角传感器的安装位置要严格保证采集的数据在允许的误差范围，一般要求不大于50mm；选择的激光扫描传感器的扫描精度为10mm，选择的激光测距传感器误差为1mm；选择的倾角传感器测量精度为0.01度；即可保证采集到的数据满足系统精度要求，采集到的数据经串口传输到地面控制区室内主机处理。
所述的运动控制模块负责控制激光扫描传感器绕蜗轮减速机旋转轴旋转，这样激光扫描传感器得到的数据再加上运动控制模块的角度数据进行综合就可得到沉箱工作室内地貌和设备表面的三维数据，运动控制模块主要由步进电机和高精密蜗轮减速机组成。步进电机驱动激光扫描传感器绕减速机旋转轴旋转，高精密蜗轮减速机对步进电机输出转速进行变速以得到需要的扭矩和转速。
所述的三维地貌建模与显示模块对激光传感器模块传来的数据再加上运动控制模块传来的角度数据进行数据合成，得到原始三维数据，该模块对原始三维数据优化，再进行三维分割，分割得到沉箱工作室内各设备的表面信息和沉箱工作室内地貌信息，对这些信息进行场景重构，这样就可准确地并实时显示出沉箱内的地貌三维形状及各设备形状和姿态。该模块还可以实现对感兴趣对象区域的不同角度和不同放大比例的观察，使操作者有身临其境的感觉。
所述的挖掘机避碰算法模块根据三维地貌建模与显示模块场景重构后的数据进行处理，得到挖掘机的当前位置和姿态，并根据历史信息采用隐马尔可夫模型(HMM)算法对挖掘机运动速度和方式进行预测，计算出沉箱内挖掘机与其周围环境的距离信息，并根据用户所设定的安全距离，在可能超过安全距离的情况下，给操作者提供报警信号。
本发明的系统可以通过对沉箱工作室内三维场景的实时、准确显示；并对挖掘机进行避碰报警；使施工管理者和操作者观察到三维图像，从而有身临其境的感觉；同时，该系统能实现挖掘机智能避碰；这样可以避免挖掘机操作者由于观察判断失误等原因造成的挖掘机碰撞，从而实现安全生产。该系统改善了操作环境，提高了安全性能，从而可提高生产效率，增加了企业的生产效益。
图1为本发明原理框2为本发明激光扫描传感器与运动控制模块示意3为安装布置图具体实施方式
以下结合附图对本发明的系统作进一步描述。
如图1所示，本实施例包括四个模块传感器模块、运动控制模块、三维地貌建模与显示模块、挖掘机避碰算法模块。传感器模块包括激光扫描传感器7、激光测距传感器10和倾角传感器3，这些传感器采集到的数据送到三维地貌建模与显示模块；运动控制模块包括运动控制器9、步进电机5、蜗轮减速机4，运动控制模块控制传感器模块中的激光扫描传感器7绕减速机旋转轴8旋转，并且将旋转的角度传送给三维地貌建模与显示模块；三维地貌建模与显示模块利用倾角传感器3传来的数据进行坐标标定，将激光扫描传感器7送来的数据换算为三维坐标数据，在此基础上进行数据融合，把融合的数据进行三维场景分割，利用激光测距传感器10送来的数据确定挖掘机11的位置，识别挖掘机11和其他物体；在此基础上进行三维场景重建，并显示；三维地貌建模与显示模块还将计算所得的挖掘机信息、地表及沉箱内物体信息送到挖掘机避碰算法模块；挖掘机避碰算法模块利用三维地貌建模与显示模块送来的数据和挖掘机历史数据，采用隐马尔可夫模型(HMM)算法预测得到挖掘机下一步姿态和位置信息，根据用户设定的安全距离进行报警。
传感器模块中的激光扫描传感器7、倾角传感器3和运动控制模块中的步进电机5、蜗轮减速机4组合在一起成为一个组合件安装在沉箱工作室1顶板上。如图2所示，激光扫描传感器7安装在减速机4上；由步进电机5带动减速机4旋转，使激光扫描传感器7绕轴8旋转，以得到整个沉箱工作室内的三维数据。为防止由于沉箱内设备对激光扫描传感器7的遮挡，一般采用两台激光扫描传感器7，其安装如图3所示，倾角传感器3、安装架2安装在沉箱顶板上。本实施例中激光传感器采用德国Sick公司生产的型号为LMS291的LaserScanner，其扫描范围为0-180度，采用的分辨率为0.25度，这样每53ms扫描180度，每53ms得到721个扫描点的数据，这些数据通过串口传输到主处理器PC机，主处理PC机利用步进电机角度信息，和倾角传感器3信息，得到扫描点的三维信息；倾角传感器3采集沉箱工作室顶板姿态信息，倾角传感器3采用双轴倾角传感器3，如图2所示，倾角传感器3安装在运动控制模块的安装架2上，和激光扫描传感器7及运动控制模块一起安装在沉箱工作室顶板1上。对倾角传感器3的数据进行运算可以得到激光扫描传感器7的坐标原点信息和沉箱工作室顶板倾角。传感器模块中的激光测距传感器10安装在挖掘机11导轨一端；如图3所示激光测距传感器10安装在导轨一端，以测量挖掘机5上某一基准点的位置，对该位置数据进行换算得到挖掘机11的位置信息。
运动控制模块由步进电机5、蜗轮减速机4和运动控制器9组成；如图2所示其步进电机5与蜗轮减速机4组合在一起，带动激光扫描传感器7旋转；步进电机采用两相；蜗轮减速机减速比为50∶1；运动控制器9采用DSP控制步进电机驱动器，步进电机驱动器采用高性能M860驱动器.运动控制模块负责带动激光扫描传感器7旋转，由于激光传感器扫描是一个平面，要得到三维信息，需要该扫描平面的位置信息。运动控制模块利用步进电机5来带动激光传感器绕旋转轴8旋转，图2中运动控制器9将步进电机的旋转角度信息经CAN总线送至地表控制室内主处理器，经过运算得到每个扫描点的三维数据信息。
三维地貌建模与显示模块是在地表控制室内主处理器PC机上完成的， 倾角传感器3送来的沉箱顶板姿态信息，经过运算得到激光扫描传感器7扫描原点坐标，对此坐标进行标定，利用运动控制模块送来的旋转角度信息将激光扫描传感器7扫描的数据在此坐标内进行转换运算，得到沉箱三维数据，然后对两台激光扫描传感器7的三维坐标数据进行融合；将融合的数据进行场景分割，将场景分割成沉箱四壁，沉箱工作室地面、沉箱工作室地面上设备及挖掘机共四部分；利用激光测距传感器4识别出挖掘机所在的精确位置，进而运算得到挖掘机当前位置和姿态.在此基础上，对场景分割得来的不同物体，分别采用OpengGL技术中的合适渲染和纹理方法将沉箱内的三维场景实时建立起来，在显示器上显示出真实真观的沉箱工作室三维场景。
挖掘机避碰算法模块使用三维地貌建模与显示模块场景分割后得来的挖掘机位置信息，并利用挖掘机历史信息，利用隐马尔可夫模型(HMM)算法对挖掘机的速度和运动状态进行预测，得到下一步的挖掘位置和姿态信息，根据用户设定的安全距离进行避碰报警，隐马尔可夫模型(HMM)算法是一种成熟的算法，它具有使用方便，运算效率高的特点，本发明中使用此种方法可以满足挖掘机避碰报警的要求。
权利要求
1.一种基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，包括四个模块传感器模块、运动控制模块、三维地貌建模与显示模块和挖掘机避碰算法模块，其特征在于所述的传感器模块采集沉箱工作室内地表、工作室内各物体表面数据和挖掘机位置数据，通过串口传输到地面控制区室内主机，为三维地貌建模与显示模块和挖掘机避碰算法模块提供数据；所述的运动控制模块控制传感器模块绕减速机旋转轴旋转，以得到沉箱工作室的三维信息；所述的三维地貌建模与显示模块对传感器模块送来的数据以及运动控制模块传来的角度数据进行三维图像建模、还原，并通过显示模块准确地显示出沉箱工作室内的三维场景；所述的挖掘机避碰算法模块对三维地貌建模与显示模块场景进行处理，得到挖掘机的位置、姿态、并进行运动跟踪，进而进行智能避碰运算。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，其特征是，所述的传感器模块，由激光扫描传感器、激光测距传感器、倾角传感器组成，其采集数据对象为沉箱内地貌状况、工作室内设备表面数据和挖掘机位置数据，激光扫描传感器对沉箱工作室地面进行扫描，采集沉箱工作室地面信息，激光测距传感器测量挖掘机位置信息，倾角传感器采集沉箱工作室顶板姿态信息，采集到的数据经串口传输到地面控制区室内主机处理。
3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，其特征是，所述的激光扫描传感器、激光测距传感器和倾角传感器的安装位置保证采集的数据误差小于等于50mm；所述的激光扫描传感器的扫描精度为10mm，所述的激光测距传感器误差为1mm；所述的倾角传感器测量精度为0.01度。
4.根据权利要求1所述的基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，其特征是，所述的运动控制模块，负责控制激光扫描传感器绕蜗轮减速机旋转轴旋转，这样激光扫描传感器得到的数据再加上运动控制模块的角度数据进行综合就能得到沉箱工作室内地貌和设备表面的三维数据。
5.根据权利要求1所述的基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，其特征是，所述的三维地貌建模与显示模块，对激光传感器模块传来的数据再加上运动控制模块传来的角度数据进行数据合成，得到原始三维数据，该模块对原始三维数据优化，再进行三维分割，分割得到沉箱工作室内各设备的表面信息和沉箱工作室内地貌信息，对这些信息进行场景重构，这样就能准确地并实时显示出沉箱内的地貌三维形状及各设备形状和姿态，该模块还实现对感兴趣对象区域的不同角度和不同放大比例的观察。
6.根据权利要求1所述的基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，其特征是，所述的挖掘机避碰算法模块，根据三维地貌建模与显示模块场景重构后的数据进行处理，得到挖掘机的当前位置和姿态，并根据历史信息采用隐马尔可夫模型算法对挖掘机运动速度和方式进行预测，计算出沉箱内挖掘机与其周围环境的距离信息，并根据用户所设定的安全距离，在可能超过安全距离的情况下，给操作者提供报警信号。
全文摘要
一种基于激光扫描的沉箱三维场景重建与挖掘机避碰系统，包括四个模块传感器模块采集沉箱内地貌信息、沉箱工作室顶板倾角和挖掘机位置信息，并对采集的数据送给三维地貌建模与显示模块；运动控制模块控制激光传感器沿其扫描的平面一条垂直轴旋转，从而辅助系统得到三维信息；三维地貌建模与显示模块对传感器模块送来的信息以及运动控制模块传来的角度信息进行建模和三维场景重建，在显示器上准确地显示出沉箱内的地貌三维形状；挖掘机避碰算法模块根据三维地貌建模与显示模块的信息和历史信息对挖掘机位置和姿态进行预测并进行避碰报警。本发明实现箱工作室三维场景重建与挖掘机避碰，为气压沉箱无人化精确施工提供了依据。
文档编号G06T15/00GK1970894SQ20061011757
公开日2007年5月30日 申请日期2006年10月26日 优先权日2006年10月26日
发明者曹其新, 李宝顺, 李耀良, 张蕾, 赵言正, 付庄 申请人:上海交通大学