一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统和方法与流程

1.本发明涉及车载传感器定位系统，更具体地说，涉及一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统和方法。


背景技术：

2.集装箱轮胎吊是集装箱码头内堆场中应用最广泛的集装箱起重机。它的主要功能是运输和装卸标准集装箱，即按照码头制定的规则将运输车辆上的作业箱堆放到码头堆场中的指定位置，或将堆场内的作业箱装载到运输车辆上，或者将堆场内的作业箱堆放到堆场中的另一个指定位置，进而完成对集装箱的运输、控制和管理。自动化轮胎吊作为实现集装箱码头无人化的关键技术装备之一，其自动化作业水平直接影响到自动化码头的作业效率。
3.目前，集装箱货运的飞速发展对轮胎吊装卸效率的要求越来越高，但由于堆场内集装箱的高密度堆放约束了轮胎吊大车的行驶空间，特别是采用“油改电”技术的轮胎吊，为适应刚性的滑触线，在直线行驶过程中的侧向位移不能超过50cm。轮胎吊大车没有固定的行驶轨道，为避免与集装箱或车辆发生碰撞，需要司机在离地面20m左右的司机室中，长时间低头进行手动纠偏。当堆场内的堆箱层数较高时，尤其在夜晚作业时，司机很难看清楚轮胎吊大车行驶的基准线，稍有不慎就会发生碰撞事故。即使轮胎吊走偏后没有发生碰撞事故，往往需要反复行驶来重新调整庞大的轮胎吊大车的位置和姿态，增加了轮胎吊的作业时间、作业油耗和轮胎磨损。因此，研究轮胎吊大车的自动驾驶技术成为解决上述问题的重要途径，其中轮胎吊大车的导航系统和方法就是其中重要的课题之一。
4.目前，已有的轮胎吊大车的导航方法主要有：基于差分信号的卫星导航方法，基于地面埋设检测体的磁导航方法，基于地面画线和图像识别的机器视觉导航方法和基于激光、超声波或红外测距的光波测距导航方法。其中，基于差分信号的卫星导航系统由于成本高，稳定性差，定位精度往往会受天气、吊车、集装箱、灯塔等障碍物的影响出现信号盲区和短周期的跳动，在集装箱码头的应用推广具有严重的局限性，且不具备障碍物检测功能。基于地面埋设检测体的磁导航系统需要对堆场地面实施土建工程，且系统还会受到地面时常散落的金属碎片的干扰，对应用场景的要求比较高，也不具备障碍物检测功能。基于地面画线和图像识别的机器视觉导航系统由于其基准线易受污染，无法满足堆场全天候作业的要求，限制了它的应用和推广，也不具备障碍物检测功能。基于激光、超声波或红外测距的导航系统虽具备一定的障碍物检测功能，但需要借助环境地图的构建来达到定位的目的，故对轮胎吊周围环境的要求较高，对于动态多变的码头环境难以正确反映轮胎吊大车的实际位置。
5.激光雷达(laser radar)是由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，其工作原理是在多个不同方向上，通过发射激光束探测与目标物体之间的距离。该过程是通过分析处理向目标发射的探测信号和接收到的反射信号,得到激光雷达与目标物体之间的距离信息。由多个不同方向上的距离值，通过坐标转换，就得到了目标物体的空间三维
点云数据。由于激光雷达的分辨率高，不受光照影响，已成为自动驾驶系统中的关键传感设备，尤其是自动导引车辆不可缺少的传感器，被广泛用于障碍物检测、生成高精地图、实时定位、障碍物分类、障碍物跟踪等。
6.目前，基于激光雷达的同步定位和绘图技术(slam)在无人驾驶大范围环境中实现了自主定位与障碍物检测能力，但很难适应码头中的堆场环境。特别是当堆场中的集装箱数量和位置经常变化时，对激光雷达slam的要求非常高，很难做到同时定位与更新环境高精地图，导致基于激光雷达slam的导航方案不可用。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统和方法，解决轮胎吊行驶作业过程中的大车导航问题，即可以获得大车相对于行驶基准线的二维坐标位置偏差和朝向角度偏差，获得大车周围的障碍物信息。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一方面，一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统，包括：
10.环境特征模块，设于轮胎吊大车的直行行驶道路的一侧；
11.激光雷达模块，设于所述轮胎吊大车上；
12.信息处理单元，设于所述轮胎吊大车的电气房内，并与所述激光雷达模块通过tcp/ip网络建立通讯。
13.较佳的，所述环境特征模块包括n个方形立柱；
14.所述方形立柱位于所述轮胎吊大车的同一侧，且布置成一条直线。
15.较佳的，所述方形立柱的长度和宽度均为l，高度为h；
16.其中，0.4≥l≥0.1，5.0≥h≥1.0，单位为米。
17.较佳的，所述方形立柱竖直固定于地面上；
18.所述方形立柱的四个侧面上均贴有反光材料。
19.较佳的，所述激光雷达模块包括四个三维激光雷达；
20.所述三维激光雷达分别设于所述轮胎吊大车的四个角位置；
21.所述三维激光雷达水平向设置，距离地面的高度为0.5m～1m；
22.水平向的探测区域角度大于270
°
。
23.另一方面，一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航方法，采用所述的适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统以执行轮胎吊大车的定位流程和周围的障碍物列表获取流程，获得所述轮胎吊大车的导航结果。
24.较佳的，所述轮胎吊大车的定位流程具体包括以下步骤：
25.s1、根据所述方形立柱的排布规则，对所有所述方形立柱的顶点和边线进行均匀采样，得到环境特征点云：p＝{(xi,yi)}(i＝1,2,
…
,n
p
)；
26.s2、标定四个所述三维激光雷达，获得四个激光雷达坐标系o
ri
x
riyrizri
(i＝1,2,3,4)与车体坐标系ocxcyczc之间的转换关系t
ri
→c(i＝1,2,3,4)；
27.s3、采集四个所述三维激光雷达的点云数据，并进行坐标转换，得到车体坐标系ocxcyczc下的点云集合s＝{(xi,yi,zi)}(i＝1,2,
…
,ns)；
28.s4、对所述点云集合s进行滤波，去除干扰点；
29.s5、分离地面获得地面上方的目标点云；
30.s6、聚类提取出所述方形立柱在ocxcyc平面上的点云投影集合q＝{(xi,yi)}(i＝1,2,
…
,nq)；
31.s7、利用icp算法，计算出点云集合q到点云集合p的转换关系，即车体坐标系ocxcyc到堆场坐标系owx
wyw
的转换关系tc→w；
32.s8、输出所述轮胎吊大车的二维坐标和姿态信息。
33.较佳的，所述步骤s1中，所述方形立柱的排布规则具体如下：
34.1)将堆场长度l平均分成m2段，每一段的长度为
35.2)将m2段线段的顶点按照顺序标记为1,2,
…
,m2+1；
36.3)在顶点标号为km+k+1(k＝0,1,2,
…
,m)处，布置所述方形立柱，共计m+1个所述方形立柱；
37.4)在顶点标号为km+k+1(k＝1,2,
…
,m-1)处，布置所述方形立柱，共计m-1个所述方形立柱。
38.较佳的，所述堆场每一段长度需满足：
39.单位为米，即m选取满足的整数。
40.较佳的，所述轮胎吊大车周围的障碍物列表获取流程具体包括以下步骤：
41.步骤1、标定四个所述三维激光雷达，获得四个激光雷达坐标系o
ri
x
riyrizri
(i＝1,2,3,4)与车体坐标系ocxcyczc之间的转换关系t
ri
→c(i＝1,2,3,4)；
42.步骤2、采集四个所述三维激光雷达的点云数据，并进行坐标转换，得到车体坐标系ocxcyczc下的点云集合s＝{(xi,yi,zi)}(i＝1,2,
…
,ns)；
43.步骤3、对所述点云集合s进行滤波，去除干扰点；
44.步骤4、分离地面获得地面上方的目标点云；
45.步骤5、分割聚类得到地面上方的目标点云子块；
46.步骤6、计算所有所述目标点云子块的位置和外轮廓尺寸数据；
47.步骤7、排序所述目标点云子块形成输出列表；
48.步骤8、输出所述轮胎吊大车周围的障碍物列表信息。
49.本发明所提供的一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统和方法，采用环境方形立柱特征与激光雷达测距相结合的方式，它利用了环境方形立柱易识别，按照一定规则分布的特性，以及激光雷达点云数据不受光照等影响的特点，能够克服动态环境的变化，和各种各样的干扰信号的影响，获得稳定且可靠的轮胎吊大车导航结果。本发明充分利用了激光雷达的测距特性和点云特征，可以解决轮胎吊行驶作业过程中的大车导航问题，即可以获得大车相对于行驶基准线的二维坐标位置偏差和朝向角度偏差，获得大车周围的障碍物信息。这些检测信息可以为轮胎吊的自动驾驶提供信息依据，降低事故发生的风险，减轻驾驶员的劳动强度、降低损耗、减少污染、提高效率。本发明自适应能力强，能够适应堆场区域中集装箱数量变化和位置变化等工况，确保系统能够正常作业。本专利系统
结构简单、安全可靠、经济实用、绿色环保、适用范围广泛，能够为轮胎吊的自动驾驶提供定位信息和周围环境中的障碍物列表信息，从而为轮胎吊的自动驾驶提供依据。
附图说明
50.图1是本发明激光雷达导航系统的框架示意图；
51.图2是本发明激光雷达导航系统的布置示意图；
52.图3是本发明激光雷达导航系统中方形立柱的示意图，其中，(a)为正视图，(b)为俯视图；
53.图4是本发明激光雷达导航系统中堆场区域定义坐标系的示意图；
54.图5是本发明激光雷达导航方法中轮胎吊大车的定位流程的示意图；
55.图6是本发明激光雷达导航方法中轮胎吊大车周围的障碍物列表获取流程的示意图。
具体实施方式
56.为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
57.结合图1和图2所示，本发明所提供的一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统，包括：
58.环境特征模块，设于轮胎吊大车4的直行行驶道路的一侧；
59.激光雷达模块，设于轮胎吊大车4上，与环境特征模块之间通常是可视的；
60.信息处理单元(选用工业计算机3)，设于轮胎吊大车4的电气房内，并与激光雷达模块通过tcp/ip网络建立通讯。
61.结合图1至图3所示，环境特征模块包括n个方形立柱1，方形立柱1位于轮胎吊大车4的同一侧，且布置成一条直线，n个方形立柱1所形成的直线与轮胎吊大车4的直线行驶方向平行。
62.方形立柱1为一个长方体，长度和宽度均为l，高度为h，其中，0.4≥l≥0.1，5.0≥h≥1.0，单位为米。方形立柱1竖直固定于地面上，其四个侧面上均贴有反光材料，使得能够高强度地原路返回三维激光雷达2发射出的激光束，便于三维激光雷达2能够较容易地从点云数据中提取出方形立柱1的轮廓和位置。
63.激光雷达模块包括四个三维激光雷达2，分别设于轮胎吊大车1的四个角位置，三维激光雷达2水平向设置，距离地面的高度为0.5m～1m，水平向的探测区域角度大于270
°
，使得三维激光雷达2的探测区域能够覆盖到轮胎吊大车4的行驶区域，尽可能多地覆盖方形立柱1，减少可视遮挡。
64.四个三维激光雷达2把采集到的周围环境三维点云数据传输给工业计算机3，工业计算机3中运行的点云数据处理程序通过坐标变换、滤波、聚类和分割等处理来获得当前轮胎吊大车4的二维坐标位置和姿态信息，以及周围环境的障碍物列表信息。
65.工业计算机3必须对四个三维激光雷达2的点云数据信息进行判断，判断其是否有效。如果信息无效时长超过了一个设定的安全阈值，系统必须采用相应的策略，如报警。
66.轮胎吊大车4的期望轨迹与n个方形立柱1所在的直线始终保持平行，且轮胎吊大
车4的期望轨迹与该直线的距离不能太远，以满足激光雷达模块能够获取方形立柱1上足够多的点云数据。
67.结合图4所示，在堆场区域定义了三个坐标系统：坐标系owx
wywzw
为堆场坐标系，它的原点在地面上，且位于方形立柱1的中心，owxw轴在地面上，且与n个方形立柱1所在的直线平行，o
wzw
轴垂直于地面向上，与方形立柱1的高度方向平行，o
wyw
轴在地面上，方向由右手定则确定。坐标系ocxcyczc为车体坐标系，其中点oc为轮胎吊大车4的几何中心点，ocxc轴指向轮胎吊大车4的纵方向，ocyc轴指向轮胎吊大车4的侧方向，oczc轴垂直于地面，竖直向上。坐标系o
ri
x
riyrizri
(i＝1,2,3,4)分别为四个三维激光雷达坐标系，其中点o
ri
为三维激光雷达2的中心，o
ri
x
ri
轴在三维激光雷达2平面上，且指向水平方向的0度角方向，o
riyri
轴在三维激光雷达2平面上，且指向水平方向的90度角方向，o
rizri
轴与三维激光雷达2平面垂直，由右手定则确定方向。
68.本发明还提供了一种适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航方法，采用本发明适用于集装箱轮胎吊大车的激光雷达导航系统以执行轮胎吊大车的定位流程和周围的障碍物列表获取流程，获得轮胎吊大车的导航结果。
69.结合图5所示，轮胎吊大车4的定位流程具体包括以下步骤：
70.s1、根据方形立柱1的排布规则，对所有方形立柱1的顶点和边线进行均匀采样，得到环境特征点云：p＝{(xi,yi)}(i＝1,2,
…
,n
p
)；
71.s2、标定四个三维激光雷达2，获得四个激光雷达坐标系o
ri
x
riyrizri
(i＝1,2,3,4)与车体坐标系ocxcyczc之间的转换关系t
ri
→c(i＝1,2,3,4)；
72.s3、采集四个三维激光雷达2的点云数据，并进行坐标转换，得到车体坐标系ocxcyczc下的点云集合s＝{(xi,yi,zi)}(i＝1,2,
…
,ns)；
73.s4、对点云集合s进行滤波，去除干扰点；
74.s5、分离地面获得地面上方的目标点云；
75.s6、聚类提取出方形立柱1在ocxcyc平面上的点云投影集合q＝{(xi,yi)}(i＝1,2,
…
,nq)；
76.s7、利用icp算法，计算出点云集合q到点云集合p的转换关系，即车体坐标系ocxcyc到堆场坐标系owx
wyw
的转换关系tc→w；
77.s8、输出轮胎吊大车4的二维坐标和姿态信息。
78.上述步骤s1中，方形立柱1的排布规则具体如下：
79.1)将堆场长度l平均分成m2段，每一段的长度为
80.2)将m2段线段的顶点按照顺序标记为1,2,
…
,m2+1；
81.3)在顶点标号为km+k+1(k＝0,1,2,
…
,m)处，布置方形立柱1，共计m+1个方形立柱1；
82.4)在顶点标号为km+k+1(k＝1,2,
…
,m-1)处，布置方形立柱1，共计m-1个方形立柱1。
83.堆场每一段长度需满足：
84.单位为米，即m选取满足的整数。
85.结合图6所示，轮胎吊大车4周围的障碍物列表获取流程具体包括以下步骤：
86.步骤1、标定四个三维激光雷达2，获得四个激光雷达坐标系o
ri
x
riyrizri
(i＝1,2,3,4)与车体坐标系ocxcyczc之间的转换关系t
ri
→c(i＝1,2,3,4)；
87.步骤2、采集四个三维激光雷达2的点云数据，并进行坐标转换，得到车体坐标系ocxcyczc下的点云集合s＝{(xi,yi,zi)}(i＝1,2,
…
,ns)；
88.步骤3、对点云集合s进行滤波，去除干扰点；
89.步骤4、分离地面获得地面上方的目标点云；
90.步骤5、分割聚类得到地面上方的目标点云子块；
91.步骤6、计算所有目标点云子块的位置和外轮廓尺寸数据；
92.步骤7、排序目标点云子块形成输出列表；
93.步骤8、输出轮胎吊大车4周围的障碍物列表信息。
94.实施例
95.本实施例集装箱码头轮胎吊大车的导航过程中，包括以下步骤：
96.s1、方形立柱1的制作。方形立柱1的设计：长和宽为15cm，高为150cm，方形立柱1的四个侧面可以通过粘贴、喷涂或者热熔等方式固定反光材料，本实施例选择3m反光贴膜；
97.s2、方形立柱1的施工。所有方形立柱1通过膨胀螺栓固定在地面上，且在轮胎吊大车4的同一侧直线上排布，所在的直线与轮胎吊大车4的直线行驶方向平行，该直线作为轮胎吊大车4行驶过程中保持特定距离的基准。假设堆场的长度l＝300m，那么m应选取满足的整数，即24.49≥m≥12.25，选择m＝20。其排布规则如下：(1)将堆场长度l＝300m平均分成20
×
20＝400段，每一段的长度为0.75m；(2)将这400段线段的顶点按照顺序标记为1,2,
…
,401；(3)在顶点标号为20k+1(k＝0,1,2,
…
,20)处，布置方形立柱1，共计21个方形立柱1；(4)在顶点标号为21k+1(k＝1,2,
…
,19)处，布置方形立柱1，共计19个方形立柱1。由此可见，环境特征模块中的方形立柱1个数为n＝21+19＝40；
98.s3、激光雷达模块的选型。本实施例选择4个velodyne公司出品的16线激光雷达，vlp-16是小型的三维激光雷达，保留了电机转速可调节的功能。vlp-16具有100米的远量程测量距离，能够实时上传周围距离和反射率的测量值，每秒高达30万个点数据输出。
±
15
°
的垂直视场，360
°
水平视场扫描，防护等级为ip67。vlp-16支持两次回波接收，可以测量次回波和后一次回波的距离值和反射强度值；
99.s4、激光雷达的安装。vlp-16重量轻(只有830g)，精巧的外观设计使得安装非常方便。4个vlp-16分别安装在轮胎吊大车4的四个角上，水平安装，距离地面的高度通常在0.7m左右。4个vlp-16把采集到的周围环境三维点云数据传输给工业计算机3；
100.s5、工业计算机3的选型和安装。本实施例选择nuvo-6108gc宸耀车载工控机作为工业计算机3，安装在轮胎吊大车4的电气柜中，程序运行环境为ubuntu18.04，进行点云数据的接收和处理，其中可使用第三方点云数据处理库。工业计算机3通过以太网数据线连接4个三维激光雷达2，工业计算机3必须对三维激光雷达2的点云数据信息进行判断，判断其是否有效。如果信息无效时长超过了一个设定的安全阈值，系统立即报警；
101.s6、通过轮胎吊大车4的定位流程，输出轮胎吊大车4的定位结果，包括二维坐标位置和姿态信息；
102.s7、通过轮胎吊大车4周围的障碍物列表获取流程，输出轮胎吊大车4的周围障碍物列表，包括周围所有障碍物的位置和外轮廓信息。
103.本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。