一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统及方法，库区内放置有标定板，单线激光雷达动态扫描标定板进行标定，获取单线激光雷达相对于世界坐标系的外参，进行位姿变换将单线激光雷达坐标系的点云转换到世界坐标系；单线激光雷达动态扫描库区，结合无人天车坐标进行位姿变换，生成库区三维点云；通过点云处理和特征提取得到线卷点云特征，对目标点云进行拟合，计算线卷长度、外径等尺寸信息，将线卷在世界坐标系下的坐标传递给库区管理系统。由实验证明，本实施例的检测方法可以较为准确的生成线卷点云，准确地的检测出线卷的形状和位置，误差较小。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统及方法
本专利技术涉及智能仓储物流
，特别是指一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测方法及装置。
技术介绍
库区作为钢铁生产流程中物流衔接和生产节奏控制的重要枢纽，是工厂无人化和智能化建设的基础，而起重机则是库区最重要的执行单元。传统的轧钢生产车间库区，起重机操作主要依靠人工完成，工人劳动强度大，库区运行效率低，且容易导致人员、设备安全和数据信息丢失等问题。研究与应用无人起重机与智能库管技术，将从根本上改变了库区的作业模式，实现起重机无人化运行和库区智能调度，对于提高生产效率，降低生产成本，改善产品质量具有重要的意义。目前获取库区线卷位置信息主要依靠激光点云对于库区环境的三维重建技术，随着激光雷达技术的飞速发展，其制造和研发成本逐渐降低，愈加广泛地应用在了工业现场中。如专利一(车间钢卷激光雷达三维定位测量系统，CN109782300A)利用二维激光雷达截面扫描辅以激光测距仪定位进行空间切片重构，有效完成了使用二维激光雷达的进行三维重建的任务，并且结合梯度下降平滑、连通域聚类法、径向失真校正算法实现了钢卷点云的目标定位分类，但需要实验中的轨道配合，不适合现有库区的智能化改造；文献一(张明，王铉，陈柯颖.基于激光雷达的室内场景三维重建系统设计[J].电子设计工程，2019.)针对室内场景的三维重建问题，采用激光测距的方法并结合传感器及电机控制等技术设计了三维重建系统，将激光雷达、惯性原件和测速码盘数据通过卡尔曼滤波融合起来，计算机器人的位置信息，得到室内场景的三维点云地图，但没有涉及到扫描精度和目标识别问题，库区内线卷扫描需要在三维重建的基础上进行特征提取和目标识别。专利二(基于2D激光雷达的三维激光SLAM系统及控制方法，CN109358342A)提出一种基于2D激光雷达的实时三维激光SLAM系统及控制方法，通过一种连续匀速旋转的2D激光雷达装置同时获取深度信息和旋转角度信息，将二者进行同步融合生成三维点云，不仅实时建立三维重建地图，而且通过SLAM算法计算出传感器的位姿，实现实时定位功能，但只适合小场景区域，且文中所用的ICP算法对初值较为敏感。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统及方法，现有的线卷检测具有以下问题，扫描精度和目标识别精度不高，不适合现有库区的智能化改造，检测只适合小场景区域，ICP算法对初值较为敏感等为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供如下方案：一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，包括单线激光雷达，单线激光雷达安装在激光雷达调整平台上，激光雷达调整平台安装在无人天车检修平台的正下方，单线激光雷达随着无人天车检修平台运动动态扫描库区，将扫描获得的仓库点云信息传递给无人天车工控机，无人天车工控机将上述仓库点云信息进行数据处理后传输给库区管理系统，库区管理系统与无人天车工控机连接，实现库区管理系统、无人天车PLC和单线激光雷达三方通讯；库区内放置有标定板，单线激光雷达动态扫描标定板进行标定，获取单线激光雷达相对于世界坐标系的外参，进行位姿变换将单线激光雷达坐标系的点云转换到世界坐标系；单线激光雷达动态扫描库区，结合无人天车坐标进行位姿变换，生成库区三维点云；通过点云处理和特征提取得到线卷点云特征，对目标点云进行拟合，计算线卷长度、外径等尺寸信息，将计算线卷在世界坐标系下的坐标传递给库区管理系统。其中，标定板斜向放置在地面上，其平面法线方向为无人天车前进方向。其中，激光雷达调整平台包括上支撑部分，在所述上支撑部的下方设置有旋转平台，所述旋转平台可绕着回转中心旋转。其中，还包括平板触摸屏，平板触摸屏与库区管理系统连接，用于单线激光雷达扫描任务的发布与扫描结果的确认。其中，库区管理系统与无人天车工控机通过以太网连接。一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测方法，包括以下步骤：步骤1：雷达标定，将基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统安装完成，调整好单线激光雷达，将标定板斜向放置在仓库线卷区域中，通过单线激光雷达随无人天车运动扫描标定板，结合天车位姿生成三维点云，进行数据处理后得到单线激光雷达坐标系相对于库区世界坐标系的外参；步骤2：线卷位置检测，操作人员按下用户触摸平板内开始扫描按钮，单线激光雷达根据用户触摸平板内按钮发出的扫描信号，在随着无人天车运动的同时采集一组点云数据，将点云数据信息通过以太网传送给信息处理服务器，经过点云处理和数据计算后得到库区线卷位置信息，将库区线卷位置信息发送到库区管理系统并显示在用户触摸平板上。其中，雷达标定包括以下步骤：步骤1.1：仓库周围环境中的三维点云生成，将单线激光雷达坐标系与无人天车PLC输出的无人天车运动位姿坐标结合，引入齐次坐标，进行位移变换，组成仓库环境中的三维点云；步骤1.2：初始标定的变换矩阵计算，将上述仓库周围环境中的三维点云进行筛选，获得地面点云并拟合出地平面，根据地平面计算单线激光雷达坐标系与库区世界坐标系的相对变量，引入齐次坐标，得到初始标定的变换矩阵，将激光雷达坐标系的与Z轴垂直的平面变换到与世界坐标系的水平面重合，得到初始标定后的坐标系；步骤1.3：二次标定后的变换矩阵计算，将上述仓库周围环境中的三维点云进行筛选，获得标定板点云，对标定板点云进行去噪处理后拟合获得标定板平面，根据标定板平面计算初始标定后的坐标系与库区世界坐标系的相对变量，得到二次标定后的变换矩阵；步骤1.4：变换矩阵计算，将所述初始标定的变换矩阵与二次标定后的变换矩阵计算获得变换矩阵，并将所述变换矩阵储存，利用所述变换矩阵将单线激光雷达坐标系下的点云据变换到世界坐标系下的点云。其中，线卷位置检测包括以下步骤：步骤2.1：库区环境三维点云生成，库区管理系统下达任务，单线激光雷达随天车扫描库区线卷时，结合天车运动位姿坐标生成库区环境三维点云；步骤2.2：库区线卷位置信息计算，将步骤2.1中生成的库区环境三维点云进行数据处理和特征提取，获得库区线卷位置信息。其中，库区环境三维点云生成包括以下步骤：步骤2.1.1：扫描点位移计算，结合无人天车位姿和单线激光雷达扫描周期消除单线激光雷达随天车扫描过程中的运动畸变，计算出单线激光雷达每个扫描周期中的扫描点的位移；步骤2.1.2：坐标系转换，结合步骤2.1.1中计算出的扫描点的位移和标定所得的变换矩阵计算出扫描点变换矩阵，将单线激光雷达坐标系变换到世界坐标系。其中，库区线卷位置信息计算包括以下步骤：步骤2.2.1：特征提取和降噪处理，提取点云中感兴趣的点云，对感兴趣的点云进行降噪处理；步骤2.2.2：地面滤波，利用拟合出地平面对降噪处理后的点云进行地面点云滤波处理；步骤2.2.3：分割聚类，将步骤2.2.2处理后的点云进行分割聚类，获得点云类簇；步骤2.2.4：线卷识别，将每个点云簇分别拟合出圆柱体，计算出圆柱体的外径和长度，与库区管理系统发送的线卷型号信息进行对比，取误差最小的作为线卷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，其特征在于，包括单线激光雷达，单线激光雷达安装在激光雷达调整平台上，激光雷达调整平台安装在无人天车检修平台的正下方，单线激光雷达随着无人天车检修平台运动动态扫描库区，将扫描获得的仓库点云信息传递给无人天车工控机，无人天车工控机将上述仓库点云信息进行数据处理后传输给库区管理系统，库区管理系统与无人天车工控机连接，实现库区管理系统、无人天车PLC和单线激光雷达三方通讯；/n库区内放置有标定板，单线激光雷达动态扫描标定板进行标定，获取单线激光雷达相对于世界坐标系的外参，进行位姿变换将单线激光雷达坐标系的点云转换到世界坐标系；单线激光雷达动态扫描库区，结合无人天车坐标进行位姿变换，生成库区三维点云；通过点云处理和特征提取得到线卷点云特征，对目标点云进行拟合，计算线卷长度、外径等尺寸信息，将计算线卷在世界坐标系下的坐标传递给库区管理系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，其特征在于，包括单线激光雷达，单线激光雷达安装在激光雷达调整平台上，激光雷达调整平台安装在无人天车检修平台的正下方，单线激光雷达随着无人天车检修平台运动动态扫描库区，将扫描获得的仓库点云信息传递给无人天车工控机，无人天车工控机将上述仓库点云信息进行数据处理后传输给库区管理系统，库区管理系统与无人天车工控机连接，实现库区管理系统、无人天车PLC和单线激光雷达三方通讯；
库区内放置有标定板，单线激光雷达动态扫描标定板进行标定，获取单线激光雷达相对于世界坐标系的外参，进行位姿变换将单线激光雷达坐标系的点云转换到世界坐标系；单线激光雷达动态扫描库区，结合无人天车坐标进行位姿变换，生成库区三维点云；通过点云处理和特征提取得到线卷点云特征，对目标点云进行拟合，计算线卷长度、外径等尺寸信息，将计算线卷在世界坐标系下的坐标传递给库区管理系统。


2.如权利要求1所述的基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，其特征在于，标定板斜向放置在地面上，其平面法线方向为无人天车前进方向。


3.如权利要求1所述的基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，其特征在于，激光雷达调整平台包括上支撑部分，在所述上支撑部的下方设置有旋转平台，所述旋转平台可绕着回转中心旋转。


4.如权利要求1所述的基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，其特征在于，还包括平板触摸屏，平板触摸屏与库区管理系统连接，用于单线激光雷达扫描任务的发布与扫描结果的确认。


5.如权利要求1所述的基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统，其特征在于，库区管理系统与无人天车工控机通过以太网连接。


6.一种基于激光雷达的仓库线卷位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：雷达标定，将权利要求1-4任意一项所述的基于激光雷达的仓库线卷位置检测系统安装完成，调整好单线激光雷达，将标定板斜向放置在仓库线卷区域中，通过单线激光雷达随无人天车运动扫描标定板，结合天车位姿生成三维点云，进行数据处理后得到单线激光雷达坐标系相对于库区世界坐标系的外参；
步骤2：线卷位置检测，操作人员按下用户触摸平板内开始扫描按钮，单线激光雷达根据用户触摸平板内按钮发出的扫描信号，在随着无人天车运动的同时采集一组点云数据，将点云数据信息通过以太网传送给信息处理服务器，经过点云处理和数据计算后得到库区线卷位置信息，将库区线卷位置信息发送到库区管理系统并显示在用户触摸平板上。


7.如权利要求6所述的基于激光雷达的仓库线卷位置检测方法，其特征在于，雷达标定包括以下步骤：
步骤1.1：仓库周围环境中的三维点云生...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐冬，张达，江敏，何安瑞，杨荃，王晓晨，刘洋，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11