应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010293077.8 (22)申请日 2020.04.14 (71)申请人 浙江浙能技术研究院有限公司 地址 310000 浙江省杭州市余杭区五常街 道余杭塘路2159-1号1幢5楼 申请人 浙江浙能兰溪发电有限公司 杭州登元科技有限公司 (72)发明人 范海东胡凯波王林刚李峰 夏志凌朱宇超沈炳华 (51)Int.Cl. G05D 1/02(2020.01) G01C 21/16(2006.01) G01S 17/42(2006.01) G01S 17/66(2006.0

2、1) G01S 17/93(2020.01) (54)发明名称 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统 及其定位方法 (57)摘要 本发明公开了一种应用于煤栅内的自动推 煤机定位系统及其定位方法， 定位系统包括煤 栅、 煤堆、 轨道、 定位机器人、 推煤机、 基站， 定位 方法包括如下具体步骤： 步骤一： 定位机器人移 动到推煤机需要作业的区域； 步骤二： 获取推煤 机周围环境空间坐标的点云数据； 步骤三： 重构 实时三维地貌渲染图； 步骤四： 获取推煤机的姿 态信息； 步骤五： 得到姿态数据； 步骤六： 描述推 煤机的位置姿态； 步骤七： 对障碍物进行彩色渲 染； 步骤八： 对障碍物进行跟踪；

3、 步骤九： 车载控 制系统控制推煤机避开障碍物， 本发明有效提高 自动推煤机运行的安全性， 提高移动机械的立体 作业定位准确度。 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 111367297 A 2020.07.03 CN 111367297 A 1.一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 包括煤栅(10)、 煤堆(40)、 轨道(20)、 定位机器人(30)、 推煤机(50)、 基站(60)， 所述煤堆(40)放置于煤栅(10)的底部， 所述轨道(20)安装在煤栅(10)上， 所述定位机器人(30)在轨道(20)上运动， 所述定位机器 人(30)设有激光雷达(31)、 电池(

4、33)、 定位机器人控制系统(34)、 网络通信模块B(35)、 球形 摄像机(36)、 充电系统(37)， 所述推煤机(50)包括推煤机主体(51)、 车载控制系统(52)、 网 络通信模块A(53)、 惯性导航系统(54)， 所述车载控制系统(52)、 网络通信模块A(53)、 惯性 导航系统(54)安装在推煤机主体(51)上， 所述激光雷达(31)、 球形摄像机(36)、 网络通信模 块B(35)都与定位机器人控制系统(34)电性连接， 所述激光雷达(31)、 定位机器人控制系统 (34)、 网络通信模块B(35)、 球形摄像机(36)都与电池(33)电性连接， 所述充电系统(37)与

5、电池(33)电性连接， 所述网络通信模块A(53)、 网络通信模块B(35)都与基站(60)无线连接， 所述网络通信模块A(53)与网络通信模块B(35)无线连接， 所述网络通信模块A(53)通过车 载控制系统(52)连接惯性导航系统(54)。 2.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述轨 道(20)位于煤堆(40)的上方。 3.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述激 光雷达(31)、 球形摄像机(36)位于定位机器人(30)的底端。 4.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述惯

6、 性导航系统(54)用于获取推煤机的姿态角度。 5.根据权利要求4所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述姿 态角度包括俯仰角、 倾斜角和偏航角。 6.根据权利要求4所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述惯 性导航系统(54)包括陀螺仪、 加速度计及电子罗盘。 7.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述车 载控制系统(52)包括ARM和GPU。 8.根据权利要求1所述一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 其特征在于， 所述球 形摄像机(36)用于对推煤机(50)进行图像监控。 9.一种基于权利要求1所述应用于

7、煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法， 其特征 在于， 包括如下具体步骤： 步骤一： 所述定位机器人(30)移动到推煤机(50)需要作业的区域； 步骤二： 所述激光雷达(31)对推煤机(50)进行旋转扫描， 从而获取推煤机(50)周围环 境空间坐标的点云数据； 步骤三： 所述车载控制系统(52)从激光雷达(31)获取点云数据， 并基于点云数据重构 实时三维地貌渲染图； 步骤四： 所述惯性导航系统(54)获取推煤机(50)的姿态信息， 所述姿态信息包括俯仰 角、 滚转角和偏航角； 步骤五： 所述车载控制系统(52)从所述惯性导航系统(54)获取姿态信息， 然后利用卡 尔曼滤波法进行数据融合， 得

8、到姿态数据； 步骤六： 所述车载控制系统(52)根据实时三维地貌和姿态数据描述推煤机的位置姿 态； 权利要求书 1/2 页 2 CN 111367297 A 2 步骤七： 所述车载控制系统(52)在实时三维地貌渲染图中表示出障碍物， 并且对障碍 物进行彩色渲染， 所述障碍物的颜色与实时三维地貌渲染图的颜色不同； 步骤八： 所述车载控制系统(52)通过目标跟踪算法对障碍物进行跟踪， 得到障碍物的 实时位置和形状信息， 并且预测障碍物的运动轨迹； 步骤九： 所述车载控制系统(52)根据推煤机(50)的位置姿态与障碍物的形状信息和实 时位置控制推煤机(50)避开障碍物。 10.根据权利要求9所述一种

9、应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法， 其特征 在于， 所述车载控制系统基于点云数据重构实时三维地貌渲染图包括以下步骤： 步骤a： 所述车载控制系统(52)对点云数据进行滤波、 分割、 匹配和拼接， 得到修整点数 据； 步骤b： 所述车载控制系统(52)利用OPENGL技术将修正点数据展宽成面； 步骤c： 所述车载控制系统(52)利用颜色插值方法进行彩色渲染， 得到彩色的实时三维 地貌渲染图， 所述三维地貌渲染显示在水平方向360 和垂直方向上测量视角范围内所有物 体的位置信息和形状信息。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111367297 A 3 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统

10、及其定位方法 技术领域 0001 本发明涉及一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统及其定位方法。 背景技术 0002 随着无人驾驶技术的不断发展和日益普及， 对那些在封闭或半封闭场景的固定区 域内使用的机械设备， 特别是作业环境恶劣区域是非常有必要采用无人驾驶技术， 对作业 过程进行辅助和提供支持， 如港口、 电厂等堆场内使用的推煤机等工程机械设备。 0003 在无人驾驶工程机械进行作业的过程中， 需要实时获取自身的定位结果， 从而保 证自身安全和工作稳定性， 因此， 如何精准的对无人驾驶工程机械的位姿进行定位， 从而获 取无人驾驶工程机械的定位结果是至关重要的。 0004 同时， 无人驾驶机械

11、设备必须具有的重要功能是避开障碍物， 以确保其安全性， 防 止它与物体或人碰撞。 目前， 无人驾驶设备通常会通过差分GPS定位法、 激光定位法及视觉 定位法等定位方法中的任意一种定位方法获取无人驾驶设备的定位结果， 然而， 无人驾驶 工程机械如推煤机在火力发电厂主要承担煤场整形、 煤场盘点、 应急供煤重要工作。 由于推 煤机使用环境较为复杂， 在此环境内的其他设备位置变化频繁， 推煤机作业时不断行驶在 起伏不停的煤堆上， 空间位置变化也较频繁， 使得现有的定位方法无法精准的对自动推煤 机的位姿进行定位， 进而导致自动推煤机通过现有的定位方法获取得到的定位结果的准确 性较低。 0005 现有技术

12、中， 该技术主要使用安装在无人驾驶设备上的多线激光雷达或者导航模 块来实现。 由于作业环境的特殊性， 使得激光雷达有作用盲区。 单纯利用卫星导航模块或者 惯性导航模块， 只能获取自身的定位信息， 而对环境感知不足， 无法应对推煤机立体作业等 复杂工况环境。 发明内容 0006 本发明的目的是克服现有产品中的不足， 提供一种应用于煤栅内的自动推煤机定 位系统及其定位方法。 0007 为了达到上述目的， 本发明是通过以下技术方案实现的： 0008 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 包括煤栅、 煤堆、 轨道、 定位机器人、 推 煤机、 基站， 所述煤堆放置于煤栅的底部， 所述轨道安装在煤栅上，

13、 所述定位机器人在轨道 上运动， 所述定位机器人设有激光雷达、 电池、 定位机器人控制系统、 网络通信模块B、 球形 摄像机、 充电系统， 所述推煤机包括推煤机主体、 车载控制系统、 网络通信模块A、 惯性导航 系统， 所述车载控制系统、 网络通信模块A、 惯性导航系统安装在推煤机主体上， 所述激光雷 达、 球形摄像机、 网络通信模块B都与定位机器人控制系统电性连接， 所述激光雷达、 定位机 器人控制系统、 网络通信模块B、 球形摄像机都与电池电性连接， 所述充电系统与电池电性 连接， 所述网络通信模块A、 网络通信模块B都与基站无线连接， 所述网络通信模块A与网络 通信模块B无线连接， 所述

14、网络通信模块A通过车载控制系统连接惯性导航系统。 说明书 1/4 页 4 CN 111367297 A 4 0009 作为优选， 轨道位于煤堆的上方。 0010 作为优选， 所述激光雷达、 球形摄像机位于定位机器人的底端。 0011 作为优选， 惯性导航系统用于获取推煤机的姿态角度。 0012 作为优选， 所述姿态角度包括俯仰角、 倾斜角和偏航角。 0013 作为优选， 惯性导航系统包括陀螺仪、 加速度计及电子罗盘。 0014 作为优选， 车载控制系统包括ARM和GPU。 0015 作为优选， 球形摄像机用于对推煤机进行图像监控。 0016 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法， 包

15、括如下具体步骤： 步骤 一： 所述定位机器人移动到推煤机需要作业的区域； 0017 步骤二： 所述激光雷达对推煤机进行旋转扫描， 从而获取推煤机周围环境空间坐 标的点云数据； 0018 步骤三： 所述车载控制系统从激光雷达获取点云数据， 并基于点云数据重构实时 三维地貌渲染图； 0019 步骤四： 所述惯性导航系统获取推煤机的姿态信息， 所述姿态信息包括俯仰角、 滚 转角和偏航角； 0020 步骤五： 所述车载控制系统从所述惯性导航系统获取姿态信息， 然后利用卡尔曼 滤波法进行数据融合， 得到姿态数据； 0021 步骤六： 所述车载控制系统根据实时三维地貌和姿态数据描述推煤机的位置姿 态； 0

16、022 步骤七： 所述车载控制系统在实时三维地貌渲染图中表示出障碍物， 并且对障碍 物进行彩色渲染， 所述障碍物的颜色与实时三维地貌渲染图的颜色不同； 0023 步骤八： 所述车载控制系统通过目标跟踪算法对障碍物进行跟踪， 得到障碍物的 实时位置和形状信息， 并且预测障碍物的运动轨迹； 0024 步骤九： 所述车载控制系统根据推煤机的位置姿态与障碍物的形状信息和实时位 置控制推煤机避开障碍物。 0025 作为优选， 车载控制系统基于点云数据重构实时三维地貌渲染图包括以下步骤： 0026 步骤a： 所述车载控制系统对点云数据进行滤波、 分割、 匹配和拼接， 得到修整点数 据； 0027 步骤b：

17、 所述车载控制系统利用OPENGL技术将修正点数据展宽成面； 0028 步骤c： 所述车载控制系统利用颜色插值方法进行彩色渲染， 得到彩色的实时三维 地貌渲染图， 所述三维地貌渲染显示在水平方向360 和垂直方向上测量视角范围内所有物 体的位置信息和形状信息。 0029 本发明的有益效果如下： 本发明通过定位机器人上激光雷达与惯性导航系统结合 起来， 使得推煤机能够借助于激光雷达和惯性导航系统获取周围的三维地貌和自身的定位 信息， 从而有效提高自动推煤机运行的安全性； 0030 本发明通过定位机器人定位方式， 使激光雷达稳扫描， 可以在煤栅等类似封闭或 半封闭式环境内， 提高移动机械的立体作业

18、定位准确度。 说明书 2/4 页 5 CN 111367297 A 5 附图说明 0031 图1为本发明的的立体结构示意图； 0032 图2为定位机器人的立体结构示意图； 0033 图3为推煤机的立体结构示意图； 0034 图4为本发明的模块连接图； 0035 图5为激光雷达发送激光束的结构示意图。 具体实施方式 0036 下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明： 0037 如图1到图4所示， 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统， 包括煤栅10、 煤堆 40、 轨道20、 定位机器人30、 推煤机50、 基站60， 所述煤堆40放置于煤栅10的底部， 所述轨道 20安装在煤栅10上

19、， 所述定位机器人30在轨道20上运动， 所述定位机器人30设有激光雷达 31、 电池33、 定位机器人控制系统34、 网络通信模块B35、 球形摄像机36、 充电系统37， 所述推 煤机50包括推煤机主体51、 车载控制系统52、 网络通信模块A53、 惯性导航系统54， 所述车载 控制系统52、 网络通信模块A53、 惯性导航系统54安装在推煤机主体51上， 所述激光雷达31、 球形摄像机36、 网络通信模块B35都与定位机器人控制系统34电性连接， 所述激光雷达31、 定位机器人控制系统34、 网络通信模块B35、 球形摄像机36都与电池33电性连接， 所述充电 系统37与电池33电性连

20、接， 所述网络通信模块A53、 网络通信模块B35都与基站60无线连接， 所述网络通信模块A53与网络通信模块B35无线连接， 所述网络通信模块A53通过车载控制 系统52连接惯性导航系统54， 所述轨道20位于煤堆40的上方， 轨道固定在煤栅顶上， 轨道长 度略短于煤栅长度。 定位机器人悬挂在轨道上， 可以在轨道长度范围内运动， 扫描范围可以 覆盖整个煤栅。 0038 如图2所示， 激光雷达31、 球形摄像机36位于定位机器人30的底端， 球形摄像机36 用于对推煤机50进行图像监控。 0039 如图3所示， 惯性导航系统54用于获取推煤机的姿态角度， 姿态角度包括俯仰角、 倾斜角和偏航角，

21、 惯性导航系统54包括陀螺仪、 加速度计及电子罗盘， 车载控制系统52包括 ARM和GPU。 0040 如图5所示， 激光束60为其中定位机器人某一位置时扫描到的范围， 当工作时安装 在定位机器人上的激光雷达进行连续旋转扫描， 获取推煤机周围环境空间坐标的点云数 据， 然后车载控制系统52通过在轨道上跟踪移动的激光雷达31获取激光测距的点云数据、 通过惯性导航系统54获取推煤机的运动情况和周围的环境信息以及通过网络通信模块 A53、 网络通信模块B35与基站的远程服务器进行交互， 并且在获取了推煤机50的运动情况 和周围的环境信息之后， 车载控制系统52利用卡尔曼滤波等数据融合算法计算自动驾驶

22、推 煤机50的俯仰角、 滚转角和偏航角等姿态信息， 进而与周围的环境信息结合即可对行驶轨 迹和行驶方式进行优化， 以保证推煤机能够正常运行。 0041 利用本发明的推煤机能够借助于定位机器人上的激光雷达31和惯性导航系统54 获取周围的煤堆的三维地貌和自身的定位信息， 从而有效提高推煤机运行的安全性。 0042 如图1到图5所示， 一种应用于煤栅内的自动推煤机定位系统的定位方法， 包括如 下具体步骤： 说明书 3/4 页 6 CN 111367297 A 6 0043 步骤一： 所述定位机器人30移动到推煤机50需要作业的区域； 0044 步骤二： 所述激光雷达31对推煤机50进行旋转扫描，

23、从而获取推煤机50周围环境 空间坐标的点云数据； 0045 步骤三： 所述车载控制系统52从激光雷达31获取点云数据， 并基于点云数据重构 实时三维地貌渲染图； 0046 步骤四： 所述惯性导航系统54获取推煤机50的姿态信息， 所述姿态信息包括俯仰 角、 滚转角和偏航角； 0047 步骤五： 所述车载控制系统52从所述惯性导航系统54获取姿态信息， 然后利用卡 尔曼滤波法进行数据融合， 得到姿态数据； 0048 步骤六： 所述车载控制系统52根据实时三维地貌和姿态数据描述推煤机的位置姿 态； 0049 步骤七： 所述车载控制系统52在实时三维地貌渲染图中表示出障碍物， 并且对障 碍物进行彩色

24、渲染， 所述障碍物的颜色与实时三维地貌渲染图的颜色不同； 步骤八： 所述车 载控制系统52通过目标跟踪算法对障碍物进行跟踪， 得到障碍物的实时位置和形状信息， 并且预测障碍物的运动轨迹； 0050 步骤九： 所述车载控制系统52根据推煤机50的位置姿态与障碍物的形状信息和实 时位置控制推煤机50避开障碍物。 0051 车载控制系统基于点云数据重构实时三维地貌渲染图包括以下步骤： 0052 步骤a： 所述车载控制系统52对点云数据进行滤波、 分割、 匹配和拼接， 得到修整点 数据； 0053 步骤b： 所述车载控制系统52利用OPENGL技术将修正点数据展宽成面； 0054 步骤c： 所述车载控

25、制系统52利用颜色插值方法进行彩色渲染， 得到彩色的实时三 维地貌渲染图， 所述三维地貌渲染显示在水平方向360 和垂直方向上测量视角范围内所有 物体的位置信息和形状信息。 0055 本发明通过定位机器人上激光雷达与惯性导航系统结合起来， 使得推煤机能够借 助于激光雷达和惯性导航系统获取周围的三维地貌和自身的定位信息， 从而有效提高自动 推煤机运行的安全性； 0056 本发明通过定位机器人定位方式， 使激光雷达稳扫描， 可以在煤栅等类似封闭或 半封闭式环境内， 提高移动机械的立体作业定位准确度。 0057 需要注意的是， 以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。 显然， 本发明不限于以 上实施例， 还可以有许多变形， 总之， 本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形， 均应认为是本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 7 CN 111367297 A 7 图1 图2 说明书附图 1/3 页 8 CN 111367297 A 8 图3 图4 说明书附图 2/3 页 9 CN 111367297 A 9 图5 说明书附图 3/3 页 10 CN 111367297 A 10