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CN113625299B - 基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法及装置 - Google Patents

基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法及装置 Download PDF

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CN113625299B
CN113625299B CN202110842194.XA CN202110842194A CN113625299B CN 113625299 B CN113625299 B CN 113625299B CN 202110842194 A CN202110842194 A CN 202110842194A CN 113625299 B CN113625299 B CN 113625299B
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Abstract

本发明公开了一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法和装置，能够解决装车物料实时高度与偏载的检测问题。采用三维激光雷达扫描物料装填区，从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围；根据车厢挡板高度的限制和该y轴坐标范围，筛选出物料点云；在物料点云中筛选出第一条、第二条和最后一条激光线束的点云；根据最后一条激光线束的点云高度是否满足车厢挡板形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点；根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点；最后根据车厢范围内的物料点云计算物料高度与偏载。

Description

基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法及装置
技术领域
本发明涉及检测领域，具体涉及一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法及装置。
背景技术
在货运列车物料装填线上，需要尽可能地保证一节车厢内物料的均匀分布，并实现物料装填的全自动化，因此需要依据物料高度和偏载的实时情况进行装填的控制。目前采用的方法是人工观测估计，依据观测结果手动控制物料的装填。这种方法会导致观测到的物料实时情况误差大、控制不够精准，造成装填的物料在车厢内分布不均。物料装填时，货运列车平稳行驶于铁轨上，传统的测重法以及依据钢轨应力变化测轮重法，难以准确获得装填区的物料实时数据。装填现场光照不足，并且物料与车厢没有鲜明的颜色差，难以采用图像的方法进行检测，并且基于图像的方法，数据误差极大，无法获得准确的数据。激光雷达能够通过发射激光束检测物料表面的情况，并且具有较高精度，但装填现场会激起灰尘，导致雷达检测到部分错误数据，而由于二维激光雷达所能获取的数据量小，若对错误数据进行筛选，剩余的数据量无法真实地反应物料实际的情形，严重影响结果的准确度。从装填线的实际情况出发，选择合适的检测方法。考虑以上因素，本发明选用三维激光雷达进行物料高度和偏载的检测，既能保留激光雷达测量方法的优势，又能减小数据误差对于结果的影响。该装车物料高度检测装置结构简单，全自动工作，能够快速精准地判断物料的高度，作为自动物料装填系统的输入数据，实现物料装填的全自动化，提高控制的精度，方便实用，节省人力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载自动检测方法及装置，能够解决装车物料实时高度与偏载的检测问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法，包括：
步骤一、固定倾斜安装三维激光雷达，三维激光雷达照射物料装填区；
步骤二、三维激光雷达安装姿态角度自标定：以水平地面为参考对偏航角和俯仰角进行标定，以车厢左右两侧的挡板为参考对横滚角进行标定，获得激光雷达坐标系与基准坐标系x,y,z的转换关系；其中，基准坐标系的yz平面平行地面，x正向垂直于地面朝下；
步骤三、提取物料点云：三维激光雷达进行扫描，获得三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)；从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围；根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云；
步骤四、确定车厢位置：在物料点云中，筛选出第一条、第二条和最后一条激光线束的点云；其中，第一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最大的线束，最后一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最小的线束；根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢挡板形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点；根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点；
步骤五、根据车厢范围内的物料点云计算物料高度与偏载。
优选地，所述步骤二具体包括：
三维激光雷达的坐标系xLyLzL为右手坐标系；以地面为yz平面，x轴正向垂直地面向下，车辆运行方向为z轴正向，建立一个新的右手坐标系，记为基准坐标系；从激光雷达坐标系到基准坐标系的变换按如下顺序进行：
先绕激光雷达坐标系的yL轴、通过旋转矩阵Ry变换得到中间系a，再绕中间系a的z1轴、通过旋转矩阵Rz变换得到中间系b，然后绕中间系b的x2轴、通过旋转矩阵Rx变换得到中间系c，最后经过平移变换矩阵Tx得到基准坐标系；
(1)以水平地面为参考进行偏航角和俯仰角的标定
三维激光雷达扫描地面，采集地面点云，对地面点云采用平面拟合方法确定地面点，得到激光雷达坐标系下的地平面方程AxL+ByL+CzL+D＝0，A>0，其中A、B、C、D分别为地平面方程的参数；计算得到三维激光雷达坐标系原点距离地面的高度为则相应的旋转矩阵Rz、Ry和平移变换矩阵Tx为：
其中，偏航角度俯仰角度/>
激光雷达坐标系下的点(xL,yL,zL)经如下旋转变换得到中间系b下的坐标(x2,y2,z2)：
(2)以车厢两侧挡板为参考进行横滚角的标定
车厢挡板垂直于地面，挡板顶部的高度为hb；空车厢底部平行于地面，高度为h0；在中间系b下，地面点坐标的x值为lground，挡板最高处点坐标的x值为lground﹣hb；三维激光雷达扫描车厢区域得到的雷达激光点云中，满足坐标x值与lground﹣hb的差值小于阈值的点，记为顶部挡板阈值点集，点集有两片区域，分别属于左右两侧挡板，对两片区域的所有点，分别投影到y2z2平面后进行直线拟合，得到挡板顶部在y2z2平面的两条平行直线的方程A'y2+B'z2+C'1＝0与A'y2+B'z2+C'2＝0，A'>0；相应的旋转变换矩阵Rx按如下方式定义：
其中，横滚角度或/>依据列车运行方向而定，满足在中间系c下，货运列车的运行方向为z3轴正向；中间系b下的点(x2,y2,z2)经如下旋转变换得到中间系c下的坐标(x3,y3,z3)：
中间系c下的点(x3,y3,z3)经如下平移变换得到基准坐标系下的坐标(x,y,z)：
最终得到基准坐标系下的点云坐标，点的高度信息为x坐标的负值。
优选地，步骤三中，所述从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围为：
在基准坐标系下，地面点坐标的x值为0，挡板顶部的高度为hb，挡板最高处点坐标的x值为﹣hb；从三维激光点云中筛选出坐标(x,y,z)满足条件|x-(-hb)|<thrange的点云，并投影到yz平面，获得车厢挡板点集；
车厢挡板点集中的点有两片区域，分别为车厢左侧挡板顶部点与右侧挡板顶部点的投影；选择车厢左侧挡板所对应区域的点集，计算得到所有点y坐标的最小值，记为ymax；选择车厢右侧挡板所对应区域的点集，计算得到所有点y坐标的最大值，记为ymin。ymin和ymax组成了所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围。
优选地，步骤三中，所述根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云为：
在基准坐标系下，对所有激光雷达点进行筛选，点的坐标(x,y,z)满足如下条件的点，即为物料点云：
h0≤-x<hmax，ymin≤y≤ymax
其中，h0为空车厢底部高度。
优选地，步骤四中，所述根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢挡板形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点为：
在基准坐标系下的物料点云中，选择属于最后一条激光线束的点云，计算x坐标的方差σend；若σend<thend，thend为设定阈值，表示本节车厢后端的挡板运行到物料扫描区域，列车已行驶到车厢终点。
优选地，步骤四中，所述根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点为：
在基准坐标系下的物料点云中，选择属于第一条激光线束和第二条激光线束的点云，分别计算x坐标的方差记为σ1和σ2，若σ1<th1且σ2>th2，th1为点云变化符合挡板形态特征的阈值，th2为点云变化符合物料填充形态特征的阈值，则判定新一节车厢前端的挡板即将进入物料扫描区域，列车已行驶到新一节车厢的起点。
优选地，所述步骤五为：
步骤501：将物料点云相对于列车分为左右两侧，两部分分别进行如下计算：
在基准坐标系下，根据单侧车厢挡板的y坐标和车厢中线的y坐标，筛选出单侧车厢的物料点云；
对于单侧车厢的物料点云，沿y轴分为M个区域；三维激光雷达共有N条激光线束；针对每一个区域，对N条激光线束的每一条激光线束的所有点云的x坐标取平均值，每一个区域分别得到N条线束对应的物料点云高度；将N条线束对应的点云高度取平均值，获得当前区域对应的物料点云高度；对M个区域的物料点云高度取平均值，即为单侧车厢的物料高度；
步骤502：物料高度与偏载计算：
实时物料高度h为：
其中，h0为空车厢底部的高度，hL为左侧车厢的物料高度，hR为右侧车厢的物料高度；
物料重心左右偏移量p为：
p>0时，右侧重；p<0时，左侧重，ymin和ymax分别为车厢挡板位置对应的两个y轴坐标极限值。
本发明所提供的一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测装置，包括三维激光雷达和处理装置；所述处理装置包括标定模块、物料点云提取模块、车厢位置确定模块和高度与偏载计算模块；
三维激光雷达固定倾斜安装在物料装填区上方，照射物料装填区；
标定模块实现三维激光雷达安装姿态角度自标定：以地面为参考对偏航角和俯仰角进行标定，以车厢左右两侧的挡板为参考对横滚角进行标定，获得激光雷达坐标系与基准坐标系x,y,z的转换关系；其中，基准坐标系的yz平面平行地面，x正向垂直于地面朝下；三维激光雷达进行扫描，获得三维激光雷达点云通过标定模块处理后，获得三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)，发送给物料点云提取模块；
物料点云提取模块，用于根据三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)，从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围；根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云，发送给车厢位置确定模块；
车厢位置确定模块，用于在物料点云中，筛选出第一条、第二条和最后一条激光线束的点云；其中，第一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最大的线束，最后一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最小的线束；根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点；根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点；
高度与偏载计算模块，用于根据车厢范围内的物料点云计算物料高度与偏载。
优选地，所述标定模块的标定方式为：
三维激光雷达的坐标系xLyLzL为右手坐标系；以地面为yz平面，x轴正向垂直地面向下，车辆运行方向为z轴正向，建立一个新的右手坐标系，记为基准坐标系；从激光雷达坐标系到基准坐标系的变换按如下顺序进行：
先绕激光雷达坐标系的yL轴、通过旋转矩阵Ry变换得到中间系a，再绕中间系a的z1轴、通过旋转矩阵Rz变换得到中间系b，然后绕中间系b的x2轴、通过旋转矩阵Rx变换得到中间系c，最后经过平移变换Tx得到基准坐标系；
(1)以水平地面为参考进行偏航角和俯仰角的标定
三维激光雷达扫描地面，采集地面点云，对地面点云采用平面拟合方法确定地面点，得到激光雷达坐标系下的地平面方程AxL+ByL+CzL+D＝0，A>0，其中A、B、C、D分别为地平面方程的参数；计算得到三维激光雷达坐标系原点距离地面的高度为则相应的旋转矩阵Rz、Ry和平移变换矩阵Tx为：
其中，偏航角度俯仰角度/>
激光雷达坐标系下的点(xL,yL,zL)经如下旋转变换得到中间系b下的坐标(x2,y2,z2)：
(2)以车厢两侧挡板为参考进行横滚角的标定
车厢挡板垂直于地面，挡板顶部的高度为hb；空车厢底部平行于地面，高度为h0；在中间系b下，地面点坐标的x值为lground，挡板最高处点坐标的x值为lground﹣hb；三维激光雷达扫描车厢区域得到的雷达激光点云中，满足坐标x值与lground﹣hb的差值小于阈值的点，记为顶部挡板阈值点集，点集有两片区域，分别属于左右两侧挡板，对两片区域的所有点，分别投影到y2z2平面后进行直线拟合，得到挡板顶部在y2z2平面的两条平行直线的方程A'y2+B'z2+C'1＝0与A'y2+B'z2+C'2＝0，A'>0；相应的旋转变换矩阵Rx按如下方式定义：
其中，横滚角度或/>依据列车运行方向而定，满足在中间系c下，货运列车的运行方向为z3轴正向；中间系b下的点(x2,y2,z2)经如下旋转变换得到中间系c下的坐标(x3,y3,z3)：
中间系c下的点(x3,y3,z3)经如下平移变换得到基准坐标系下的坐标(x,y,z)：
最终得到基准坐标系下的点云坐标，点的高度信息为x坐标的负值。
优选地，所述车厢位置确定模块包括车厢终点确定子模块和车厢起点确定子模块；
所述车厢终点确定子模块，用于在基准坐标系下的物料点云中，选择属于最后一条激光线束的点云，计算x坐标的方差σend；若σend<thend，thend为设定阈值，表示本节车厢后端的挡板运行到物料扫描区域，列车已行驶到车厢终点。
所述车厢起点确定子模块，用于在基准坐标系下的物料点云中，选择属于第一条激光线束和第二条激光线束的点云，计算x坐标的方差记为σ1和σ2，若σ1<th1且σ2>th2，th1为点云变化符合挡板形态特征的阈值，th2为点云变化符合物料填充形态特征的阈值，则判定新一节车厢前端的挡板即将进入物料扫描区域，列车已行驶到新一节车厢的起点。
有益效果：
(1)本发明物料高度与偏载检测方法，能够通过激光雷达点云自动计算物料的高度和偏载信息，并将数据发送给控制器，实现物料装填的全自动化。省去了人工的判断和控制，效率和精度大大提高。相较于二维激光雷达方法，三维激光雷达检测技术获取的点云数据量更大，计算的物料高度更为准确，精度更高。相较于测重法和应力变化测量法，成本更低，效率更高。
(2)本发明根据车厢挡板高度筛选车厢左右挡板位置，进而确定物料点云；同时利用车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，确定位于车厢位置内的物料点云，进而计算物料高度和偏载度。该方案充分利用车厢高度信息、车厢挡板形态特征，和物料填充形态特征，从而能够实现车厢内物料点云的自动提取，提取方案可靠，有效。
(3)本发明提供了一种三维激光雷达安装角度的校准方法，采用自标定算法，利用水平地面和车厢左右两侧的挡板为参考，校准雷达的安装角度。此算法能参考任意的已知平面进行角度校准，不受安装角度以及平面是否为水平地面的限制，应用面更广；此外，基于自标定算法的角度校准，无需安装姿态传感器，减少硬件的使用，节约成本。
(4)本发明在计算物料高度与偏载时，进行区域划分，每个区域单独计算再进行合并。这是由于物料分布不均匀，三维激光雷达扫描得到物料点云，在不同区域点云密度不同，对物料点云进行区域划分，每个区域单独计算再进行合并，能够确保每一处的物料实际高度在进行计算时，具有相同的权值，消除点云密度分布不均的影响，提高检测的精度。
附图说明
图1为三维激光雷达安装和车厢示意图；
图2为三维激光雷达安装姿态偏航和俯仰角度校准示意图；
图3为列车车厢俯视图以及三维激光雷达安装姿态横滚角度校准示意图；
图4为车厢物料三维点云示意图；
图5为本发明基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测装置的原理图。
图中，1-三维激光雷达；2-物料装填口；3-车厢前后挡板；4-车厢左右挡板；5-货运列车车厢；6-物料检测区域；7-列车运行方向；8-三维激光雷达坐标系；9-基准坐标系；10-三维激光雷达坐标系下地面的法线；11-三维激光雷达安装姿态偏航角度；12-三维激光雷达安装姿态俯仰角度；13-三维激光雷达安装姿态横滚角度；14-车厢内物料表面点云；15-车厢间的挡板区域和空隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。本实施例的度量单位为国际单位米(m)。
本发明一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方案，该方案将三维激光雷达固定安装于物料装填区域前上方，斜着照射物料装填区域。安装之后，利用水平地面信息和车厢特征信息，运用自标定算法测定三维激光雷达安装的偏航、俯仰和横滚角度，以此校正三维激光雷达点云。通过地面反射的点云计算激光雷达与地面的相对距离，从而得到激光雷达的安装高度。在进行装料作业时，实时采集激光雷达点云，自动检测车厢两侧边界，筛选出属于物料的点云，并判断本节车厢的物料装填是否结束、以及新一节车厢的物料装填是否开始。最后处理物料的点云，计算得到物料的高度和偏载信息，并发送给自动物料装填系统。
本发明提供的基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法，包括如下步骤：
步骤一：将三维激光雷达1固定倾斜安装于物料装填口2的前方。激光雷达的前方，即激光雷达坐标系的xL轴正值方向照射物料检测区域6。
步骤二：三维激光雷达安装姿态角度自标定
三维激光雷达坐标系8为右手坐标系。以地面为yz平面，x轴正向垂直地面向下，货运列车的运行方向7为z轴正向，在三维激光雷达坐标系8正下方建立一个新的右手坐标系，记为基准坐标系9。从激光雷达坐标系8到基准坐标系9的变换按如下顺序进行：
先绕激光雷达坐标系8的yL轴、通过旋转矩阵Ry变换得到中间系a，再绕中间系a的z1轴、通过旋转矩阵Rz变换得到中间系b，然后绕中间系b的x2轴、通过旋转矩阵Rx变换得到中间系c，最后经过平移变换Tx得到基准坐标系9。
(1)偏航和俯仰角度标定
利用水平的地面为参考进行校准。三维激光雷达1扫描地面，采集地面点云，对点云采用平面拟合方法确定地面点，得到激光雷达坐标系8下的地平面方程AxL+ByL+CzL+D＝0(A>0)。计算得到三维激光雷达坐标系8原点距离地面的高度为依据地平面的法线10计算得到三维激光雷达1安装姿态的偏航角度11和俯仰角度12。则相应的旋转矩阵Rz、Ry和平移变换矩阵Tx为：
其中，偏航角度俯仰角度/>
激光雷达坐标系8下的点(xL,yL,zL)经如下旋转变换得到中间系b下的坐标(x2,y2,z2)：
(2)横滚角度标定
利用车厢左右两侧的挡板4为参考进行校准。车厢挡板垂直于地面，挡板顶部的高度为hb；空车厢底部平行于地面，高度为h0。在中间系b下，地面点坐标的x值为lground，挡板最高处点坐标的x值为lground﹣hb。三维激光雷达1扫描车厢区域得到的雷达点云中，满足坐标x值与lground﹣hb的差值小于阈值的点，记为顶部挡板阈值点集，点集有两片区域，分别属于左右两侧挡板，对两片区域的所有点，分别投影到y2z2平面后进行直线拟合，得到挡板顶部在y2z2平面的两条平行直线的方程A'y2+B'z2+C'1＝0与A'y2+B'z2+C'2＝0，A'>0。依据直线方程计算得到三维激光雷达1安装姿态的横滚角度13。相应的旋转变换按如下方式定义：
其中，横滚角度或/>依据列车运行方向7而定，满足在中间系c下，货运列车的运行方向7为z3轴正向。中间系b下的点(x2,y2,z2)经如下旋转变换得到中间系c下的坐标(x3,y3,z3)：
中间系c下的点(x3,y3,z3)经如下平移变换得到基准坐标系9下的坐标(x,y,z)：
最终得到基准坐标系9下的点云坐标，点的高度信息为x坐标的负值。
步骤三：自动确定物料点云
车厢左右挡板4垂直于地面，挡板顶部的高度为hb。空车厢底部平行于地面，高度为h0。物料装填的高度阈值为hmax，物料任意一处的高度都不可能大于阈值，并且hmax<hb。本实施例的以上高度信息为hb＝2.8、h0＝1.1和hmax＝2.3。
车厢两侧的挡板4完全平行，在基准坐标系9下，地面点坐标的x值为0，挡板最高处点坐标的x值为﹣hb。三维激光雷达1扫描车厢区域得到的雷达点云中，点的坐标(x,y,z)满足如下条件的：
|x-(-hb)|<thrange，thrange为阈值
本实施例选择的阈值thrange＝0.05。投影到yz平面得到点(yb_0,zb_0)，记为车厢挡板点集：
车厢挡板点集中的点有两片区域，分别为车厢左侧挡板顶部点与右侧挡板顶部点的投影。选择车厢左侧挡板所对应区域的点集，计算得到所有点y坐标的最小值，记为ymax；选择车厢右侧挡板所对应区域的点集，计算得到所有点y坐标的最大值，记为ymin。
在基准坐标系下，对所有激光雷达点进行筛选，点的坐标(x,y,z)满足如下条件的：
h0≤-x<hmax，ymin≤y≤ymax
即为物料的三维激光雷达点云。
步骤四：车厢起点和终点检测
物料装填的列车由多节列车车厢5组成，两节车厢之间有一定的空隙。物料装填时，货运列车车厢5平稳运行。利用物料和车厢挡板的特征，检测车厢前后挡板3，确定车厢起点和终点。物料的高度是不均匀的，并且呈现左右两侧低，中间高的特征；列车车厢的挡板近似于一个平面，并且挡板顶部的高度hb高于物料的最高高度hmax。本实施例的以上高度信息为hb＝2.8和hmax＝2.3。
三维激光雷达1通过在多个俯仰角度360°旋转式地发射激光束，然后接受目标反射回的信号，并将其与发射信号进行对比，从而测得环境中目标的距离和方位信息。具有最大俯仰角的为雷达的第一条线束，照射车厢内物料扫描区的最前方；具有最小俯仰角的为雷达的最后一条线束，照射车厢内物料扫描区的最后方。
在基准坐标系9下的物料点云中，选择属于最后一条线束的点云，坐标分别为(xi,yi,zi)(i＝1,2,…,nend)，nend为物料点云中属于最后一条线束的点云数量。计算x坐标的方差：
其中，表示x坐标的均值。
若σend<thend，thend为设定阈值，表示本节车厢后端的挡板运行到物料扫描区域，列车已行驶到车厢终点，停止物料相关数据的计算。
同样的，在基准坐标系9下的物料点云中，选择属于第一条线束的点云，坐标分别为(xi,yi,zi)(i＝1,2,…,n1)，n1为物料点云中属于第一条线束的点云数量。计算x坐标的方差：
选择属于第二条线束的点云，坐标分别为(xi,yi,zi)(i＝1,2,…,n2)，n2为物料点云中属于第二条线束的点云数量。计算x坐标的方差：
若σ1<th1且σ2>th2，表示新一节车厢前端的挡板即将完全离开物料扫描区域，列车已行驶到新一节车厢的起点，重新开始物料相关数据的计算。th1与th2为设定阈值。如此处理能够获得车厢内的物料点云14和车厢间的前后挡板区域与空隙15。本实施例选择的阈值为thend＝th1＝th2＝0.03。
步骤五：实时物料高度与偏载计算
物料点云分为左右两侧，两部分分别进行计算。
在基准坐标系9下，左侧部分的点坐标(x,y,z)满足如下条件：
右侧部分的点坐标(x,y,z)满足如下条件：
对于任一部分，物料高度呈现不均匀分布，但在物料的实际处理中，各处的高度应当被平均考虑。因此对物料点云进行分区处理。
(1)左侧部分的物料点云处理
对左侧部分的物料点云，沿y轴分成M个区域，本实施例中M＝20，分别为：
设定三维激光雷达1共有N条线束。对第i个区域，对三维激光雷达的第j条线束的nLi_j个点进行处理，计算得到第i个区域的第j条线束的点的高度平均值：
其中，﹣xk表示第j条线束中第k个点的高度值。
每一个区域计算得到N个高度值，计算第i个区域物料点云高度的平均值：
左侧部分的物料高度为：
本实施例选择的三维激光雷达为32线激光雷达，N＝32。
(2)右侧部分的物料点云处理
对右侧部分的物料点云，沿y轴分成M个区域，本实施例中M＝20，分别为：
假设三维激光雷达1共有N条线束。对第i个区域，对三维激光雷达的第j条线束的nRi_j个点进行处理，计算得到第i个区域的第j条线束的点的高度平均值：
每一个区域计算得到N个高度值，计算第i个区域物料点云高度的平均值：
右侧部分的物料高度为：
本实施例选择的三维激光雷达为32线激光雷达，N＝32。
(3)物料高度与偏载计算
实时物料高度为：
其中h0为空车厢底部的高度，本实施例中，h0＝1.1。
物料重心左右偏移量为：
p>0时，右侧重；p<0时，左侧重。
将物料的高度与偏载数据发送给物料装填系统服务端，为自动物料装填系统提供输入数据。
综上所述，本发明的目的是为了实现装车物料高度与偏载的自动检测，提出一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载自动检测装置及其工作方法。所述用于检测的三维激光雷达利用地面与车厢挡板自标定安装姿态角度，能够较高频率扫描物料表面。通过安装角度解算三维激光雷达坐标系发生的坐标变换关系，进而通过物料点云计算物料的高度和偏载情况，从而实现装车物料高度与偏载的自动检测。效率高，精度高。所检测的物料高度与偏载信息作为自动物料装填系统的输入数据，实现物料装填的全自动化。
本发明还提供了一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测装置，如图5所示，该装置包括三维激光雷达和处理装置；所述处理装置包括标定模块、物料点云提取模块、车厢位置确定模块和高度与偏载计算模块；
三维激光雷达固定倾斜安装在物料装填区上方，照射物料装填区；
标定模块实现三维激光雷达安装姿态角度自标定：以地面为参考对偏航角和俯仰角进行标定，以车厢左右两侧的挡板为参考对横滚角进行标定，获得激光雷达坐标系与基准坐标系x,y,z的转换关系；其中，基准坐标系的yz平面平行地面，x正向垂直于地面朝下；三维激光雷达进行扫描，获得三维激光雷达点云通过标定模块处理后，获得三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)，发送给物料点云提取模块；
物料点云提取模块，用于根据三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)，从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度和聚集度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围；根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云，发送给车厢位置确定模块；
车厢位置确定模块，用于在物料点云中，筛选出第一条、第二条和最后一条激光线束的点云；其中，第一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最大的线束，最后一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最小的线束；根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢挡板形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点；根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点；
高度与偏载计算模块，用于根据车厢范围内的物料点云计算物料高度与偏载。
其中，所述标定模块的标定方式在上文已经描述过，这里不赘述。
其中，车厢位置确定模块包括车厢终点确定子模块和车厢起点确定子模块；这里，车厢终点确定子模块，用于在基准坐标系下的物料点云中，选择属于最后一条激光线束的点云，计算x坐标的方差σend；若σend<thend，thend为设定阈值，表示本节车厢后端的挡板运行到物料扫描区域，列车已行驶到车厢终点；
车厢起点确定子模块，用于在基准坐标系下的物料点云中，选择属于第一条激光线束和第二条激光线束的点云，计算x坐标的方差记为σ1和σ2，若σ1<th1且σ2>th2，th1为点云变化符合挡板特征的阈值，th2为点云变化符合物料特征的阈值，则判定新一节车厢前端的挡板即将进入物料扫描区域，列车已行驶到新一节车厢的起点。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测方法，其特征在于，包括：
步骤一、固定倾斜安装三维激光雷达，三维激光雷达照射物料装填区；
步骤二、三维激光雷达安装姿态角度自标定：以水平地面为参考对偏航角和俯仰角进行标定，以车厢左右两侧的挡板为参考对横滚角进行标定，获得激光雷达坐标系与基准坐标系x,y,z的转换关系；其中，基准坐标系的yz平面平行地面，x正向垂直于地面朝下；
步骤三、提取物料点云：三维激光雷达进行扫描，获得三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)；从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围；根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云；
步骤四、确定车厢位置：在物料点云中，筛选出第一条、第二条和最后一条激光线束的点云；其中，第一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最大的线束，最后一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最小的线束；根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢挡板形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点；根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点；
步骤五、根据车厢范围内的物料点云计算物料高度与偏载。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
三维激光雷达的坐标系xLyLzL为右手坐标系；以地面为yz平面，x轴正向垂直地面向下，车辆运行方向为z轴正向，建立一个新的右手坐标系，记为基准坐标系；从激光雷达坐标系到基准坐标系的变换按如下顺序进行：
先绕激光雷达坐标系的yL轴、通过旋转矩阵Ry变换得到中间系a，再绕中间系a的z1轴、通过旋转矩阵Rz变换得到中间系b，然后绕中间系b的x2轴、通过旋转矩阵Rx变换得到中间系c，最后经过平移变换矩阵Tx得到基准坐标系；
(1)以水平地面为参考进行偏航角和俯仰角的标定
三维激光雷达扫描地面，采集地面点云，对地面点云采用平面拟合方法确定地面点，得到激光雷达坐标系下的地平面方程AxL+ByL+CzL+D＝0，A>0，其中A、B、C、D分别为地平面方程的参数；计算得到三维激光雷达坐标系原点距离地面的高度为则相应的旋转矩阵Rz、Ry和平移变换矩阵Tx为：
其中，偏航角度俯仰角度/>
激光雷达坐标系下的点(xL,yL,zL)经如下旋转变换得到中间系b下的坐标(x2,y2,z2)：
(2)以车厢两侧挡板为参考进行横滚角的标定
车厢挡板垂直于地面，挡板顶部的高度为hb；空车厢底部平行于地面，高度为h0；在中间系b下，地面点坐标的x值为lground，挡板最高处点坐标的x值为lground﹣hb；三维激光雷达扫描车厢区域得到的雷达激光点云中，满足坐标x值与lground﹣hb的差值小于阈值的点，记为顶部挡板阈值点集，点集有两片区域，分别属于左右两侧挡板，对两片区域的所有点，分别投影到y2z2平面后进行直线拟合，得到挡板顶部在y2z2平面的两条平行直线的方程A'y2+B'z2+C'1＝0与A'y2+B'z2+C'2＝0，A'>0；相应的旋转变换矩阵Rx按如下方式定义：
其中，横滚角度或/>依据列车运行方向而定，满足在中间系c下，货运列车的运行方向为z3轴正向；中间系b下的点(x2,y2,z2)经如下旋转变换得到中间系c下的坐标(x3,y3,z3)：
中间系c下的点(x3,y3,z3)经如下平移变换得到基准坐标系下的坐标(x,y,z)：
最终得到基准坐标系下的点云坐标，点的高度信息为x坐标的负值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，所述从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围为：
在基准坐标系下，地面点坐标的x值为0，挡板顶部的高度为hb，挡板最高处点坐标的x值为﹣hb；从三维激光点云中筛选出坐标(x,y,z)满足条件|x-(-hb)|＜thrange的点云，并投影到yz平面，获得车厢挡板点集；其中，thrange为阈值；
车厢挡板点集中的点有两片区域，分别为车厢左侧挡板顶部点与右侧挡板顶部点的投影；选择车厢左侧挡板所对应区域的点集，计算得到所有点y坐标的最小值，记为ymin；选择车厢右侧挡板所对应区域的点集，计算得到所有点y坐标的最大值，记为ymax；ymin和ymax组成了所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中，所述根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云为：
在基准坐标系下，对所有激光雷达点进行筛选，点的坐标(x,y,z)满足如下条件的点，即为物料点云：
h0≤-x＜hmax，ymin≤y≤ymax
其中，h0为空车厢底部高度，hmax为物料装填的高度阈值，hmax<hb。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢挡板形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点为：
在基准坐标系下的物料点云中，选择属于最后一条激光线束的点云，计算x坐标的方差σend；若σend＜thend，thend为设定阈值，表示本节车厢后端的挡板运行到物料扫描区域，列车已行驶到车厢终点。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点为：
在基准坐标系下的物料点云中，选择属于第一条激光线束和第二条激光线束的点云，分别计算x坐标的方差记为σ1和σ2，若σ1＜th1且σ2＞th2，th1为点云变化符合挡板形态特征的阈值，th2为点云变化符合物料填充形态特征的阈值，则判定新一节车厢前端的挡板即将进入物料扫描区域，列车已行驶到新一节车厢的起点。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤五为：
步骤501：将物料点云相对于列车分为左右两侧，两部分分别进行如下计算：
在基准坐标系下，根据单侧车厢挡板的y坐标和车厢中线的y坐标，筛选出单侧车厢的物料点云；
对于单侧车厢的物料点云，沿y轴分为M个区域；三维激光雷达共有N条激光线束；针对每一个区域，对N条激光线束的每一条激光线束的所有点云的x坐标取平均值，每一个区域分别得到N条线束对应的物料点云高度；将N条线束对应的点云高度取平均值，获得当前区域对应的物料点云高度；对M个区域的物料点云高度取平均值，即为单侧车厢的物料高度；
步骤502：物料高度与偏载计算：
实时物料高度h为：
其中，h0为空车厢底部的高度，hL为左侧车厢的物料高度，hR为右侧车厢的物料高度；
物料重心左右偏移量p为：
p>0时，右侧重；p<0时，左侧重，ymin和ymax分别为车厢挡板位置对应的两个y轴坐标极限值。
8.一种基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测装置，其特征在于，包括三维激光雷达和处理装置；所述处理装置包括标定模块、物料点云提取模块、车厢位置确定模块和高度与偏载计算模块；
三维激光雷达固定倾斜安装在物料装填区上方，照射物料装填区；
标定模块实现三维激光雷达安装姿态角度自标定：以地面为参考对偏航角和俯仰角进行标定，以车厢左右两侧的挡板为参考对横滚角进行标定，获得激光雷达坐标系与基准坐标系x,y,z的转换关系；其中，基准坐标系的yz平面平行地面，x正向垂直于地面朝下；三维激光雷达进行扫描，获得三维激光雷达点云通过标定模块处理后，获得三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)，发送给物料点云提取模块；
物料点云提取模块，用于根据三维激光雷达点云在基准坐标系下的坐标(x,y,z)，从三维激光点云中筛选出符合车厢挡板高度的车厢挡板点云，获得车厢挡板位置对应的y轴坐标范围；根据车厢挡板高度的限制和所述车厢挡板位置对应的y轴坐标范围，筛选出物料点云，发送给车厢位置确定模块；
车厢位置确定模块，用于在物料点云中，筛选出第一条、第二条和最后一条激光线束的点云；其中，第一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最大的线束，最后一条激光线束为三维激光雷达俯仰角最小的线束；根据最后一条激光线束的点云高度即x坐标是否满足车厢形态特征，以确定车辆是否行使到当前车厢的终点；根据第一条和第二条激光线束的点云高度是否分别满足车厢挡板形态特征和物料填充形态特征，以确定车辆是否行使到下一节车厢的起点；
高度与偏载计算模块，用于根据车厢范围内的物料点云计算物料高度与偏载。
9.如权利要求8所述的基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测装置，其特征在于，所述标定模块的标定方式为：
三维激光雷达的坐标系xLyLzL为右手坐标系；以地面为yz平面，x轴正向垂直地面向下，车辆运行方向为z轴正向，建立一个新的右手坐标系，记为基准坐标系；从激光雷达坐标系到基准坐标系的变换按如下顺序进行：
先绕激光雷达坐标系的yL轴、通过旋转矩阵Ry变换得到中间系a，再绕中间系a的z1轴、通过旋转矩阵Rz变换得到中间系b，然后绕中间系b的x2轴、通过旋转矩阵Rx变换得到中间系c，最后经过平移变换Tx得到基准坐标系；
(1)以水平地面为参考进行偏航角和俯仰角的标定
三维激光雷达扫描地面，采集地面点云，对地面点云采用平面拟合方法确定地面点，得到激光雷达坐标系下的地平面方程AxL+ByL+CzL+D＝0，A>0，其中A、B、C、D分别为地平面方程的参数；计算得到三维激光雷达坐标系原点距离地面的高度为则相应的旋转矩阵Rz、Ry和平移变换矩阵Tx为：
其中，偏航角度俯仰角度/>
激光雷达坐标系下的点(xL,yL,zL)经如下旋转变换得到中间系b下的坐标(x2,y2,z2)：
(2)以车厢两侧挡板为参考进行横滚角的标定
车厢挡板垂直于地面，挡板顶部的高度为hb；空车厢底部平行于地面，高度为h0；在中间系b下，地面点坐标的x值为lground，挡板最高处点坐标的x值为lground﹣hb；三维激光雷达扫描车厢区域得到的雷达激光点云中，满足坐标x值与lground﹣hb的差值小于阈值的点，记为顶部挡板阈值点集，点集有两片区域，分别属于左右两侧挡板，对两片区域的所有点，分别投影到y2z2平面后进行直线拟合，得到挡板顶部在y2z2平面的两条平行直线的方程A'y2+B'z2+C'1＝0与A'y2+B'z2+C'2＝0，A'>0；相应的旋转变换矩阵Rx按如下方式定义：
其中，横滚角度或/>依据列车运行方向而定，满足在中间系c下，货运列车的运行方向为z3轴正向；中间系b下的点(x2,y2,z2)经如下旋转变换得到中间系c下的坐标(x3,y3,z3)：
中间系c下的点(x3,y3,z3)经如下平移变换得到基准坐标系下的坐标(x,y,z)：
最终得到基准坐标系下的点云坐标，点的高度信息为x坐标的负值。
10.如权利要求8所述的基于三维激光雷达的装车物料高度与偏载检测装置，其特征在于，所述车厢位置确定模块包括车厢终点确定子模块和车厢起点确定子模块；
所述车厢终点确定子模块，用于在基准坐标系下的物料点云中，选择属于最后一条激光线束的点云，计算x坐标的方差σend；若σend＜thend，thend为设定阈值，表示本节车厢后端的挡板运行到物料扫描区域，列车已行驶到车厢终点；
所述车厢起点确定子模块，用于在基准坐标系下的物料点云中，选择属于第一条激光线束和第二条激光线束的点云，计算x坐标的方差记为σ1和σ2，若σ1＜th1且σ2＞th2，th1为点云变化符合挡板形态特征的阈值，th2为点云变化符合物料填充形态特征的阈值，则判定新一节车厢前端的挡板即将进入物料扫描区域，列车已行驶到新一节车厢的起点。
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