多激光雷达协同工作与数据处理方法技术

一种码头集装箱自动化技术领域的多激光雷达协同工作与数据处理方法，采用激光雷达协同工作、目标分块扫描、扫描数据动态加权处理、扫描雷达故障自动屏蔽和系统结构自动调整来实现，具体为：在雷达控制与主处理模块的协调控制下，各个雷达并行独立完成目标分块扫描与扫描数据动态加权处理；实时地对每个雷达的采集数据进行有效性验证，如果某个激光雷达发生故障，则终止该雷达线程并屏蔽其功能，并将雷达状态反馈给系统状态显示模块；雷达控制与主处理模块根据系统拓扑结构，自适应进行坐标匹配与误差补偿的动态数据处理，完成对目标多个表面的扫描识别任务。本发明专利技术有效提高了装卸效率，为检修维护带来了极大的便利，保证了生产安全连续的进行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种码头集装箱自动化
的方法，具体是一种自动化无人堆场“吊具—集卡—集装箱”定位的。
技术介绍
集装箱码头生产的自动化是未来港口装卸的发展趋势，受到世界各大港口的重视。当今已经建成的全自动化集装箱码头中，采用AGV(全自动无人驾驶自动导向搬运车)实现码头内集装箱的水平运输，这样当AGV运行到RMG(轨道龙门起重机)下后，只需通过定位传感器，便可方便准确的实现AGV的定位。但是在自动化堆场建设初期，由于财力和技术上的不成熟，一般只会在港口部分区域的堆场采用自动化装卸技术，进行试验性生产，局部实现集装箱生产的自动化，因而不可能对堆场内的集装箱运输采用AGV；而且，由于国内的集装箱陆路运输主要为集卡，码头集装箱运输表现为内集卡与外集卡并存的一种模式，因而，即使将内集卡采用AGV替代，也无法避免RMG对外集卡的装卸，从而需要实现RMG对集卡的准确对箱定位。为适应现有的集装箱码头的生产条件和集装箱自动化装卸的发展需要，目前一般多采用单个3D激光雷达对物体进行非接触式扫描测量，来进行设定目标位置与姿态的精确测量与定位。但是单个激光雷达(以下简称LR)在只能从一个视角进行扫描测量，对于被遮挡部分地轮廓和形貌只能通过模型进行猜测判断。而且扫描仪的扫描精度与速度直接受到扫描棱镜转动精度、三维扫描电机转动速度及精度的制约，加上软件处理算法和硬件控制技术简单，扫描识别能力非常有限。同时由于一个激光扫描器工作，系统存在错误冗余工作性能不足。因此，迫切需要一种能够快速准确的实现RMG吊具一集卡对箱的多激光雷达协同工作处理的新模式与数据处理方法，并能够提供较强的冗余容错能力。经对现有技术的文献检索发现，郑德华等在《测绘工程》上发表的“三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析”，将三维激光扫描技术分为径向三维激光雷达、相位干涉法扫描系统和三角法扫描系统三种类型。并且从仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界环境条件影响三个方面分析了三维激光扫描系统误差影响。对径向三维激光雷达器的测量误差影响因素进行了较为全面地理论分析，并指出了测距误差和扫描角误差是三维激光扫描误差的主要误差源。但是还未见到有关自动化堆场中实现RMG对集卡的对箱定位系统中多激光雷达协同工作处理工作模式和数据处理方法的论述或者相关应用的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有单激光雷达定位处理技术中的系统响应速度不够，错误冗余可靠性差的不足，提供一种。本专利技术是由多激光雷达组成的对集装箱卡车锁头及集装箱锁孔的快速协同扫描的新工作模式与相应的数据处理新方法，使RMG在大车运行方向的运动受到限制的情况下，快速完成吊具对集卡的精确对箱定位，从而实现RMG对集卡的集装箱自动化快速装卸，系统具有极强的冗余容错能力。本专利技术具体通过以下技术方案实现的，本专利技术采用多激光雷达系统(以下简称MLRS)，并通过激光雷达协同工作、目标分块扫描、扫描数据动态加权处理、扫描雷达故障自动屏蔽和系统结构自动调整五个技术来实现，其中采用雷达控制与主处理模块为每个雷达生成对应的雷达数据采集子线程和雷达数据处理子线程；采用雷达状态监控与故障处理模块对系统中每个激光雷达的状态进行实时的故障监测、诊断，并且对其中的故障激光雷达进行功能屏蔽；采用系统状态监控模块监测多激光雷达系统中的各个硬件设备的工作状态(包括各个激光雷达、驱动雷达实现三维扫描的伺服电机、电机运动控制卡、各个数据传输接口等)并进行实时显示与报警，各个模块均由独立线程来实现，各模块间通过内存共享来实现参数传递与信息交互。在雷达控制与主处理模块的协调控制下，各个雷达并行独立完成目标分块扫描与扫描数据动态加权处理；系统运行中实时地对每个雷达的采集数据进行有效性验证，如果某个激光雷达发生故障，则终止该雷达线程并屏蔽其功能，并将雷达状态反馈给系统状态显示模块；雷达控制与主处理模块根据系统拓扑结构，自适应进行坐标匹配与误差补偿的动态数据处理，完成对目标多个表面的扫描识别任务以下对本专利技术中的内容作进一步的说明1.激光雷达协同工作每个LR均通过独立的线程控制，MLRS并非按次序的操作每个LR进行扫描，而是在MLRS雷达控制与主处理模块的控制下，通过同步多个雷达的运行动作，各雷达协同工作完成扫描任务。在此模式下，即使多个LR同时工作，扫描时间也不会大于单个LR扫描时间。MLRS对各LR数据实时地并行采集与处理，极大地提高了数据处理速度，并保持各LR间的高度独立性。MLRS可以通过同步两个或两个以上LR的运行动作(扫描角度、扫描速度等)来实现更高级的应用功能(例如测量传送带上物体或流体的体积、质量等等)，系统具有很强的可扩展性。2.目标分块扫描每个LR并不对视野内的目标面进行完整扫描，而是由MLRS设定每个雷达的扫描区域(不完全扫描)，这样可以显著提高扫描速度。通过安装多个LR，可以使目标物体所有外表面都在MLRS的视野范围内。MLRS根据待扫描目标的外形，设定重要区域分布及重叠率，计算出各个雷达的扫描角度范围，用各雷达的扫描区域合并来覆盖整个待扫描范围。用合适的扫描重叠区域覆盖重要目标区域，对重叠区域内数据进行误差补偿运算，显著提高了扫描精度。通过安装并设置多个LR扫描区域重叠，可以使扫描对象的每个表面都有2个或以上LR可以扫描监测到。对于集装箱目标，可完整的识别到各个锁孔或锁头的精确位置。MLRS根据任务要求的扫描精度和速度以及当前的拓扑结构，通过优化配置来动态确定每个工作LR的扫描区域，来适应不同的应用场合。3.扫描数据动态加权处理采用多个LR从不同角度扫描的方式，将不同视角的数据按照基于神经网络的动态权值分配算法进行加权处理，最终生成补偿误差后的目标轮廓坐标，大幅提高数据精度。具体工作步骤如下1)在系统运行前，利用神经网络技术，根据现场实测数据建立基于距离和反射率的初始权值表；2)神经网络采用MLP(多层感知器)结构，训练算法采用SDBP(SteepestDescent Back Propagation)算法，即最速下降反向传播算法。网络的输入为距离与反射率，输出为对应的数据权值(置信度)，距离LR越近、反射率越大的数据权值越大。3)数据处理主模块从雷达状态监控模块获得各LR状态，获得当前正常工作的LR数目；4)为每个正常LR产生对应的数据处理子线程，对采集到的距离数据值查询初始权值表，插值计算对应权值，计算出距离置信范围，完成后置位“处理完毕信号量”。5)数据处理主模块等待所有正常LR处理完毕后，根据当前MLRS拓扑结构对目标点进行绝对方式的坐标匹配，即使用预先设定的公共坐标系进行匹配；6)对各重合点采用误差补偿处理算法，计算出误差补偿后的目标坐标值。由于此权值分配算法基于目标点与LR的相对距离和目标反射率来计算，使得测量距离值较小的、目标反射率较大的测量数据可以获得较大的权值，经过误差补偿计算后显著提高了扫描精度。4.扫描雷达故障自动屏蔽当某些LR因故障而被关闭时，可以屏蔽这些失效的LR，系统在不停机的情况下，使用其它LR继续完成扫描任务。遍历正常LR链表，对每个LR的采集数据进行有效性验证，如果该LR发生故障则终止此LR线程，将其加入故障LR链表，并在系统状态监控模块显示故障且报警。如果LR发生以下错误则可以判断其发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多激光雷达协同工作与数据处理方法，其特征在于，采用多激光雷达系统，并通过激光雷达协同工作、目标分块扫描、扫描数据动态加权处理、扫描雷达故障自动屏蔽和系统结构自动调整来实现，其中：采用雷达控制与主处理模块为每个雷达生成对应的雷达数据采集子线程和雷达数据处理子线程；采用雷达状态监控与故障处理模块对系统中每个激光雷达的状态进行实时的故障监测、诊断，并且对其中的故障激光雷达进行功能屏蔽；采用系统状态监控模块监测多激光雷达系统中的各个硬件设备的工作状态并进行实时显示与报警；各个模块均由独立线程来实现，各模块间通过内存共享来实现参数传递与信息交互，在雷达控制与主处理模块的协调控制下，各个雷达并行独立完成目标分块扫描与扫描数据动态加权处理；系统运行中实时地对每个雷达的采集数据进行有效性验证，如果某个激光雷达发生故障，则终止该雷达线程并屏蔽其功能，并将雷达状态反馈给系统状态显示模块；雷达控制与主处理模块根据系统拓扑结构，自适应进行坐标匹配与误差补偿的动态数据处理，完成对目标多个表面的扫描识别任务。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜正春，王建，吕潮峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]