專利名稱：多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碼頭集裝箱自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)“吊具—集卡—集裝箱”定位的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法。
背景技術(shù)：
集裝箱碼頭生產(chǎn)的自動(dòng)化是未來(lái)港口裝卸的發(fā)展趨勢(shì)，受到世界各大港口的重視。當(dāng)今已經(jīng)建成的全自動(dòng)化集裝箱碼頭中，采用AGV(全自動(dòng)無(wú)人駕駛自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn)車)實(shí)現(xiàn)碼頭內(nèi)集裝箱的水平運(yùn)輸，這樣當(dāng)AGV運(yùn)行到RMG(軌道龍門起重機(jī))下后，只需通過(guò)定位傳感器，便可方便準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)AGV的定位。但是在自動(dòng)化堆場(chǎng)建設(shè)初期，由于財(cái)力和技術(shù)上的不成熟，一般只會(huì)在港口部分區(qū)域的堆場(chǎng)采用自動(dòng)化裝卸技術(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)性生產(chǎn)，局部實(shí)現(xiàn)集裝箱生產(chǎn)的自動(dòng)化，因而不可能對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)的集裝箱運(yùn)輸采用AGV；而且，由于國(guó)內(nèi)的集裝箱陸路運(yùn)輸主要為集卡，碼頭集裝箱運(yùn)輸表現(xiàn)為內(nèi)集卡與外集卡并存的一種模式，因而，即使將內(nèi)集卡采用AGV替代，也無(wú)法避免RMG對(duì)外集卡的裝卸，從而需要實(shí)現(xiàn)RMG對(duì)集卡的準(zhǔn)確對(duì)箱定位。
為適應(yīng)現(xiàn)有的集裝箱碼頭的生產(chǎn)條件和集裝箱自動(dòng)化裝卸的發(fā)展需要，目前一般多采用單個(gè)3D激光雷達(dá)對(duì)物體進(jìn)行非接觸式掃描測(cè)量，來(lái)進(jìn)行設(shè)定目標(biāo)位置與姿態(tài)的精確測(cè)量與定位。但是單個(gè)激光雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱LR)在只能從一個(gè)視角進(jìn)行掃描測(cè)量，對(duì)于被遮擋部分地輪廓和形貌只能通過(guò)模型進(jìn)行猜測(cè)判斷。而且掃描儀的掃描精度與速度直接受到掃描棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)精度、三維掃描電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度及精度的制約，加上軟件處理算法和硬件控制技術(shù)簡(jiǎn)單，掃描識(shí)別能力非常有限。同時(shí)由于一個(gè)激光掃描器工作，系統(tǒng)存在錯(cuò)誤冗余工作性能不足。因此，迫切需要一種能夠快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)RMG吊具一集卡對(duì)箱的多激光雷達(dá)協(xié)同工作處理的新模式與數(shù)據(jù)處理方法，并能夠提供較強(qiáng)的冗余容錯(cuò)能力。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，鄭德華等在《測(cè)繪工程》[(2005)14(2)32-34，56]上發(fā)表的“三維激光掃描儀及其測(cè)量誤差影響因素分析”，將三維激光掃描技術(shù)分為徑向三維激光雷達(dá)、相位干涉法掃描系統(tǒng)和三角法掃描系統(tǒng)三種類型。并且從儀器誤差、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件影響三個(gè)方面分析了三維激光掃描系統(tǒng)誤差影響。對(duì)徑向三維激光雷達(dá)器的測(cè)量誤差影響因素進(jìn)行了較為全面地理論分析，并指出了測(cè)距誤差和掃描角誤差是三維激光掃描誤差的主要誤差源。但是還未見(jiàn)到有關(guān)自動(dòng)化堆場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)RMG對(duì)集卡的對(duì)箱定位系統(tǒng)中多激光雷達(dá)協(xié)同工作處理工作模式和數(shù)據(jù)處理方法的論述或者相關(guān)應(yīng)用的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有單激光雷達(dá)定位處理技術(shù)中的系統(tǒng)響應(yīng)速度不夠，錯(cuò)誤冗余可靠性差的不足，提供一種多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法。本發(fā)明是由多激光雷達(dá)組成的對(duì)集裝箱卡車鎖頭及集裝箱鎖孔的快速協(xié)同掃描的新工作模式與相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理新方法，使RMG在大車運(yùn)行方向的運(yùn)動(dòng)受到限制的情況下，快速完成吊具對(duì)集卡的精確對(duì)箱定位，從而實(shí)現(xiàn)RMG對(duì)集卡的集裝箱自動(dòng)化快速裝卸，系統(tǒng)具有極強(qiáng)的冗余容錯(cuò)能力。
本發(fā)明具體通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用多激光雷達(dá)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱MLRS)，并通過(guò)激光雷達(dá)協(xié)同工作、目標(biāo)分塊掃描、掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理、掃描雷達(dá)故障自動(dòng)屏蔽和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整五個(gè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中采用雷達(dá)控制與主處理模塊為每個(gè)雷達(dá)生成對(duì)應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子線程和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理子線程；采用雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控與故障處理模塊對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)激光雷達(dá)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障監(jiān)測(cè)、診斷，并且對(duì)其中的故障激光雷達(dá)進(jìn)行功能屏蔽；采用系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊監(jiān)測(cè)多激光雷達(dá)系統(tǒng)中的各個(gè)硬件設(shè)備的工作狀態(tài)(包括各個(gè)激光雷達(dá)、驅(qū)動(dòng)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)三維掃描的伺服電機(jī)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡、各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口等)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警，各個(gè)模塊均由獨(dú)立線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，各模塊間通過(guò)內(nèi)存共享來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞與信息交互。在雷達(dá)控制與主處理模塊的協(xié)調(diào)控制下，各個(gè)雷達(dá)并行獨(dú)立完成目標(biāo)分塊掃描與掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理；系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)時(shí)地對(duì)每個(gè)雷達(dá)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，如果某個(gè)激光雷達(dá)發(fā)生故障，則終止該雷達(dá)線程并屏蔽其功能，并將雷達(dá)狀態(tài)反饋給系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊；雷達(dá)控制與主處理模塊根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自適應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)目標(biāo)多個(gè)表面的掃描識(shí)別任務(wù)以下對(duì)本發(fā)明中的內(nèi)容作進(jìn)一步的說(shuō)明1.激光雷達(dá)協(xié)同工作每個(gè)LR均通過(guò)獨(dú)立的線程控制，MLRS并非按次序的操作每個(gè)LR進(jìn)行掃描，而是在MLRS雷達(dá)控制與主處理模塊的控制下，通過(guò)同步多個(gè)雷達(dá)的運(yùn)行動(dòng)作，各雷達(dá)協(xié)同工作完成掃描任務(wù)。在此模式下，即使多個(gè)LR同時(shí)工作，掃描時(shí)間也不會(huì)大于單個(gè)LR掃描時(shí)間。MLRS對(duì)各LR數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地并行采集與處理，極大地提高了數(shù)據(jù)處理速度，并保持各LR間的高度獨(dú)立性。
MLRS可以通過(guò)同步兩個(gè)或兩個(gè)以上LR的運(yùn)行動(dòng)作(掃描角度、掃描速度等)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的應(yīng)用功能(例如測(cè)量傳送帶上物體或流體的體積、質(zhì)量等等)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
2.目標(biāo)分塊掃描每個(gè)LR并不對(duì)視野內(nèi)的目標(biāo)面進(jìn)行完整掃描，而是由MLRS設(shè)定每個(gè)雷達(dá)的掃描區(qū)域(不完全掃描)，這樣可以顯著提高掃描速度。通過(guò)安裝多個(gè)LR，可以使目標(biāo)物體所有外表面都在MLRS的視野范圍內(nèi)。
MLRS根據(jù)待掃描目標(biāo)的外形，設(shè)定重要區(qū)域分布及重疊率，計(jì)算出各個(gè)雷達(dá)的掃描角度范圍，用各雷達(dá)的掃描區(qū)域合并來(lái)覆蓋整個(gè)待掃描范圍。用合適的掃描重疊區(qū)域覆蓋重要目標(biāo)區(qū)域，對(duì)重疊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償運(yùn)算，顯著提高了掃描精度。
通過(guò)安裝并設(shè)置多個(gè)LR掃描區(qū)域重疊，可以使掃描對(duì)象的每個(gè)表面都有2個(gè)或以上LR可以掃描監(jiān)測(cè)到。對(duì)于集裝箱目標(biāo)，可完整的識(shí)別到各個(gè)鎖孔或鎖頭的精確位置。
MLRS根據(jù)任務(wù)要求的掃描精度和速度以及當(dāng)前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化配置來(lái)動(dòng)態(tài)確定每個(gè)工作LR的掃描區(qū)域，來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。
3.掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理采用多個(gè)LR從不同角度掃描的方式，將不同視角的數(shù)據(jù)按照基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)權(quán)值分配算法進(jìn)行加權(quán)處理，最終生成補(bǔ)償誤差后的目標(biāo)輪廓坐標(biāo)，大幅提高數(shù)據(jù)精度。
具體工作步驟如下1)在系統(tǒng)運(yùn)行前，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立基于距離和反射率的初始權(quán)值表；2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用MLP(多層感知器)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練算法采用SDBP(SteepestDescent Back Propagation)算法，即最速下降反向傳播算法。網(wǎng)絡(luò)的輸入為距離與反射率，輸出為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)值(置信度)，距離LR越近、反射率越大的數(shù)據(jù)權(quán)值越大。
3)數(shù)據(jù)處理主模塊從雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控模塊獲得各LR狀態(tài)，獲得當(dāng)前正常工作的LR數(shù)目；4)為每個(gè)正常LR產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子線程，對(duì)采集到的距離數(shù)據(jù)值查詢初始權(quán)值表，插值計(jì)算對(duì)應(yīng)權(quán)值，計(jì)算出距離置信范圍，完成后置位“處理完畢信號(hào)量”。
5)數(shù)據(jù)處理主模塊等待所有正常LR處理完畢后，根據(jù)當(dāng)前MLRS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)方式的坐標(biāo)匹配，即使用預(yù)先設(shè)定的公共坐標(biāo)系進(jìn)行匹配；6)對(duì)各重合點(diǎn)采用誤差補(bǔ)償處理算法，計(jì)算出誤差補(bǔ)償后的目標(biāo)坐標(biāo)值。
由于此權(quán)值分配算法基于目標(biāo)點(diǎn)與LR的相對(duì)距離和目標(biāo)反射率來(lái)計(jì)算，使得測(cè)量距離值較小的、目標(biāo)反射率較大的測(cè)量數(shù)據(jù)可以獲得較大的權(quán)值，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償計(jì)算后顯著提高了掃描精度。
4.掃描雷達(dá)故障自動(dòng)屏蔽當(dāng)某些LR因故障而被關(guān)閉時(shí)，可以屏蔽這些失效的LR，系統(tǒng)在不停機(jī)的情況下，使用其它LR繼續(xù)完成掃描任務(wù)。遍歷正常LR鏈表，對(duì)每個(gè)LR的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，如果該LR發(fā)生故障則終止此LR線程，將其加入故障LR鏈表，并在系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊顯示故障且報(bào)警。
如果LR發(fā)生以下錯(cuò)誤則可以判斷其發(fā)生故障①數(shù)據(jù)全零②數(shù)據(jù)全為最大量程③重合點(diǎn)坐標(biāo)與其它雷達(dá)明顯抵觸④雷達(dá)無(wú)響應(yīng)⑤雷達(dá)產(chǎn)生其它錯(cuò)誤系統(tǒng)所采用的故障自動(dòng)屏蔽技術(shù)，保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性，也給系統(tǒng)檢修提供了有利的時(shí)間保證。
5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整當(dāng)某些LR因故障被屏蔽后，系統(tǒng)退化成較低級(jí)的掃描系統(tǒng)。這種系統(tǒng)模式的降級(jí)和退化，可能會(huì)降低一定的掃描精度，但仍能夠保證定位任務(wù)不間斷的順利完成。
隨著故障臺(tái)數(shù)的增多，系統(tǒng)自動(dòng)的逐層降級(jí)，可以在擁有最小工作數(shù)量LR的基礎(chǔ)上進(jìn)行“最小運(yùn)行模式”，此時(shí)系統(tǒng)功能最簡(jiǎn)化，仍然完成掃描任務(wù)；當(dāng)某些LR故障被修復(fù)后，通過(guò)上位程序的確認(rèn)后，通過(guò)重置其狀態(tài)為“正常”，重啟該LR數(shù)據(jù)采集線程，可實(shí)時(shí)升級(jí)MLRS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；每當(dāng)MLRS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，系統(tǒng)立即重新根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)化(或退化)系統(tǒng)模式，自適應(yīng)地確定合適的坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償算法，并且重新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分塊，為各個(gè)工作LR分配新的掃描區(qū)域，在不停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)“即插即用”。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整功能在雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控模塊中實(shí)現(xiàn)，主要步驟如下1)更新各LR狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前正常工作的雷達(dá)數(shù)，以此建立正常LR的句柄鏈表；2)故障后已經(jīng)修復(fù)的LR，重置其狀態(tài)為“正?！?，從故障雷達(dá)鏈表中刪除該雷達(dá)句柄，并啟動(dòng)LR采集線程，加入正常雷達(dá)鏈表，重新投入工作；3)進(jìn)行故障自動(dòng)診斷屏蔽處理；4)根據(jù)當(dāng)前MLRS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更新坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償算法；5)根據(jù)當(dāng)前MLRS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新分配各雷達(dá)掃描區(qū)域；6)將當(dāng)前雷達(dá)狀態(tài)信息反饋給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊，進(jìn)行顯示和報(bào)警處理。
本發(fā)明提供“吊具—集卡對(duì)箱”的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，創(chuàng)新性的整合應(yīng)用了多個(gè)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)，大幅的提高了識(shí)別精度和速度，并提供了極強(qiáng)的系統(tǒng)冗余容錯(cuò)能力。滿足自動(dòng)化堆場(chǎng)內(nèi)RMG對(duì)集卡裝卸集裝箱的高精度對(duì)箱定位要求，有效提高了裝卸效率，為檢修維護(hù)帶來(lái)了極大的便利，保證了生產(chǎn)安全連續(xù)的進(jìn)行。


圖1為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的多激光雷達(dá)系統(tǒng)布局示意圖(主視圖)；圖2為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的多激光雷達(dá)系統(tǒng)布局示意圖(俯視圖)；圖3為MLRS模塊組織結(jié)構(gòu)圖；圖4為權(quán)值動(dòng)態(tài)分配的誤差補(bǔ)償處理流程圖；圖5為單個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖；圖6為故障自動(dòng)診斷屏蔽工作流程圖；圖7為雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的技術(shù)采用多激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體工作流程如下1.在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)訓(xùn)練權(quán)值分配網(wǎng)絡(luò)，建立基于距離和反射率的初始權(quán)值表；2.MLRS啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)自檢，進(jìn)行一系列的初始化，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描區(qū)域分塊，確定各工作雷達(dá)的掃描區(qū)域；3.各個(gè)雷達(dá)工作子線程獨(dú)立執(zhí)行掃描任務(wù)，將報(bào)文預(yù)處理生成測(cè)量數(shù)據(jù)，并查表插值計(jì)算出數(shù)據(jù)權(quán)值，生成掃描數(shù)據(jù)的置信距離域；4.MLRS運(yùn)行中，監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行故障自動(dòng)診斷及屏蔽。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，當(dāng)有雷達(dá)發(fā)生故障時(shí)(數(shù)據(jù)異常、重合點(diǎn)數(shù)據(jù)與其它雷達(dá)明顯抵觸、雷達(dá)錯(cuò)誤等)，立即終止其線程，并且屏蔽其工作；5.MLRS運(yùn)行中，監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視雷達(dá)狀態(tài)。當(dāng)有雷達(dá)發(fā)生故障或者有已修復(fù)的雷達(dá)加入工作時(shí)，MLRS立即重新根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)化(或退化)系統(tǒng)模式，自適應(yīng)地確定合適的坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償算法，并且為各個(gè)工作LR分配新的掃描區(qū)域，并反饋結(jié)果系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊；6.各個(gè)正常雷達(dá)獨(dú)立地同時(shí)進(jìn)行掃描，待所有雷達(dá)掃描處理完數(shù)據(jù)后，MLRS雷達(dá)控制與主處理模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償處理；7.MLRS雷達(dá)控制與主處理模塊根據(jù)最終的目標(biāo)坐標(biāo)，進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算與辨識(shí)處理；根據(jù)最后處理結(jié)果，發(fā)送目標(biāo)值給控制系統(tǒng)。
以下結(jié)合附圖和具體工作步驟對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
附圖中示出了本發(fā)明的一種典型實(shí)施方式——四激光雷達(dá)系統(tǒng)(QuadrupleLaser Radar System，以下簡(jiǎn)稱QLRS)，該實(shí)施方式用于實(shí)現(xiàn)一種高低架軌道龍門起重機(jī)裝卸工藝中，低架軌道龍門起重機(jī)下集卡的對(duì)箱定位。
圖1為吊具—集卡對(duì)箱定位系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。如圖1所示，1-RMG大車，2-RMG小車，3-3D激光雷達(dá)，4-RMG橫梁，5-RMG吊具，6-集裝箱，7-集卡對(duì)位指示裝置，8-集卡，9-RMG小車運(yùn)行方向。雙向箭頭9示出了RMG小車(2)的運(yùn)行方向，RMG大車(1)的運(yùn)行方向與該方向垂直(水平運(yùn)動(dòng))。四個(gè)3D激光雷達(dá)(3)均布安裝在RMG低架橫梁(4)上。
圖2為四個(gè)3D激光雷達(dá)在RMG低架橫梁上的安裝示意圖。如圖2所示，1-RMG大車，2-RMG小車，3-3D激光雷達(dá)，4-RMG小車運(yùn)行方向，5-RMG吊具，6-集裝箱，7-集卡運(yùn)動(dòng)方向。四個(gè)3D激光雷達(dá)(3)沿集裝箱對(duì)角線方向?qū)ΨQ安裝在RMG大車低架橫梁(4)上。
圖3為多激光雷達(dá)系統(tǒng)模塊組織結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主線程生成雷達(dá)控制與主處理模塊、雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控與故障處理模塊、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊等。其中雷達(dá)控制與主處理模塊為每個(gè)雷達(dá)生成對(duì)應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子線程和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理子線程。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容是通過(guò)以下具體系統(tǒng)工作流程實(shí)現(xiàn)的1.為了實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加權(quán)處理，在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)訓(xùn)練權(quán)值分配網(wǎng)絡(luò)，建立基于距離和反射率的初始權(quán)值表；2.QLRS啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)自檢，初始化正常雷達(dá)鏈表和故障雷達(dá)鏈表，根據(jù)任務(wù)的速度、精度要求，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描區(qū)域分塊，確定各工作雷達(dá)的掃描區(qū)域。QLRS系統(tǒng)分別同步地從就近視點(diǎn)掃描集卡或者箱體的不同表面，直至有部分表面重疊，每個(gè)LR的掃描區(qū)域必須覆蓋包含就近頂點(diǎn)的四分之一的頂面、可視區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)側(cè)面的近二分之一的面積。重疊部分的多少可以由掃描控制軟件通過(guò)設(shè)置每一個(gè)激光雷達(dá)的掃描起始角度來(lái)實(shí)現(xiàn)，識(shí)別出裝箱過(guò)程集卡的鎖頭或卸箱過(guò)程箱體鎖孔的精確位置。
3.各個(gè)雷達(dá)子線程根據(jù)系統(tǒng)分配的掃描區(qū)域，獨(dú)立執(zhí)行掃描任務(wù)。對(duì)于集卡或集裝箱每一個(gè)表面的掃描任務(wù)可以分解為兩類箱體頂面和四個(gè)側(cè)面。對(duì)于頂面的處理方法是通過(guò)集卡的粗定位，使得集卡或集裝箱的頂面處于四個(gè)LR的視野之內(nèi)。每個(gè)LR分別從距離自身安裝位置最近的頂點(diǎn)逐漸掃過(guò)頂面中心位置，在頂面中心區(qū)域各自對(duì)其進(jìn)行不完全掃描，用四個(gè)LR采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊部分的補(bǔ)償運(yùn)算得出比各自掃描精度更高的坐標(biāo)值。對(duì)于側(cè)面的處理方法是每個(gè)側(cè)面處于兩個(gè)相鄰LR的視野之內(nèi)。每個(gè)LR分別從距離自身安裝位置最近的邊逐漸掃過(guò)該側(cè)面中心，每?jī)蓚€(gè)相鄰LR負(fù)責(zé)對(duì)該側(cè)面進(jìn)行不完全掃描，用相鄰兩個(gè)LR采集側(cè)面的數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊部分的補(bǔ)償運(yùn)算得出比各自掃描精度更高的側(cè)面坐標(biāo)值。各個(gè)雷達(dá)子線程將報(bào)文預(yù)處理生成測(cè)量數(shù)據(jù)，并查表插值計(jì)算出數(shù)據(jù)權(quán)值，生成掃描數(shù)據(jù)的置信距離域；4.QLRS運(yùn)行中，監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行故障自動(dòng)診斷屏蔽。監(jiān)控模塊遍歷正常LR鏈表，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，當(dāng)有雷達(dá)發(fā)生故障時(shí)(數(shù)據(jù)異常、重合點(diǎn)數(shù)據(jù)與其它雷達(dá)明顯抵觸、雷達(dá)錯(cuò)誤等)，立即終止其線程，并且屏蔽其工作，將其加入故障LR鏈表，并在系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊顯示故障且報(bào)警；系統(tǒng)在不停機(jī)的情況下，使用其它LR繼續(xù)完成掃描任務(wù)；5.QLRS運(yùn)行中，監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視雷達(dá)狀態(tài)。當(dāng)有雷達(dá)發(fā)生故障時(shí)，QLRS立即重新根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)退化系統(tǒng)模式，隨著故障臺(tái)數(shù)的增多，系統(tǒng)自動(dòng)的逐層降級(jí)，直至擁有2臺(tái)正常工作LR的“最小運(yùn)行模式”。當(dāng)某些LR故障被修復(fù)后，通過(guò)上位程序的確認(rèn)后，通過(guò)重置其狀態(tài)為“正?！保瑥墓收侠走_(dá)鏈表中刪除該雷達(dá)句柄，并啟動(dòng)LR采集線程，加入正常雷達(dá)鏈表，重新投入工作。隨著系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，系統(tǒng)實(shí)時(shí)自適應(yīng)地確定合適的坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償算法，并且為各個(gè)工作LR分配新的掃描區(qū)域，并將當(dāng)前雷達(dá)狀態(tài)信息反饋給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊，進(jìn)行顯示和報(bào)警處理。
6.QLRS各個(gè)正常雷達(dá)獨(dú)立地同時(shí)進(jìn)行掃描，系統(tǒng)為每個(gè)正常LR產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子線程，對(duì)采集到的距離數(shù)據(jù)值查詢初始權(quán)值表，插值計(jì)算對(duì)應(yīng)權(quán)值，對(duì)于與LR的相對(duì)測(cè)量距離值較小的、目標(biāo)反射率較大的目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)賦予較大的權(quán)值，并且計(jì)算出距離置信范圍，完成后置位“處理完畢信號(hào)量”。待所有雷達(dá)掃描并預(yù)處理完數(shù)據(jù)后，QLRS雷達(dá)控制與主處理模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償處理。雷達(dá)控制與主處理模塊根據(jù)當(dāng)前QLRS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用與當(dāng)前正常工作雷達(dá)數(shù)量(4臺(tái)、3臺(tái)或者2臺(tái))相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)匹配算法，進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的拼接，在重疊區(qū)域應(yīng)用誤差補(bǔ)償算法進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出補(bǔ)償后的最終坐標(biāo)；
7.QLRS雷達(dá)控制與主處理模塊根據(jù)最終的目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算與辨識(shí)處理(如計(jì)算出集卡后邊緣位置，計(jì)算吊具姿態(tài)，辨識(shí)出鎖頭或鎖孔并精確計(jì)算出其位置與尺寸等等)；根據(jù)最后計(jì)算結(jié)果，發(fā)送目標(biāo)值給RMG的控制系統(tǒng)，操控RMG做出相應(yīng)動(dòng)作。
所述的四激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用上述協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，獲取集卡相對(duì)與RMG大車和吊具的位置誤差(空間三維直角坐標(biāo))。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，QLRS控制四個(gè)LR的協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，采用相鄰LR重疊20％掃描區(qū)域，同時(shí)進(jìn)行分塊掃描40英尺集裝箱。與采用順序啟動(dòng)四個(gè)LR進(jìn)行掃描并識(shí)別其4個(gè)鎖孔位置方式相比，總處理速度約為3倍。與不進(jìn)行任何重疊掃描及坐標(biāo)匹配方式相比，在重疊區(qū)域QLRS掃描數(shù)據(jù)精度提高約35％。四激光雷達(dá)協(xié)同工作并可屏蔽故障，當(dāng)某些激光雷達(dá)出現(xiàn)故障時(shí)，可以終止故障的激光雷達(dá)，由其它激光雷達(dá)進(jìn)行掃描，雖然掃描精度和速度略有降低，仍能夠保證裝卸任務(wù)的順利完成。
權(quán)利要求
1.一種多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，采用多激光雷達(dá)系統(tǒng)，并通過(guò)激光雷達(dá)協(xié)同工作、目標(biāo)分塊掃描、掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理、掃描雷達(dá)故障自動(dòng)屏蔽和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中采用雷達(dá)控制與主處理模塊為每個(gè)雷達(dá)生成對(duì)應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集子線程和雷達(dá)數(shù)據(jù)處理子線程；采用雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控與故障處理模塊對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)激光雷達(dá)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障監(jiān)測(cè)、診斷，并且對(duì)其中的故障激光雷達(dá)進(jìn)行功能屏蔽；采用系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊監(jiān)測(cè)多激光雷達(dá)系統(tǒng)中的各個(gè)硬件設(shè)備的工作狀態(tài)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警；各個(gè)模塊均由獨(dú)立線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，各模塊間通過(guò)內(nèi)存共享來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞與信息交互，在雷達(dá)控制與主處理模塊的協(xié)調(diào)控制下，各個(gè)雷達(dá)并行獨(dú)立完成目標(biāo)分塊掃描與掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理；系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)時(shí)地對(duì)每個(gè)雷達(dá)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，如果某個(gè)激光雷達(dá)發(fā)生故障，則終止該雷達(dá)線程并屏蔽其功能，并將雷達(dá)狀態(tài)反饋給系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊；雷達(dá)控制與主處理模塊根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自適應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)目標(biāo)多個(gè)表面的掃描識(shí)別任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的激光雷達(dá)協(xié)同工作，是指每個(gè)激光雷達(dá)均通過(guò)獨(dú)立的線程控制其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，在雷達(dá)控制與主處理模塊的控制下，通過(guò)同步多個(gè)雷達(dá)的運(yùn)行動(dòng)作，各雷達(dá)協(xié)同工作完成掃描任務(wù)；多個(gè)激光雷達(dá)同時(shí)工作掃描時(shí)間小于等于單個(gè)激光雷達(dá)掃描時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的目標(biāo)分塊掃描，是指每個(gè)激光雷達(dá)并不對(duì)視野內(nèi)的目標(biāo)面進(jìn)行完整掃描，而是由多激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)定其進(jìn)行某區(qū)域的掃描，通過(guò)設(shè)置多個(gè)雷達(dá)掃描區(qū)域重疊，對(duì)重疊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算來(lái)提高掃描精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理，是指采用多個(gè)激光雷達(dá)從不同角度掃描的方式，將不同視角的數(shù)據(jù)按照基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)權(quán)值分配算法進(jìn)行加權(quán)處理，最終生成補(bǔ)償誤差后的目標(biāo)輪廓坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理，具體步驟如下1)在系統(tǒng)運(yùn)行前，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立基于距離和反射率的初始權(quán)值表；2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用多層感知器結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練算法采用最速下降反向傳播算法，網(wǎng)絡(luò)的輸入為距離與反射率，輸出為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)值，距離激光雷達(dá)越近、反射率越大的數(shù)據(jù)權(quán)值越大；3)數(shù)據(jù)處理主模塊從雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控模塊獲得各激光雷達(dá)狀態(tài)，獲得當(dāng)前正常工作的LR數(shù)目；4)為每個(gè)正常激光雷達(dá)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子線程，對(duì)采集到的距離數(shù)據(jù)值查詢初始權(quán)值表，插值計(jì)算對(duì)應(yīng)權(quán)值，計(jì)算出距離置信范圍，完成后置位“處理完畢信號(hào)量”；5)數(shù)據(jù)主處理模塊等待所有正常激光雷達(dá)處理完畢后，根據(jù)當(dāng)前多激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)方式的坐標(biāo)匹配，使用預(yù)先設(shè)定的公共坐標(biāo)系進(jìn)行匹配；6)數(shù)據(jù)主處理模塊對(duì)各重合點(diǎn)采用誤差補(bǔ)償處理算法，計(jì)算出誤差補(bǔ)償后的目標(biāo)坐標(biāo)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的掃描雷達(dá)故障自動(dòng)屏蔽，是指當(dāng)某些激光雷達(dá)存在故障時(shí)，屏蔽這些失效的激光雷達(dá)，系統(tǒng)在不停機(jī)的情況下，使用另外的激光雷達(dá)繼續(xù)完成掃描任務(wù)，遍歷正常激光雷達(dá)鏈表，對(duì)每個(gè)激光雷達(dá)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，如果該激光雷達(dá)發(fā)生故障則終止此激光雷達(dá)線程，將其加入故障激光雷達(dá)鏈表，并在系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊顯示故障且報(bào)警。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整，是指當(dāng)某雷達(dá)因故障被屏蔽或者某雷達(dá)故障被修復(fù)，導(dǎo)致多激光雷達(dá)系統(tǒng)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，系統(tǒng)立即重新根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)化或退化系統(tǒng)模式，自適應(yīng)地確定坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償算法，并且重新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分塊，為各個(gè)工作雷達(dá)分配新的掃描區(qū)域，在不停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)即插即用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者7所述的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整，在雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)控模塊中實(shí)現(xiàn)，步驟如下1)更新各激光雷達(dá)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前正常工作的雷達(dá)數(shù)，以此建立正常激光雷達(dá)的句柄鏈表；2)故障后已經(jīng)修復(fù)的激光雷達(dá)，重置其狀態(tài)為“正?！?，從故障雷達(dá)鏈表中刪除該雷達(dá)句柄，并啟動(dòng)激光雷達(dá)采集線程，加入正常雷達(dá)鏈表，重新投入工作；3)進(jìn)行故障自動(dòng)診斷屏蔽處理；4)根據(jù)當(dāng)前多激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更新坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償算法；5)根據(jù)當(dāng)前多激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新分配各雷達(dá)掃描區(qū)域；6)將當(dāng)前雷達(dá)狀態(tài)信息反饋給系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊，進(jìn)行顯示和報(bào)警處理。
全文摘要
一種碼頭集裝箱自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的多激光雷達(dá)協(xié)同工作與數(shù)據(jù)處理方法，采用激光雷達(dá)協(xié)同工作、目標(biāo)分塊掃描、掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理、掃描雷達(dá)故障自動(dòng)屏蔽和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體為在雷達(dá)控制與主處理模塊的協(xié)調(diào)控制下，各個(gè)雷達(dá)并行獨(dú)立完成目標(biāo)分塊掃描與掃描數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加權(quán)處理；實(shí)時(shí)地對(duì)每個(gè)雷達(dá)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，如果某個(gè)激光雷達(dá)發(fā)生故障，則終止該雷達(dá)線程并屏蔽其功能，并將雷達(dá)狀態(tài)反饋給系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊；雷達(dá)控制與主處理模塊根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自適應(yīng)進(jìn)行坐標(biāo)匹配與誤差補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)目標(biāo)多個(gè)表面的掃描識(shí)別任務(wù)。本發(fā)明有效提高了裝卸效率，為檢修維護(hù)帶來(lái)了極大的便利，保證了生產(chǎn)安全連續(xù)的進(jìn)行。
文檔編號(hào)G01S17/95GK1916659SQ20061002864
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者杜正春, 王建, 呂潮峰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)