[发明专利]高空作业平台激光雷达与惯导融合定位建图装置及方法

说明书

本发明提供一种高空作业平台激光雷达与惯导融合定位建图装置及方法，装置包括三维激光雷达、IMU惯性传感器、电源、计算主控单元、时间同步系统和支架；所述装置与斗臂车升降平台的末端刚性固定，随工作斗进行移动，所述三维激光雷达扫描环境，所述IMU惯性传感器进行预积分获取旋转和位移增量，将点云数据和IMU惯性传感器数据反馈到所述计算主控单元，分别进行相邻帧匹配得到激光里程计，接着进行全局因子图优化，最后进行回环检测将运算结果融合构建地图。本发明可提升高空作业平台的感知能力和自主性，使其具备环境理解能力，从而规避危险作业行为。

技术领域

本发明涉及高空作业机械的智能定位技术领域，具体涉及一种应用于高空作业机械的惯性导航和激光雷达紧融合定位建图装置及方法。

背景技术

激光雷达，是激光探测与测距系统的简称，它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息，激光雷达数据通常以点云形式呈现，数据包保存环境点XYZ的空间坐标。惯性测量单元，简称IMU，是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一个IMU内通常会装有三轴的陀螺仪和三个方向的加速度计，来测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器如三轴磁力计，高度计等。在机器人领域，激光雷达和IMU可用于机器人的感知系统，帮助机器人进行自身位姿的确定及周围环境的感知和重建。

通过激光雷达和惯性单元融合实现高空作业平台的实时建图定位主要有以下挑战：空旷的高空环境约束条件减少，激光里程失效；卡车平台、液压臂的高频振动和低频晃动使得传感器精度下降；高空平台突然的升降和旋转考验算法面对运动突变的鲁棒性，本发明从硬件系统和软件系统两方面针对高空作业场景的挑战进行完善。

发明内容

为解决现有激光SLAM方法应用于高空作业平台精度不高，鲁棒性低的问题，本发明提供一种应用于高空作业机械的惯性导航和激光雷达紧融合定位建图装置及方法。本发明创造性地将激光雷达和惯性导航单元(IMU)引入高空作业领域，有效解决了现有高空作业的主要设备高空作业车在应用场景中由于操作和感知几乎完全依赖于工人的经验所带来的高空挤压、高压触电、地面行走倾倒、违规操作等风险，提升了高空作业工程机械的智能化水平及安全性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高空作业平台激光雷达与惯导融合定位建图装置，包括三维激光雷达、IMU惯性传感器、电源、计算主控单元、时间同步系统和支架；所述装置与斗臂车升降平台的末端刚性固定，随工作斗进行移动，当斗臂车开始工作，操纵液压臂控制旋转和升降，所述装置在升降开始时刻同步开机，所述三维激光雷达扫描环境，所述IMU惯性传感器进行预积分获取旋转和位移增量，将点云数据和IMU惯性传感器数据反馈到所述计算主控单元，分别进行相邻帧匹配得到激光里程计，接着进行全局因子图优化，最后进行回环检测将运算结果融合构建地图，通过后端非线性优化得到所述装置整体运动信息，确定工作斗实时位姿态；随着高空作业平台运动，平台定位和环境建图同步完成，经过时间同步的所述IMU惯性传感器的9轴数据和所述三维激光雷达的数据经过激光运动畸变校正模块、特征提取模块、IMU预积分模块、地图优化模块，最终输出高空作业平台实时的位置和姿态及工作环境的地图。

本发明还提供一种高空作业平台激光雷达与惯导融合定位建图方法，所述定位建图方法通过前端数据采集模块、基于FPGA的数据预处理及时间同步模块和运行机器人操作系统的主控计算模块实现；

所述前端数据采集模块由三维激光雷达和IMU惯性传感器刚性连接组成，所述三维激光雷达使用多线激光探测器得到360度3D点云图像，所述多线激光探测器通过电机快速旋转以扫描周围环境；所述多线激光探测器每秒发射数千次，提供丰富的3D点云；雷达数据盒通过数字信号处理和波形分析提供高精度、可扩展的距离探测和强度数据；