[发明专利]一种基于三维点云的垃圾桶识别抓取方法

摘要

本发明公开了一种基于三维点云的垃圾桶识别抓取方法，属于计算机视觉与自动化领域。首先在传统挂桶垃圾车上增加三维点云激光雷达模块、将液压装置替换为机械臂执行单元。然后车载三维激光雷达扫描获得各扫描点的距离和角度信息，并将极坐标信息转换为激光雷达直角坐标系下的三维坐标点信息，并整合形成点云数据发送到数据处理单元。数据处理单元根据点云模型计算出垃圾桶和机械臂之间的相对位置关系，结合垃圾桶与机械臂之间的目标位置，将两个位置间的误差信息传递给控制解算器，产生控制信号传递给机械臂。最后机械臂准确到达给定的目标端点位置，完成垃圾桶抓取、垃圾的倾倒以及垃圾桶归位。本发明环境适应性强，提高了系统的可靠性及安全性。

主权项

1.一种基于三维点云的垃圾桶识别抓取方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、在传统挂桶垃圾车的基础上增加三维点云激光雷达模块、将液压装置替换为机械臂执行单元；所述三维点云激光雷达模块包括三维激光雷达和数据处理单元；机械臂执行单元包括机械臂和控制解算器；三维激光雷达安装在垃圾车侧面，与实现垃圾桶抓取功能的机械臂共轴，在所属的角度范围内进行实时扫描，产生的点云数据传输给数据处理单元，数据处理单元对垃圾桶进行建模和匹配识别，以获取精确的垃圾桶与机械臂之间的相对位置关系，作为控制信号传递给机械臂执行单元，机械臂执行单元控制机械臂对垃圾桶进行抓取、垃圾倾倒以及垃圾桶自动放回；机械臂采用连杆式折叠升降机构，在实现机构末端长距离水平伸出的同时，保证收缩状态下的较小的结构空间，以适配传统垃圾车液压升降装置的安装空间；控制解算器采用双闭环形式，输入垃圾桶和机械臂之间的实际位置与目标位置的误差，经过解算得到机械臂的实际执行位置，转换成相应的控制信号传递给机械臂，实现精确控制；步骤二、垃圾车行驶到垃圾桶附近，车载三维激光雷达扫描获得各扫描点的距离和角度信息，并将极坐标信息转换为激光雷达直角坐标系下的三维坐标点信息；针对某个扫描点A，坐标转换公式如下：式中，(x,y,z)为激光雷达直角坐标系下扫描点A的三维坐标点；ρ为扫描点A距离激光雷达中心的直线距离；α为该扫描点A所在扫描线的俯仰角，即垂直方向的角度；θ为该扫描点A所在扫描线的水平方向的航向角；步骤三、将各个扫描点直角坐标系下的三维坐标整合到一起形成点云数据，发送到数据处理单元；步骤四、数据处理单元提取点云数据，根据标准垃圾桶的点云模型识别出垃圾桶，并计算出垃圾桶和机械臂之间的相对位置关系；具体过程为：步骤401、采用下采样的方法对点云数据进行预处理去除离群点；步骤402、根据欧氏距离将预处理后的点云数据进行分类；步骤403、针对各类点云，使用点特征直方图(PFH)完成每类点云中各点的特征提取，并将所有点的特征合并到集合P中；步骤404、将集合P中各类点云的特征与标准垃圾桶的源点云集合Q中各点的特征，采用迭代最近点算法(ICP)进行匹配，识别出垃圾桶；标准垃圾桶的点云模型中，将源点云集合Q的质心设置在雷达直角坐标系的原点位置，通过ICP算法配准，得到两个三维模型之间的变换矩阵，即模型之间的旋转平移信息；步骤405、根据停止迭代时对应的旋转矩阵R和平移向量T，得到垃圾桶质心坐标系与三维激光雷达坐标系各轴之间的旋转角度和平移关系，进而得到与三维激光雷达同轴的机械臂与垃圾桶之间的旋转角度和平移关系；步骤五、根据垃圾桶和机械臂之间的实际相对位置信息，以及垃圾桶与机械臂之间的目标位置，两个位置之间的误差信息传递给控制解算器，产生控制信号传递给机械臂；步骤六、机械臂准确到达给定的目标端点位置，同时机械臂末端装配的接触传感器检测到与垃圾桶接触时自动完成抓取、锁紧操作；步骤七、记录目标端点位置，完成垃圾桶倾倒之后将垃圾桶归位。