电铲三维环境扫描系统设计与应用研究

发布时间：2020-07-19 07:56

【摘要】：电铲是大型露天矿开采的主要采掘装备。目前电铲主要由人工操作,存在着挖掘满斗率低、装载效率低及挖掘能耗高等问题。通过自主规划挖掘轨迹、自动挖掘、自动装载等技术,实现电铲的自动化挖掘,是解决上述问题的有效途径。为了实现电铲的自动化挖掘,首先需要在线获取挖掘场地的三维地形地貌信息,因此研究适用于电铲的三维环境扫描系统具有重要意义。本文针对电铲三维环境扫描系统的需求,提出了一种低成本、测量范围广、工况适应能力强的电铲三维环境扫描系统设计方案和相应的三维点云数据综合处理方法。在电铲实验平台上,进行了系统的硬件搭建和相关程序开发。根据需求完成了数据采集方案的设计,其中包括了三维环境信息采集方案、基于RTK的双GNSS天线定位和姿态检测方案、惯性传感器数据滤波处理方案。然后完成了用于数据采集和处理的嵌入式系统方案设计,其中包括硬件和程序设计。硬件部分完成了通信方案设计、电源系统设计、数据处理系统电路设计以及硬件系统的抗干扰和防护处理。程序部分完成激光雷达、RTK、惯导/卫星移动站的数据接收、解析和融合程序设计,通过程序处理可获取电铲实时高精度位置和姿态信息,以及带有GNSS时间戳的激光雷达数据。根据嵌入式系统发送到上位机的数据,进行了上位机程序设计和开发,以实现对数据的接收、存储和可视化。提出一种最小时间差匹配算法,实现2D激光雷达数据和电铲水平回转角在时间上的最佳匹配,从而完成三维点云数据的融合。对获取的三维点云数据精度进行分析,并通过实验验证。通过旋转矩阵法将获取的三维点云数据转换到电铲实验平台的坐标系中。对实验平台坐标系下点云数据建立Kd-tree数据结构,在此基础上对点云进行滤波处理。使用最大连通区域算法和高斯滤波算法去除点云中的离群点。最后在保持点云边缘特征的基础上,使用双边滤波算法修正边缘点。本文完成了电铲三维环境扫描系统的方案设计和搭建,并进行了实验验证,对获取的数据进行了有效的后处理。三维环境扫描系统通过两套互补的姿态测量系统和滤波算法可以精准测量出电铲设备姿态,偏航角精度可达0.1°。通过RTK-GNSS测量方案可以获取电铲位置信息,精度可达2cm。使用最小时间差匹配算可实现2D激光雷达点云数据和偏航角在时间上的匹配,从而获取环境三维点运数据,时间匹配误差不大于8ms。融合后的点云数据在10m范围内测量的点云数据精度小于8cm,满足工程应用要求。通过对点云数据建立索引和滤波处理可有效提升点云数据质量。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;TD422.21

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本文编号：2762141