CN109081272B - 一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车及方法，包括叉车本体和设于叉车本体上的车体控制机构、操纵机构、激光与视觉混合导引***和推送装置；激光与视觉混合导引***实时采集周围的环境信息，并将其图像信息传输给车体控制机构，车体控制机构将图像信息通过视觉算法转化成具体的姿态信息，并将该信息传递给车体控制单元，车体控制机构进而控制叉车本体进行运动，操纵推送装置举升、搬运和卸料。该叉车精度高、功能集成度高、安全可靠性高。

Description

一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车及方法
技术领域
本发明属于运输设备技术领域，涉及一种叉车，具体涉及一种基于激光和视觉混合引导的无人驾驶转运叉车及方法。
背景技术
叉车作为一种运输搬运车辆，广泛应用于仓库、工厂车间、港口等流通中心和配送中心，并可进行托盘货物的装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。传统叉车采用人工驾驶，一个大型车间需要多台叉车同时运作将耗费大量的人力物力财力。随着科学技术的发展及自动化程度的不断提高，人工驾驶叉车向无人驾驶叉车方向发展已成为必然趋势，叉车功能的集成度也逐步提高。目前无人叉车主要采用激光导引方式，但是激光导引式的精度及安全可靠性受到一定的限制，且叉车本身无推送装置，功能集成度较低。因此，研制一种高精度、功能集成度较高、安全可靠性高的无人叉车具有重要的工程应用价值。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的提供一种具有推送装置、激光与视觉混合导引***的无人驾驶转运叉车。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，包括叉车本体,和设于叉车本体上的车体控制机构、操纵机构、激光与视觉混合导引***和推送装置；
所述车体控制机构，包括电控制器，用于将激光与视觉混合导引***采集的工作环境物料的准确识别、定位信息，电控制器控制推送装置进行搬运和卸料；
所述操纵机构，用于接收车体控制机构的指令，对叉车本体精确调整位置姿态、操纵推送装置举升、搬运和卸料；
所述激光与视觉混合导引***，通过激光导引***和视觉导引***分别识别、采集工作环境物料的准确定位信息，并传输至车体控制机构；
所述推送装置，通过车体控制机构控制操纵机构操纵杆对物料举升、搬运和卸料。
优选的，所述操纵机构包括设在头部的叉车壳体，叉车壳体前端设防撞梁和避障头支架，避障头支架上安装有距离传感器。
优选的，所述车体控制机构包括电控制器，在电控制器上设有控制面板、电源开关、按钮警示灯、三色警示灯和急停开关。
优选的，所述叉车本体还包括推送装置连接机构，推送装置连接机构包括垂直固定在车体本体后部的双轨连杆，双轨连杆上固定有连接推送装置的链轮和链条，还包括一个使得推送装置上下移动的滑轨。
优选的，所述推送装置包括与滑轨相连的升降板，升降板后部连接有导轨和多叉齿货叉，伸缩机构通过滑块在导轨的滑槽内上下移动联动其后部的推板在多叉齿货叉上移动。
优选的，所述伸缩机构包括相互铰接的双连杆，双连杆左侧一端铰接在导轨上，另一端与滑块铰接；伸缩机构双连杆右侧一端铰接在推板上，另一端通过可移动槽块铰接在推板上。
优选的，两套伸缩机构平行安装在导轨与推板之间，推板在伸缩机构的作用下实现在有效行程内左右移动。
优选的，所述激光与视觉混合导引***包括设在电控制器上方的激光头立管，激光头立管通过激光安装板安装有激光雷达，还包括设在叉车本体周围与激光雷达相对应的反光板；
所述视觉导引***包括设在电控制器上方、激光头立管后部的双目摄像头。
本发明进而给出了一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车的路径识别方法，包括如下步骤：
1)激光雷达通过扫描反光板，获取叉车本体与反光板的距离信号，电控制器结合预先构建的三维地图参数对叉车本体的位置进行解算，获得叉车本体当前的地图和定位数据；
2)视觉导引***通过无人叉车上方的双目摄像头对周围环境进行图像采集，并对图像进行匹配和交绘测量，获得场景的三维点云；
3)电控制器根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云、激光雷达获得的地图和定位数据进行修正；
4)电控制器对修正后的地图和定位数据进行解算，获得叉车本体的位置及姿态信息，进而通过控制无人叉车车轮转轴转向驱动和速度驱动，并控制叉车本体行走、避障和货物运输。
优选的，所述步骤3)中，电控制器根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云、激光雷达获得的地图和定位数据进行修正为，叉车本体每前进50mm进行一次航位推算，每经过10次航位推算后对叉车本体的位置进行修正，并根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云，进行特征地图的更新。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1、本发明通过把推送装置、激光与视觉混合导引***集成到无人驾驶叉车本体上，把物料的准确识别/定位、举升、搬运和卸料功能集成到无人叉车上，多功能协同作用更加符合叉车的实际工作环境，最大程度上实现无人操作，提高了生产效率。
2、本发明通过激光导引***和视觉导引***相结合，相比于单独一种导引模式，混合导引模式导引准确性得到提高(可智能适应多种预设种类物料识别、精确定位、根据物料位置叉车自适应精确调整位置姿态)，安全可靠性以及搬运货物的准确性都相应的提高，可有效防止所运输货物损坏。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明叉车本体结构示意图；
图2为本发明无人驾驶叉车整体轴侧结构示意图；
图3为本发明无人驾驶叉车整体正视示结构意图；
图4为推送装置结构示意图；
图5为激光与视觉混合导引流程图；
图6为叉车自适应精确调整姿态流程图。
图中：1、防撞梁；2、避障头支架；3、叉车壳体；4、电源开关；5、按钮警示灯；6、控制面板；7、电控制器；8、三色警示灯；9、急停开关；10、滑轨；11、链条；12、链轮；13、车轮；14、伸缩机构；15、升降板；16、导轨；17、滑块；18、推板；19、多叉齿货叉；20、激光雷达；21、激光安装板；22、激光头立管；23、工业相机壳体；24、双目摄像头。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1、图2所示,本发明的一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车包括：叉车本体和设于叉车本体上的车体控制机构、操纵机构、激光与视觉混合导引***和推送装置。
车体控制机构，包括电控制器，用于将激光与视觉混合导引***采集的工作环境物料的准确识别、定位信息，电控制器控制推送装置进行搬运和卸料；操纵机构，用于接收车体控制机构的指令，对叉车本体精确调整位置姿态、操纵推送装置举升、搬运和卸料；激光与视觉混合导引***，通过激光导引***和视觉导引***分别识别、采集工作环境物料的准确定位信息，并传输至车体控制机构；推送装置，通过车体控制机构控制操纵机构操纵杆对物料举升、搬运和卸料。
其中，无人驾驶叉车本体操纵机构包括叉车本体头部设有的叉车壳体3，叉车壳体3前端设防撞梁1和避障头支架2。其中防撞梁1和四个车轮13分别安装在叉车壳体3的前端和底部。防撞梁1采用橡胶材料，其内部安装有雷达装置，可有效避免叉车与周围物体相撞。避障头支架2安装在防撞梁1后面，避障头支架2上安装有距离传感器，对避障进行双重保护。控制面板6和三色警示灯8分别安装在电控制器7前外壳和上端面的两侧，电源开关4和三个按钮警示灯5位于控制面板6下方，控制面板6和电控制器7用来控制和执行无人叉车的相关搬运动作；电源开关4用来控制无人叉车的启动和关闭，当操作异常或设备异常时三色警示灯8会发出警报。急停开关9安装在电控制器7外壳右侧，急停开关9可在紧急情况下关闭叉车并切断电源。
叉车本体还包括推送装置连接机构，推送装置连接机构包括垂直固定在车体本体后部的双轨连杆，双轨连杆上固定有连接推送装置的链轮12和链条11，还包括一个使得推送装置上下移动的滑轨10。滑轨10焊接在叉车的两侧，链条11和链轮12位于叉车的右侧，滑轨10和推送装置连接。在链条11和链轮12配合传动的情况下，使推送装置在上、下限位之间沿滑轨10上下移动。
如图3结合图4所示，推送装置主要包括：伸缩机构14、升降板15、导轨16、滑块17、推板18和多叉齿货叉19；其中升降板15滑动连接在滑轨10上，升降板15后部连接有导轨16和多叉齿货叉19，导轨16和多叉齿货叉19焊接在升降板15上，导轨16开有滑槽，滑块17在导轨16的滑槽内上下移动。伸缩机构14通过滑块17在导轨16的滑槽内上下移动联动其后部的推板18在多叉齿货叉19上移动。伸缩机构14包括相互铰接的双连杆，双连杆左侧一端铰接在导轨16上，另一端与滑块17铰接；伸缩机构14双连杆右侧一端铰接在推板18上，另一端通过可移动槽块铰接在推板18上。两套伸缩机构14平行安装，推板18在伸缩机构14的作用下可实现在有效行程内左右移动。
如图1结合图3所示，激光与视觉混合导引***包括：激光雷达20、激光安装板21、激光头立管22、工业相机壳体23、双目摄像头24，其中激光雷达20通过螺栓固定在激光安装板21上方，还包括设在叉车本体周围与激光雷达相对应的反光板。激光头立管22两端通过螺栓连接固定在电控制器7和激光安装板21之间，激光雷达20、激光安装板21和激光头立管22以及无人叉车周围的反光板共同组成激光导引***，无人叉车通过测量激光从发出到接收的时间计算出自身到反光板的距离，通过多点位的测量，确定无人叉车本身的三维坐标，实现对自身位置的判断。双目摄像头24固定安装在工业相机壳体23内部，工业相机壳体23固定安装在电控制器7上，工业相机壳体23、双目摄像头24和电控制器7共同组成视觉导引***，视觉导引***通过无人叉车上方的双目摄像头24对周围环境进行图像采集，并对图像进行匹配和交会测量，获得场景的三维点云。
如图5所示，基于激光与视觉混合引导的无人运转叉车的路径识别方法，包括如下步骤：
1)激光雷达通过扫描反光板，获取叉车本体与反光板的距离信号，电控制器结合预先构建的三维地图参数对叉车本体的位置进行解算，获得叉车本体当前的地图和定位数据。
2)视觉导引***通过无人叉车上方的双目摄像头对周围环境进行图像采集，并对图像进行匹配、交会测量，获得场景的三维点云。
3)将激光导引与视觉导引***相结合，电控制器根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云对激光雷达获得的地图和定位数据进行修正，叉车本体每前进50mm进行一次航位推算，每经过10次航位推算后对叉车本体的位置进行修正，并根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云，进行特征地图的更新。混合导引技术可提高定位的精确性和实时性，同时避免激光雷达探测的盲区。
4)电控制器对修正后的地图和定位数据进行解算，获得叉车本体的位置及姿态信息，进而通过控制无人叉车车轮转轴转向驱动和速度驱动，并控制叉车本体行走、避障和货物运输。
如图6所示，通过双目视觉组件对托盘靶标进行识别和定位，电控制器解算出叉车本体与托盘的距离和位置信息，并计算出叉车本体的控制量并发送至叉车控制器，通过车体控制器调整叉车本体姿态，引导叉车本体插取货物。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车的路径识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）激光雷达通过扫描反光板，获取叉车本体与反光板的距离信号，电控制器结合预先构建的三维地图参数对叉车本体的位置进行解算，获得叉车本体当前的地图和定位数据；
2）视觉导引***通过无人叉车上方的双目摄像头对周围环境进行图像采集，并对图像进行匹配和交绘测量，获得场景的三维点云；
双目摄像头固定安装在工业相机壳体内部，工业相机壳体固定安装在电控制器上，工业相机壳体、双目摄像头和电控制器共同组成视觉导引***，视觉导引***通过无人叉车上方的双目摄像头对周围环境进行图像采集，并对图像进行匹配和交会测量，获得场景的三维点云；
3）电控制器根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云、激光雷达获得的地图和定位数据进行修正；
电控制器根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云、激光雷达获得的地图和定位数据进行修正为，叉车本体每前进50mm进行一次航位推算，每经过10次航位推算后对叉车本体的位置进行修正，并根据双目视觉组件采集图像获得的场景三维点云，进行特征地图的更新；
4）电控制器对修正后的地图和定位数据进行解算，获得叉车本体的位置及姿态信息，进而通过控制无人叉车车轮转轴转向驱动和速度驱动，并控制叉车本体行走、避障和货物运输。
2.一种如权利要求1所述方法采用的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，包括叉车本体,和设于叉车本体上的车体控制机构、操纵机构、激光与视觉混合导引***和推送装置；
所述车体控制机构，包括电控制器，用于将激光与视觉混合导引***采集的工作环境物料的准确识别、定位信息，电控制器控制推送装置进行搬运和卸料；
所述操纵机构，用于接收车体控制机构的指令，对叉车本体精确调整位置姿态、操纵推送装置举升、搬运和卸料；
所述激光与视觉混合导引***，通过激光导引***和视觉导引***分别识别、采集工作环境物料的准确定位信息，并传输至车体控制机构；
所述推送装置，通过车体控制机构控制操纵机构操纵杆对物料举升、搬运和卸料。
3.根据权利要求2所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，所述操纵机构包括设在头部的叉车壳体（3），叉车壳体（3）前端设防撞梁（1）和避障头支架（2），避障头支架（2）上安装有距离传感器。
4.根据权利要求2所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，所述车体控制机构包括电控制器（7），在电控制器（7）上设有控制面板（6）、电源开关（4）、按钮警示灯（5）、三色警示灯（8）和急停开关（9）。
5.根据权利要求2所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，所述叉车本体还包括推送装置连接机构，推送装置连接机构包括垂直固定在车体本体后部的双轨连杆，双轨连杆上固定有连接推送装置的链轮（12）和链条（11），还包括一个使得推送装置上下移动的滑轨（10）。
6.根据权利要求5所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，所述推送装置包括与滑轨（10）相连的升降板（15），升降板（15）后部连接有导轨（16）和多叉齿货叉（19），伸缩机构（14）通过滑块（17）在导轨（16）的滑槽内上下移动联动其后部的推板（18）在多叉齿货叉（19）上移动。
7.根据权利要求6所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，所述伸缩机构（14）包括相互铰接的双连杆，双连杆左侧一端铰接在导轨（16）上，另一端与滑块（17）铰接；伸缩机构（14）双连杆右侧一端铰接在推板（18）上，另一端通过可移动槽块铰接在推板（18）上。
8.根据权利要求7所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，两套伸缩机构（14）平行安装在导轨（16）与推板（18）之间，推板（18）在伸缩机构（14）的作用下实现在有效行程内左右移动。
9.根据权利要求2所述的基于激光与视觉混合引导的无人转运叉车，其特征在于，所述激光与视觉混合导引***包括设在电控制器（7）上方的激光头立管（22），激光头立管（22）通过激光安装板（21）安装有激光雷达（20），还包括设在叉车本体周围与激光雷达相对应的反光板；
所述视觉导引***包括设在电控制器（7）上方、激光头立管（22）后部的双目摄像头（24）。
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