CN114131578B - 一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，包括C型滑道内壁下表面靠近轴线处一侧开设有滑槽，所述滑道末端设有供设备充电的休眠仓，所述红外线避障传感器一侧的安装架上安装有旋转式激光雷达，所述激光雷达、红外线避障传感器输出端分别与安装在控制盒内的处理器模块输入端电线连接，所述处理器模块与安装在控制盒内的数据传输模块电线连接；通过设置在安装架上的旋转式激光雷达，使得在使用时能够实时动态获取三维点云数据，更有效地进行堆料建模和体积计算。

Description

一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人

技术领域：

本发明涉及堆料测量技术领域，具体为一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人。

背景技术：

堆料测量，指测算堆场内存放的堆料体积。在电厂、港口、储煤基地和粮仓等大型散货集散基地会堆存大量煤炭、矿石、粮食等散货，快速、准确获取当前堆场的储量是国家和企业进行经济规划、战略储存计划、生产安排的关键。而如何进行如煤堆这种大型不规则散堆物料体积的准确量测，多年来一直是一个技术难题。随着激光雷达技术的普及，越来越多的企业利用激光雷达对堆料进行高精度测量和三维重现，通常的做法是使用手持式激光雷达、无人机载激光雷达或者架设基站式激光雷达定期对堆料进行扫描盘点。

然而激光雷达在使用时存在以下不足：

1.目前很多堆料测量工作都是使用不同形式的激光雷达设备定期进行堆料的数据采集，获取的数据为某单一时刻的堆料三维数据，是静态数据，无法实时监测堆料的体积变化。

2.目前有少量的自动激光雷达扫描仪，通过悬挂在堆料上方对堆料进行长时间的自动化数据采集，能够实现堆料变化的实时动态监测，然而固定悬挂的激光雷达扫描角度和扫描范围都受到限制，这就使得单个自动扫描式激光雷达只能应用在相当狭小的空间，用于扫描分布范围较窄、体积较小的堆料；或者在扫描分布范围较广、体积较大的堆料时需要布设多个自动扫描仪，大大增加了测量成本。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量及机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，包括C型滑道内壁下表面靠近轴线处的一侧开设有滑槽，所述滑槽内摆放有锥形滚轮，所述锥形滚轮轴心处连接有支杆，所述支杆另一端与滑块相连，所述内部安装有电池模组，所述滑块下表面轴心位置焊接有气泵，所述滑块上表面轴心位置通过螺栓安装有控制盒，所述气泵动力输出端螺纹密封安装有气动伸缩杆，所述气动伸缩杆底端焊接有激光雷达模块安装板，所述激光雷达模块安装板外表面对应四个方向均匀安装有红外线避障传感器，所述激光雷达模块安装板内部轴心处安装有第二电机，所述第二电机下端连接有旋转轴，所述旋转轴另一端与旋转结构连接，所述旋转结构下表面的两侧对称螺纹安装有激光雷达固定架，所述激光雷达固定架内侧安装有激光雷达，所述电池模组、红外线避障传感器和激光雷达输出端分别与安装在第一控制盒内的第一处理器模块输入端电线连接，所述处理器模块输出端与气泵输入端电线连接，所述处理器模块与安装在第一控制盒内的数据处理模块电线连接。

其中，所述激光雷达实时扫描室内环境，并产生三维点云数据，经过导线传输到处理器模块进行处理。

此外，所述滑道的末端安装有休眠仓，所述休眠仓的前端安装有舱门，所述舱门前方的底部滑道上表面安装有第一压力传感器，所述舱门上安装有第二压力传感器，所述休眠仓的末端安装有第三压力传感器，所述休眠仓顶部安装有充电模块，所述充电模块的前端安装有第二控制盒；

其中，所述第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器输出端分别与安装在第二控制盒内的处理器模块输入端电线连接，所述处理器模块输出端与充电模块和舱门输入端电线连接。

优选的，所述滑块中安装的支杆另一端连接第一电机，所述滑块的另一侧安装有带盖支杆，所述带盖支杆外套有锥形滚轮，滚轮轴心位置处开有孔道，所述电池模组与充电口电线连接。

优选的，还包括：坐标数据存储模块，坐标传输模块，其中，所述第一控制盒内安装有坐标数据存储模块和坐标传输模块，所述第一电机输入端通过导线与处理器模块输出端电线连接，所述处理器模块输入端通过电路板与坐标数据存储模块输出端电线连接，所述坐标数据存储模块输入端通过导线与坐标传输模块输出端电线连接。

优选的，所述休眠仓中部滑道上表面贴有减速带，所述第三压力传感器、所述休眠仓末端下半部分内侧表面和所述舱门表面分别贴有弹性材料制成的第一缓冲垫、第二缓冲垫和第三缓冲垫。

优选的，所述充电模块下表面连接有弹簧，所述弹簧另一端连接有电磁铁，所述电磁铁下表面连接有充电触头，所述电磁铁和充电触头通过导线管与外部电源电线连接。

优选的，所述安装在第一控制盒内的数据传输模块输出端通过WiFi与安装在第二控制盒内的处理器模块输入端信号连接。

优选的，所述滑块内部中空且内部中心位置焊接有加强筋，所述滑块两端锥形滚轮呈对称结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过设置滑道、滑块和锥形滚轮，使得激光雷达设备能够沿着轨道一直运行，大幅延长了扫描范围；通过设置旋转结构，使得激光雷达在水平和垂直平面上均能够360°旋转，避免了固定扫描仪扫描角度受限的问题。这样当激光雷达在轨道上旋转前进时，就实现了对堆料的大范围、无死角的扫描，实时获取堆料完整的高精度三维数据。

(2)通过设置滑道将机器人运动限制在空中，避免了现有技术从地面获取堆料数据不完整的情况发生；采用红外避障传感器，当采集到机器人前方有障碍物信息时，向控制终端发送信号，控制终端向伸缩机构发送垂直向上收缩的命令，使机器人继续前行的同时避开障碍物，实现激光雷达的持续运行，保证数据的完整性。

附图说明：

图1为本发明主体模块分布示意图

图2为本发明轨道结构的俯视图

图3为本发明休眠仓结构的截面视图

图4为本发明休眠仓结构的侧视图

图5为本发明主体运动和激光雷达元器件连接示意图

图6为本发明休眠仓运动和传感器原件连接示意图

图中：1-C型滑道；11-固定安装孔；12-滑槽；2-滑块；21-气泵；22-气动伸缩杆；23-支杆；24-第一电机；25-锥形滚轮；26-孔道；27-带盖支杆；28-电池模组；29-充电口；3-激光雷达模块安装板；31-旋转结构；32-激光雷达固定架；33-第二电机；34-红外线避障传感器；35-旋转轴；36-激光雷达；4-第一控制盒；41-坐标传输模块；42-坐标数据存储模块；43-处理器模块；44-数据处理模块；45-数据传输模块；5-充电模块；51-导线管；52-弹簧；53-电磁铁；54-充电触头；6-休眠仓；61-舱门；62-第一压力传感器；63-第二压力传感器；64-第三压力传感器；65-减速带；66-第一缓冲垫；67-第二缓冲垫；68-第三缓冲垫；7-第二控制盒；71-处理器模块。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“内”“外”“前端”“后端”“一侧”“两侧”“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“设置有”“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的C型滑道1、滑块2、气泵21、气动伸缩杆22、支杆23、第一电机24、锥形滚轮25、电池模组28、激光雷达模块安装板3、激光雷达固定架32、红外线避障传感器34、旋转轴35、激光雷达36等部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本领域技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

请参阅图1，一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，包括C型滑道1，C型滑道1上表面的两端对称开设有固定安装孔11用于安装，C型滑道1内壁下表面靠近轴线处的一侧开设有滑槽12，用于限制锥形滚轮25的运动路径。滑块2位于滑道中央，由第一电机24通过支杆23与一侧锥形滚轮25连接，并驱动锥形滚轮25运动，带动滑块2在C型滑道1内移动。另一侧锥形滚轮25轴心处开设有孔道26，滚轮嵌套在带盖支杆27上，跟随滑块2运动。

具体地，滑块2上表面通过螺栓安装有第一控制盒4，滑块2内部安装有电池模组28给整个机器人供电，滑块2下表面轴心位置焊接有气泵21，气泵21的动力输出端螺纹密封安装有气动伸缩杆22，气动伸缩杆22底端焊接有激光雷达模块安装板3，气泵21控制气动伸缩杆22伸缩，进而控制激光雷达模块整体的升降。

具体地，所述激光雷达模块安装板3外表面对应四个方向均匀安装有红外线避障传感器34，用于在设备运行时监测激光雷达模块附近是否有障碍物需要躲避。所述激光雷达模块安装板内部轴心处安装有第二电机33，第二电机33与旋转轴35相连，所述旋转轴35另一端与旋转结构31连接，第二电机33带动旋转轴35转动，进而带动旋转结构31绕轴心转动。所述旋转结构31下表面的两侧对称螺纹安装有激光雷达固定架32，用于将激光雷达36固定在其内侧，因而当旋转结构31绕轴旋转时，激光雷达36同时做旋转运动，再结合激光雷达自身的旋转，就可以实现三维空间的全覆盖扫描。

进一步地，所述电池模组28、红外线避障传感器34和激光雷达36输出端分别与安装在第一控制盒4输入端电线连接，第一控制盒4接收并处理数据；所述第一控制盒4输出端分别与气泵21、第一电机24和第二电机33输入端电线连接，第一控制盒4向以上单元发送控制指令。

请参阅图2，示出本实施例提供的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人整体轨道。所述C型滑道1的起点处为休眠仓6，休眠仓6前端安装有舱门61，机器人正常工作时在C型滑道内循环移动且不会通过舱门61，需要充电或收到休眠指令时则会通过舱门61进入休眠仓6休眠。

请再参阅图3，示出本实施例提供的一种充电模块5的结构。所述充电模块5安装在休眠仓6的顶部，用于给电池模组28充电。具体地，所述充电模块5下表面安装有弹簧52，弹簧52的另一端连接着电磁铁53，所述电磁铁53下表面安装有充电触头54，电磁铁53和充电触头54通过导线管51与外部电源电线连接。当充电模块5接收到充电指令时，外部电源会为导线管51中的导线通电。通电后，电磁铁53产生磁性，被所述滑块2中安装的电池模组28的充电口29所吸引，所述充电触头54进而与充电口29连接，设备开始充电。当电池充满电后，由电池模组28向第一控制盒4发出信号，再由第一控制盒4发出断电指令，充电模块5接收到断电指令时，外部电源会停止为导线管51中的导线通电。断电后，电磁铁53失去磁性，充电触头54与充电口29断开连接，在弹簧52的牵引下恢复到充电前的状态。

请参阅图4，示出本实施例提供的一种休眠仓6的结构。所述休眠仓6安装在滑道1延伸处的末端，连接处设置有舱门61。所述舱门61前方的滑道上表面安装有第一压力传感器62，舱门61上安装有第二压力传感器63。机器人在滑道1中运动时，必然会经过第一压力传感器62，此时第一控制盒4会判断电池模组28是否需要充电。当判断为需要充电时，第一控制盒4通过无线连接将信息传递给第二控制盒7，所述第二控制盒7将发出开启命令，控制舱门61开启，机器人继续运动通过舱门61进入休眠仓6；当判断为不需要充电时，舱门61将保持关闭状态，机器人继续运动会触碰到舱门61，第二压力传感器63感受到压力，将信号传递给第二控制盒7，第二控制盒7通过无线连接将信号进一步传递给第一控制盒4，第一控制盒4发出命令控制第一电机24，使第一电机24反向转动，从而实现机器人的反向运动，机器人将继续在滑道内循环运动。

进一步地，当机器人进入休眠仓6后，第一控制盒4将关闭第一电机24，机器人依靠惯性顺着斜坡运动到底端。所述休眠仓6中部滑道即滑坡位置上表面贴有减速带65，降低机器人滑行速度，使其平稳停靠在休眠仓底端。当机器人停靠时，会触碰到安装在休眠仓6末端的第三压力传感器64，此时第三压力传感器64将机器人停靠的信息发送给第二控制盒7，第二控制盒7进而向充电模块5发出充电指令，机器人开始充电。此外，所述第三压力传感器64、所述休眠仓6末端下半部分内侧表面和所述舱门61表面分别贴有弹性材料制成的第一缓冲垫66、第二缓冲垫67和第三缓冲垫68。设置缓冲垫用来避免因机器人运动惯性带来的碰撞损害设备。

请参阅图5和图6，分别示出本实施例提供的第一控制盒4和第二控制盒7内部结构。所述第一控制盒4的核心为处理器模块43，所述处理器模块43接收来自激光雷达36、电池模组28、红外线避障传感器34和坐标数据存储模块42的各种数据，并向气泵21、第一电机、第二电机33发出相应控制指令，将坐标数据和激光雷达点云数据传输至数据处理模块44做进一步处理，最终由数据传输模块作为向外端口导出数据。第一控制盒4与第二控制盒7通过无线连接的方式实现信息交互。所述第二控制盒7内部核心同样为处理器模块71，它接收来自数据传输模块45、第一压力传感器62、第二压力传感器63和第三压力传感器64的数据，并向舱门61和充电模块5发出相应控制指令。

Claims (7)

1.一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，包括C型滑道(1)内壁下表面靠近轴线处的一侧开设有滑槽(12)，所述滑槽(12)内摆放有锥形滚轮(25)，所述锥形滚轮(25)轴心处连接有支杆(23)，所述支杆(23)另一端与滑块(2)相连，所述滑块(2)内部安装有电池模组(28)，所述滑块(2)下表面轴心位置焊接有气泵(21)，所述滑块(2)上表面轴心位置通过螺栓安装有第一控制盒(4)，其特征在于：所述气泵(21)动力输出端螺纹密封安装有气动伸缩杆(22)，所述气动伸缩杆(22)底端焊接有激光雷达模块安装板(3)，所述激光雷达模块安装板(3)外表面对应四个方向均匀安装有红外线避障传感器(34)，所述激光雷达模块安装板(3)内部轴心处安装有第二电机(33)，所述第二电机(33)下端连接有旋转轴(35)，所述旋转轴(35)另一端与旋转结构(31)连接，所述旋转结构(31)下表面的两侧对称螺纹安装有激光雷达固定架(32)，所述激光雷达固定架(32)内侧安装有激光雷达(36)，所述电池模组(28)、红外线避障传感器(34)和激光雷达(36)输出端分别与安装在第一控制盒(4)内的第一处理器模块(43)输入端电线连接，所述处理器模块(43)输出端与气泵(21)输入端电线连接，所述处理器模块(43)与安装在第一控制盒(4)内的数据处理模块(44)电线连接；

其中，所述激光雷达(36)实时扫描室内环境，并产生三维点云数据，经过导线传输到处理器模块(43)进行处理；

所述滑道(1)的末端安装有休眠仓(6)，所述休眠仓(6)的前端安装有舱门(61)，所述舱门(61)前方的滑道上表面安装有第一压力传感器(62)，所述舱门(61)上安装有第二压力传感器(63)，所述休眠仓(6)的末端安装有第三压力传感器(64)，所述休眠仓(6)顶部安装有充电模块(5)，所述充电模块的前端安装有第二控制盒(7)，所述第一压力传感器(62)、第二压力传感器(63)和第三压力传感器(64)输出端分别与安装在第二控制盒(7)内的处理器模块(71)输入端电线连接，所述处理器模块(71)输出端与充电模块(5)和舱门(61)输入端电线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，其特征在于：所述滑块(2)中安装的支杆(23)另一端连接第一电机(24)，所述滑块(2)的另一侧安装有带盖支杆(27)，所述带盖支杆(27)外套有锥形滚轮，滚轮轴心位置处开有孔道(26)；所述电池模组(28)与充电口(29)电线连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，其特征在于：还包括：

坐标数据存储模块(42)；

坐标传输模块(41)，其中，所述第一控制盒(4)内安装有坐标数据存储模块(42)和坐标传输模块(41)，所述第一电机(24)输入端通过导线与处理器模块(43)输出端电线连接，所述处理器模块(43)输入端通过电路板与坐标数据存储模块(42)输出端电线连接，所述坐标数据存储模块(42)输入端通过导线与坐标传输模块(41)输出端电线连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，其特征在于：所述休眠仓(6)中部滑道上表面贴有减速带(65)，所述第三压力传感器(64)、所述休眠仓(6)末端下半部分内侧表面和所述舱门(61)表面分别贴有弹性材料制成的第一缓冲垫(66)、第二缓冲垫(67)和第三缓冲垫(68)。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，其特征在于：所述充电模块(5)下表面连接有弹簧(52)，所述弹簧(52)另一端连接有电磁铁(53)，所述电磁铁(53)下表面连接有充电触头(54)，所述电磁铁(53)和充电触头(54)通过导线管(51)与外部电源电线连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，其特征在于：所述安装在第一控制盒(4)内的数据传输模块(45)输出端通过WiFi与安装在第二控制盒(7)内的处理器模块(71)输入端信号连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于旋转式激光雷达的悬挂式轨道堆料测量机器人，其特征在于：所述滑块(2)内部中空且内部中心位置焊接有加强筋，所述滑块(2)两端锥形滚轮(25)呈对称结构。