(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211055286.4 (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96号 申请人 国网山东省电力公司电力科 学研究 院　 国网安徽省电力有限公司电力科 学 研究院 (72)发明人 董二宝　王梓名　刘昱江　张用　 赵洺哲　张磊　秦佳峰　吴少雷　 吴凯　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 关玲(51)Int.Cl. G01S 17/89(2020.01) G01S 17/06(2006.01) G01S 7/495(2006.01) G06T 7/73(2017.01) (54)发明名称 一种应用 于高空作业机械的激光定位与建 图装置及方法 (57)摘要 本发明一种应用于高空作业机械的激光定 位与建图装置及方法， 所述装置包括前端数据采 集模块、 时间同步系统和计算主控单元， 所述前 端数据采集模块为三维激光雷达； 所述计算主控 单元获取扫描数据， 将获得的点 云数据投影得到 场景的深度图， 分割空洞的下方地面点以及高空 作业目标点， 获得地面点和高空作业目标点各自 的平面点和边缘点； 进行高空作业中三维激光雷 达以及作业平台的定位， 进行下方地面点和高空 作业目标点的帧到帧的特征匹配， 匹配后进行边 缘点和平面点的优化； 进行高空作业场景的构 建， 通过采集到的当前帧加入全局地图， 并进行 回环检测优化， 构建最后的高空作业环境的地 图。 本发明能够规避危险作业行为， 减少高中作 业危险性。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 115436967 A 2022.12.06 CN 115436967 A 1.一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置， 其特征在于： 包括前端数据采集 模块、 时间同步系统和计算主控单 元， 所述前端数据采集模块 为多线激光雷达； 所述装置与高空作业平台的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， 所述多 线激光雷达扫描环境， 获取到环境感知数据后 将数据输入到运行嵌入式操作系统的所述计 算主控单元， 两者通过局域网进 行连接， 同时将所述时间同步系统接入所述局域网， 确保所 述多线激光雷达和计算主控单 元的时间统一到精确U TC时间基准。 2.根据权利要求1所述的一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置， 其特征在 于： 所述多线激光雷达为机械旋转式激光雷达、 固态面阵式激光雷达、 MEMS 激光雷达或数字 激光雷达 。 3.根据权利要求1所述的一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置， 其特征在 于： 所述多 线激光雷达以不小于 5Hz的更新速率发布点云数据。 4.根据权利要求1所述的一种应用于高空作业机械的激光定位与建图装置， 其特征在 于： 所述时间同步系统的第一级为GNSS 接收模块， 通过卫星获取纳秒级精度的UTC 真值时间 数据， 通过FPGA模块转化为PPS信号和NEMA信号输入 所述多线激光雷达， 所述多线激光雷达 接收信号进 行时间同步， 同时形成NDT协 议包发送给所述计算主控单元， 计算主控 单元通过 NDT网络协议进行时间同步。 5.一种应用于高空作业机械的激光定位与建图方法， 其特征在于： 所述计算主控单元 获取高空作业平台末端的多线激光雷达的传感器的扫描数据， 将获得的点云数据投影得到 场景的深度图， 所述深度图的尺寸为360/角度分辨率， 并对所述点云数据进 行预处理， 分割 空洞的下方地面点以及高空作业目标点， 接下来以传入的分割后的点云数据作为输入进 行 大的聚类， 之后进行各自的特征点提取， 根据每个点的平滑度提取两次得到最后的边缘点 和平面点， 至此获得地面点和高空作业 目标点各自的平面点和边缘点； 然后进行高空作业 中多线激光雷达以及作业平台的定位， 通过所述装置获取 的特征点， 进行下方地面点和高 空作业目标点的帧到帧的特征匹配， 匹配后进行边缘点和平面点的优化； 最后进行高空作 业场景的构建， 通过采集到的当前帧加入全局地图， 并进行回环检测优化， 构建最后的高空 作业环境的地图。 6.根据权利要求5所述的激光定位与建图方法， 其特征在于： 所述边缘点匹配在3D中即 要求该点到对应点的线的距离最短， 所述平面点的匹配原则是该点到对应点的平面距离最 短。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115436967 A 2一种应用于高空作业机械的激光定位 与建图装置及方法 技术领域 [0001]本发明属于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 械的激光定位与建图装置及方法。 背景技术 [0002]高空作业车广泛应用于工农业生产和日常生活中的场景， 如建筑、 电网电信线路 和市政设施的检测维修、 果树农作物的采摘、 林木护理、 大型船舶的清洗除锈喷涂、 高空救 援等场景。 目前高空作业平台的操作和感知 几乎完全依赖于工人 的经验， 这带来了高空挤 压、 高压触电、 地 面行走倾倒、 违规操作等 风险。 [0003]将高空作业平台如斗臂卡车进行数字化和智能化改造有利于为各种高空作业机 器人提供通用的智能化平台， 在工作过程中， 系统实现准确、 实时的定位及环 境的精确三 维 感知识别和重建， 将工作平台安全准确地送至目标区域， 有效避免挤压、 触电等安全风险； 同时还可以实现数字孪生空间构建， 为机器人执行目标识别、 轨迹规划和作业控制等任务 提供前置信息， 同时为高空场景增强现实(MR—AR&VR)开发提供准确丰富的环境交互数据 信息。 [0004]同时， 定位与地图构建(Simultaneous  localization  and mapping， 一般直接称 SLAM)是一种概念： 希望机器人从未知环境的未知地点出发， 在运动过程中通过重复观测到 的地图特征， 定位自身位置和姿态， 再根据自身位置增量式的构建地图， 从而达到同时定位 和地图构建的目的。 激光SLAM以激光雷达为主要传感设备， 通过激光反射感知环 境， 进而解 算机器人位姿， 现有激光SLAM方法应用于高空作业平台往往存在问题， 高空作业平台及其 工作环境带来的困难主要有： 空旷的高空环境带来约束的减少使得激光里程计失效， 物体 纹理的缺失、 在高空缺少特征 的环境中的不断运动的大型液压臂会产生较大 的动态干扰、 机器人的突然旋转和垂 直方向的运动考验算法面对突然变化干扰的鲁棒性、 卡车平台连同 液压臂的高频振动和低频晃动使得传感器精度降低。 发明内容 [0005]为解决现有技术中高空作业工程机械智能化水平低， 环境感知能力弱， 同时现有 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 空作业机械的激光定位与建图装置及方法， 提高高空作业平台操作的效率和 安全性， 实现 高空作业机 械的数字化智能化改造 。 [0006]为达到上述目的， 本发明采用的技 术方案为： [0007]一种应用于高空作业机械 的激光定位与建图装置， 包括前端数据采集模块、 时间 同步系统和计算主控单 元， 所述前端数据采集模块 为多线激光雷达； [0008]所述装置与高空作业平台的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， 所述多线激光雷达扫描环境， 获取到环境感知数据后 将数据输入到运行嵌入式操作系统的说　明　书 1/4 页 3 CN 115436967 A 3