[Технологический рубеж] Разблокирование среды погрузки и разгрузки: конструкция «мирового датчика» погрузки и разгрузки 

[Технологический рубеж] Разблокирование среды погрузки и разгрузки: конструкция «мирового датчика» погрузки и разгрузки

Оригинальный интеллектуальный погрузочно-разгрузочный робот LU Global

Загрузка пяти благ и разгрузка всех вещей, адаптация ко всем типам транспортных средств; Загружая и разгружая все вещи и соединяя мир, Глобальный альянс интеллектуальных погрузочно-разгрузочных роботов возглавляет здоровое и упорядоченное развитие отрасли![Важное уведомление] 4 ноября в Ганновере, Шанхае, в рамках интеллектуальной загрузки и разгрузки, состоится встреча по обмену информацией и обменом информацией «Новые технологии и примеры применения 2026 года».Интеллектуальная мультимодальная система датчиков погрузочно-разгрузочного оборудования и мировое сенсорное технологическое решение
Исследования и проектирование Сианьского научно-исследовательского института интеллектуальной погрузки и разгрузки Цзяотун 1 Обзор проекта и цели проектирования
1.1 Предыстория проекта Погрузка и разгрузка грузов является одним из наиболее трудоемких и наиболее рискованных звеньев логистической и производственной системы. В закрытых или полузакрытых помещениях, таких как грузовики, фургоны, контейнеры и навесы для поездов, рабочая среда характеризуется небольшим пространством, ограниченным обзором, тусклым светом, сильной пылью, а также сложными и изменчивыми формами штабелей. Традиционная ручная погрузка и разгрузка имеет низкую эффективность и высокий риск утомления. Чисто автоматизированное оборудование часто не может работать стабильно из-за «ясного видения, неопределенности в измерениях и неспособности понять». Поскольку стоимость сенсорных устройств, таких как лидар, промышленные камеры и радары миллиметрового диапазона, продолжает снижаться, а возможности алгоритмов, такие как обработка облаков точек, понимание изображений и модели мира, быстро совершенствуются, мультимодальные системы зондирования с «мультисенсорным слиянием + пониманием сцены» в качестве ядра стали ключом, позволяющим технологии интеллектуального погрузочно-разгрузочного оборудования (погрузчики, разгрузчики, манипуляторы и т. д.) перейти от «приводов» к «автономной загрузке и разгрузка». 1.2 Цели проектирования: Глобальное восприятие: рассмотрение всего пространства внутри вагона, достижение всестороннего высокоточного восприятия груза, конструкции вагона и состояния окружающей среды в режиме реального времени; Пространственная унификация: объединение разнородных данных с лидара, камер и других датчиков в одну и ту же пространственно-временную привязку для формирования согласованного трехмерного выражения; Понимание мира погрузки и разгрузки: создание «датчика мира погрузки и разгрузки» для семантического понимания сцены перевозки для поддержки принятия решений по загрузке и разгрузке и обработки исключений; Адаптация сцены: охватывает четыре типичных типа вагонов: грузовики, фургоны, контейнеры и навесы для поездов, с учетом направлений погрузки и разгрузки. 1.3 Принципы проектирования

1.4 Область применения В качестве вспомогательной сенсорной подсистемы для интеллектуального погрузочно-разгрузочного оборудования эта система обслуживает автоматические операции по погрузке и разгрузке товаров внутри вагонов (бортовые / плитовые грузовики, фургоны), контейнеров (20 футов / 40 футов) и товарных вагонов поездов (товарные вагоны серии P), охватывая основные формы товаров в мешках, коробках, бочках, связках, насыпных и паллетированных товарах. 2 Общая архитектура системы
Система имеет многоуровневую архитектуру, снизу вверх: уровень носителя оборудования, уровень восприятия, уровень сбора и обработки данных восприятия из нескольких источников, уровень унификации пространства с несколькими датчиками, уровень мировых датчиков загрузки и разгрузки, а также уровень вывода решений и интерфейса приложения. Базовые датчики завершают сбор необработанных данных и после обработки, унификации и объединения они входят в «Мировой датчик погрузки и разгрузки», чтобы генерировать семантическое понимание сцены погрузки и разгрузки и, наконец, выводить инструкции по принятию решения по загрузке и разгрузке и управлять выполнением погрузочно-разгрузочного оборудования через интерфейс электронного управления; инструкции управления выдаются в обратном направлении по ссылке, образуя замкнутый цикл «восприятие-понимание-решение-исполнение».

3 Дизайн перцептивного слоя
3.1 Лидарная подсистема Лидар – это основной датчик трехмерного восприятия в вагоне. Он используется для реконструкции облака точек внутри вагона, восприятия контура груза и формы штабеля, а также измерения пространства погрузки/разгрузки. Он разделен на две категории в зависимости от различных положений развертывания: фиксированный тип мачты: устанавливается на вершине погрузочно-разгрузочной мачты, отвечает за непрерывное сканирование входной части каретки и рабочей зоны погрузочно-разгрузочного механизма и определение начальной системы координат; мобильный тип в вагоне: установлен на подвижной сенсорной платформе подвижного рельса в верхней части каретки или ведомом держателе механизма погрузки и разгрузки, сканируя по глубине каретки для устранения слепой зоны восприятия, вызванной препятствием слишком длинной перевозки и груза. При выборе ориентируйтесь на следующие ключевые параметры (рекомендуемый диапазон):

Рабочая длина волны предпочтительно составляет 1550 нм или решение 905 нм с уровнем лазерной защиты класса 1 с учетом безопасности персонала и проникновения пыли; мобильная платформа должна быть оснащена поворотным энкодером и системой позиционирования с помощью IMU для точного соединения многосегментных облаков точек. 3.2 Подсистема камеры Система камеры отвечает за получение семантической информации о грузе и мониторинг процесса погрузки и разгрузки и дополняет лидар: лидар обеспечивает высокоточную геометрию, а камера обеспечивает такую ​​семантику, как категория, метка, цвет, повреждение и положение. Подсистема состоит из трех типов камер:

Для малой освещенности кабины (минимальная расчетная 0,1 лк) и ночных работ предусмотрена светодиодная заполняющая подсветка и инфракрасное дополнительное освещение; Камера устанавливается с помощью быстросъемного кронштейна для облегчения очистки и обслуживания на месте. Объектив камеры должен быть пыленепроницаемым, водонепроницаемым (IP65/IP67) и устойчивым к вибрации. 3.3 Другие подсистемы датчиков Другие датчики используются для дополнения информации о слепых зонах радара и обзора, а также для определения состояния самого погрузочно-разгрузочного оборудования и условий окружающей среды. Подробности следующие:

3.4 Загрузка и выгрузка перцептрона мира Мировой перцептрон загрузки и выгрузки является центром понимания системы и состоит из двух частей: аппаратного носителя (периферийного вычислительного блока) и программного движка (мультимодальное восприятие и модель мира). Аппаратный носитель использует периферийные вычислительные блоки автомобильного/промышленного уровня, оснащенные ускорителями GPU/NPU, а также выполняет сегментацию облаков точек, обнаружение целей, семантическое картографирование и другие модели; Базовый уровень вычислительной мощности настроен в соответствии с «полной обработкой облака точек 10 Гц + изображение 30 кадров в секунду, задержкой синхронного рассуждения ≤150 мс», с резервированием не менее 30% запаса вычислительной мощности, а также дизайном рассеивания тепла и защиты от вибрации. Программный механизм получает объединенные данные после пространственной унификации и выполняет три основные функции: сбор и обработка данных зондирования из нескольких источников: управляет синхронным сбором, предварительной обработкой и конвейерами извлечения признаков; Пространственная унификация нескольких датчиков: инкапсулирует параметры калибровки, преобразование координат и объединенное представление, а также обеспечивает единый интерфейс с внешним миром; Понимание мира погрузки и разгрузки: строит трехмерную семантическую карту перевозки, идентифицирует элементы груза, моделирует формы штабелирования и оставшееся пространство, делает выводы о действиях по погрузке и разгрузке, а также обнаруживает отклонения от нормы и события, связанные с безопасностью. Движок использует двухуровневую структуру «модель восприятия + конечный автомат сцены»: модель восприятия отвечает за геометрию и семантическое извлечение, а конечный автомат отвечает за управление процессом загрузки и выгрузки и проверку согласованности перекрестных моментов. Эти двое работают вместе, чтобы добиться трансформации от «видения» к «пониманию» и «доступности». 4 Сбор и обработка перцептивных данных
4.1 Запуск сбора данных и синхронизация времени Сбор данных с датчиков с несколькими источниками должен устанавливать единую временную базу. В системе используется главная синхронизация часов IEEE 1588 (PTP), а ключевые датчики (3D-камера и лидар) дополняются аппаратными линиями запуска для достижения выравнивания на уровне кадров с точностью синхронизации ≤1 мс. Кадры облака точек, кадры изображений и данные IMU/кодировщика связаны с единой временной меткой, а процесс объединения выравнивается с помощью интерполяции временных меток. 4.2 Облако точек предварительной обработки данных: устранение выбросов, понижающая дискретизация (вокселизация), устранение подгонки плоскости земли и стенок вагона, компенсация движения движущейся платформы; изображение: коррекция искажений, автоматический баланс белого и выравнивание яркости, улучшение низкой освещенности (включая переключение инфракрасного режима); другое восприятие: корреляция и фильтрация трассировок точек миллиметровых волн, компенсация ошибок IMU и оценка смещения, проверка количества энкодеров. 4.3 Извлечение признаков. Характеристики облака точек: евклидова кластеризация, сегментация плоскостей и ребер, карта высот стопки, расчет занятости объема отсека; Возможности изображения: 2D/3D обнаружение цели (категория груза, положение), обнаружение дефектов (повреждения, утечки, загрязнения), распознавание штрих-кода этикетки; Функции Fusion: растровая карта объектов BEV, наложенный семантический канал для использования датчиком мира погрузки и разгрузки. 4.4 Система управления и воспроизведения данных обеспечивает кольцевой кэш и механизм маркировки событий: данные процесса загрузки и выгрузки автоматически архивируются в соответствии с событиями задания (облако точек ключевых кадров + изображение + данные о движении), поддерживают автономное воспроизведение, отслеживание данных калибровки и расследование происшествий; данные воспроизведения также используются для непрерывной оптимизации модели мира. Пропускная способность данных рассчитана на основе выходного сигнала 10 Гц + все ключевые события размещаются на диске, а емкость хранилища настроена на основе работы в одну смену продолжительностью ≥8 часов. 5 Многосенсорное пространственное объединение
5.1 Система координат определяет трехуровневые системы координат: систему координат оборудования (S-LAD, основанную на мачте погрузочно-разгрузочного оборудования), систему координат кареты (S-CAR, принимающую за начало координат передний угол/центр входа каретки, откалиброванную по положению парковки) и глобальную мировую систему (S-WLD, включая систему отсчета станции). Значения измерений радара и камеры преобразуются в S-LAD посредством внешних параметров (включая параметры «рука-глаз» манипулятора), затем преобразуются в S-CAR посредством регистрации кузова-автомобиля и, наконец, унифицируются и сохраняются в S-WLD. 5.2 Процесс калибровки и баланс погрешностей

Обеспечивает функцию быстрой повторной калибровки на месте: благодаря фиксированной цели и автоматическому процессу сбора одна повторная калибровка занимает ≤15 минут; система выполняет онлайн-мониторинг отклонения калибровки, вызванного температурным отклонением и столкновением, а также автоматически подает сигнал тревоги и переходит в режим ухудшения качества в случае превышения стандарта. 5.3 Синхронизация времени и объединение означают, что для синхронизации времени используются главные часы PTP + аппаратный триггер (экспозиция камеры согласована с кадром радара), а точность синхронизации составляет ≤1 мс; после объединения данных он равномерно выражается в виде трехмерной воксельной сетки занятости (сетка 5 см) в системе координат вагона с наложенным семантическим слоем BEV, с учетом геометрической точности и семантического богатства, для непосредственного потребления мировым датчиком погрузки и разгрузки. 6 Понимание мира погрузки и разгрузки
Мировой датчик загрузки и разгрузки преобразует «трехмерные данные» в «семантику загрузки и разгрузки» через мировую модель. Это основная возможность этого решения, которая отличает его от обычных систем слияния датчиков. В его состав входят следующие функциональные модули. 6.1 Трехмерная семантическая карта строится на основе вагонной системы координат: накладываются геометрический слой (воксельная занятость + плоскостная/краевая структура) и семантический слой (груз, стенки отсека, двери отсека, личный состав, оборудование). Точность сетки составляет 5 см, семантическое обновление составляет ≤500 мс, и оно обновляется постепенно в реальном времени в процессе загрузки и разгрузки. 6.2 Идентификация грузовых элементов определяет шесть типов грузовых элементов: в мешках, в коробках, в бочках, в связках, навалом и на поддонах. Он выводит категории, ограничивающие рамки, позы, позиции штабелирования и уровни достоверности; степень распознавания категорий составляет ≥98%, а точность сегментации экземпляров mAP ≥0,85. Далее определите направление штифтов и количество слоев паллетированных товаров, чтобы обеспечить основу для принятия решений о вилке/захвате. 6.3 Моделирование формы штабеля и остаточного пространства основано на облаке точек и семантической карте для расчета загруженного объема, оставшегося доступного пространства, плоскостности поверхности штабеля и состояния эксцентрической нагрузки с совокупной ошибкой объема ≤2%; вывести список «размещаемых областей-кандидатов» (удовлетворяющих ограничениям размера и стабильности) для планирования пути загрузки; в направлении разгрузки выводятся послойная последовательность захвата и проверка препятствий. 6.4 Обоснование действий по загрузке и разгрузке основано на целевой позе и потенциальной области для определения точки захвата/точки зажима, точки размещения, траектории движения роботизированной руки или толкающего механизма; в сочетании с обратной связью по датчику силы для контроля соответствия и предотвращения столкновений; Проверка осуществимости (космические помехи, устойчивость, ограничения по скорости) выполняется перед каждым действием. Если вас что-то не устраивает, измените порядок или переключитесь на ручное управление. 6.5 Конечный автомат загрузки и разгрузки и обнаружение аномалий Конечный автомат используется для управления процессом загрузки и разгрузки: вход в обнаружение каретки → измерение пространства → захват/подбор → загрузка/разгрузка → проверка положения → подтверждение выхода, а также установка условий подтверждения и обработка тайм-аута между каждым состоянием. Обнаружение аномалий охватывает повреждение/утечку груза, застревание, движение поддона, проникновение персонала, перерасход оборудования и т. д. Уровень обнаружения составляет ≥95%. После обнаружения он обрабатывается в соответствии со стратегией «стоп-проверка-восстановление/переход в ручной режим», при этом подключается защитная блокировка. 6.6 Цифровой двойник и воспроизведение процесса Весь процесс загрузки и разгрузки синхронно воспроизводится в среде цифрового двойника, отображая в реальном времени трехмерное семантическое состояние и положение оборудования, а также поддерживая воспроизведение процесса, аудит параметров и итеративное обучение модели. 7 Четыре типа дизайна адаптации сцены
7.1. Восприятие погрузки и разгрузки грузовика (плоская пластина/рельс) имеет широкое поле зрения в сцене с открытой пластиной грузовика. Основное внимание уделяется контуру формы штабеля груза, высоте погрузки и обнаружению смещенной нагрузки, а также положению номерного знака грузовика и подтверждению положения при парковке. Принята комбинация «фиксированное зондирование задней мачты + перемещение подвижного рельса на верху кабины»: LiDAR на верху мачты отвечает за входную секцию и зону работы оборудования, а мобильная сенсорная платформа с направляющими сканирует вперед и назад вдоль продольного направления кабины. Данные из двух объединяются с едиными координатами для построения полной трехмерной семантической карты автомобиля; наземные миллиметровые/ультразвуковые датчики отвечают за выравнивание транспортных средств при парковке и безопасность окружающей среды. 7.2 Датчики загрузки и разгрузки фургона Фургон представляет собой полностью закрытый кузов, вход и выход во время работы осуществляется через заднюю дверь (и дополнительную боковую дверь). Система должна решать проблемы низкой освещенности (стандартный заполняющий свет/инфракрасный свет), отражения от стен отсека и ограниченного поля зрения; точки настройки: установить портальную сенсорную группу (LiDAR + бинокулярная камера + заполняющий свет) в районе дверной коробки отсека, развернуть мобильную сенсорную платформу (LiDAR + камера глубины + IMU + энкодер) на верхней направляющей отсека, установить ультразвуковой датчик предотвращения препятствий на нижней части отсека и дверной коробки; свяжите статус открытия двери и обнаружение персонала во время процесса погрузки и разгрузки, чтобы предотвратить сбои в работе, когда дверь открыта не полностью или люди оказываются в затруднительном положении. 7.3 Контейнер с датчиком загрузки и разгрузки контейнера (20 футов/40 футов, внутренняя высота около 2,35–2,69 м) имеет фиксированное отверстие, большую глубину и не имеет внутреннего освещения. Он использует вторичную структуру «фиксированное зондирование горловины ящика + углубленное последующее зондирование»: LiDAR на верхнем луче горлышка короба сканирует внутрь для завершения идентификации груза и проверки пространства в дверной секции, а камера в горловине ящика идентифицирует категорию груза и этикетку и заполняет свет + инфракрасный свет для обеспечения изображения при слабом освещении; роботизированный манипулятор/толкающий механизм загрузки и разгрузки оснащен торцевой камерой и датчиком усилия, позволяющим глубоко проникать в ящик для точного определения и управления захватом; ультразвуковая матрица в нижней части ящика и энкодер разгрузочной платформы подтверждают посадку и транспортировку товара. 7.4 Восприятие погрузки и разгрузки товарных вагонов Товарные вагоны (товарные вагоны серии Р длиной около 15,5 м, внутренней высотой около 2,8 м, дверями с обеих сторон) имеют большие размеры, имеют нецентральные боковые двери и имеют сложную внутреннюю конструкцию. Это самый сложный тип восприятия во всей сцене. Принятие стратегии «сегментированного реле»: фиксированная группа датчиков на наземной погрузочно-разгрузочной мачте закрывает входную секцию боковой двери; мобильная сенсорная платформа в кабине сканирует верхнюю направляющую по сегментам и использует IMU + энкодер + лазерную регистрацию для завершения объединения многосегментного облака точек для построения семантической карты всей кабины; Радар миллиметрового диапазона дальнего действия заполняет слепую зону в дальнем конце сверхдлинной кабины, проникая сквозь пыль и в условиях низкой освещенности. Для операций с двусторонними дверями система восприятия поддерживает независимое отображение и управление статусом операций для левой и правой сторон. 8 уровнейКлючевые показатели эффективности и приемочные работы

9 интерфейсов и интеграция
9.1 Интерфейс с электронной системой управления погрузочно-разгрузочным оборудованием выдает результаты измерений и инструкции по принятию решений в электронную систему управления погрузочно-разгрузочным оборудованием по промышленному Ethernet и полевой шине. Он поддерживает три основных протокола: EtherCAT, PROFINET и CANopen (в зависимости от оборудования выбирается один главный и один резервный).

9.2 Интерфейс данных Внутренний и верхний уровни системы датчиков обеспечивают интерфейсы данных, совместимые с ROS 2 (облака точек, изображения, объединенные карты, списки целей) и пользовательские оптимизированные протоколы (периодические структуры): облака точек с частотой 10 Гц, изображения, извлеченные с помощью ROI, и поэтапная передача событий семантической карты; внешне предоставляются Ethernet (гигабитный) и дополнительные каналы загрузки 5G. 9.3 Источник питания и защита используют архитектуру источника питания 24 В постоянного тока (резервный источник питания), дополненную 48 В. Ключевые узлы оснащены ИБП/суперконденсаторами для безопасного отключения после отключения электроэнергии; степень защиты чувствительного блока не ниже IP65, а внутренний блок мобильной платформы пылезащищен (IP67/взрывозащищенность опционально); Вся машина спроектирована в соответствии со стандартом ЭМС промышленной площадки и соответствует условиям работы при вибрации 3g и температуре -20~+55℃.