基于激光和視覺的道路自主清掃車的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基于激光和視覺的道路自主清掃車，屬于智能環衛機械技術領域，包括車體，車體外部的前方設有激光掃描測距雷達和攝像頭，車體的上方設有GPS定位模塊，車體的下方設有至少一個清掃盤刷、轉向輪和驅動輪，清掃盤刷位于轉向輪和驅動輪之間，車體的內部設有車載電腦主板和整車控制系統，車載電腦主板連接激光掃描測距雷達、攝像頭、GPS定位模塊和整車控制系統，并通過無線數據傳輸基站網絡與人機交互平臺實現數據通訊，在無人駕駛的情況下能夠自主進行路徑規劃和導航定位，真正做到無需人員再次干預即可完成路徑規劃道路的清掃作業，適于在園區和公共道路上推廣應用，降低城市環衛工人的勞動強度。
【專利說明】
基于激光和視覺的道路自主清掃車
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于激光和視覺的道路自主清掃車，屬于智能環衛機械技術領域。
【背景技術】
[0002]目前清掃車無論是室內還是城市街道環衛，基本上都需要人工操作，而隨著城市規模的發展，人力成本的不斷提高，對于智能化無人駕駛自主行駛清掃車的需求，顯現的尤為迫切。目前，在全自動無人駕駛方面，國內已經有相關企業和機構進行了研究，通常采用三種方法實現:(I)基于3G/4G或GPRS網絡，通過終端設備進行路徑的規劃，并對設備狀態進行實時監控；(2)基于機器視覺的圖像識別技術；(3)采用在地面鋪設導軌、磁軌，車輛在固定軌道上行駛，即軌道式全自動無人駕駛車。雖然無人駕駛領域已經有相關的技術，但是在無人清掃車方面技術還未成熟，在現有技術中沒有得到推廣應用。
[0003]例如，授權公開號為:CN204644936U公開的一種無人駕駛式自動商用洗/掃地機，在技術上存在一定的不足，當遇到障礙物后，需將激光傳感器、超聲或防撞條信息送至導航模塊，導航模塊根據具體情況，發送停止指令于控制模塊，并需人工再次干預，重新規劃路徑，費時且不能做到整個過程完全無人干涉，不適于在大型路面進行清掃作業。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種基于激光和視覺的道路自主清掃車，在無人駕駛的情況下能夠自主進行路徑規劃和導航定位，實現路面的清掃作業，降低城市環衛工人的勞動強度、減少城市二氧化碳排放和環境污染、優化能源結構。
[0005]本實用新型所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，包括車體，車體外部的前方設有激光掃描測距雷達和攝像頭，車體的上方設有GPS定位模塊，車體的下方設有至少一個清掃盤刷，清掃盤刷的前后兩側分別設有轉向輪和驅動輪，車體的內部設有車載電腦主板和整車控制系統，車載電腦主板連接激光掃描測距雷達、攝像頭、GPS定位模塊和整車控制系統，并通過無線數據傳輸基站網絡與人機交互平臺實現數據通訊。
[0006]激光掃描測距雷達用于檢測前方道路兩側路沿石邊沿，提取并擬合道路邊沿的直線段，為相應清掃車沿道路平行前進和道路定位提供傳感數據，并利用前方180度范圍內的激光檢測數據，輔助完成自主避障;攝像頭為網絡高清攝像頭，用于采集前方圖像信息，在無路沿石的路段，通過圖像處理算法，與激光掃描測距雷達互補完成道路邊沿識別；車載電腦主板主要承載上位機智能算法處理軟件，通過接收整車控制系統上傳的數據，利用傳感器融合算法、圖像處理算法、自動避障算法、自主定位與導航算法等各種智能控制算法，實現自主駕駛，無線數據傳輸基站網絡用于實現數據的傳輸，具有3G、4G、WIFI及專用無線數傳網絡等多種可選通信方式，實現位置和狀態數據通信傳輸，人機交互平臺用于接收無線數據傳輸基站網絡傳輸的信息，在清掃和運動的過程中工作人員通過人機交互平臺實動作操控，以及遠程監控。
[0007]所述的整車控制系統包括電源管理系統、運動控制系統、超聲波自動避障系統、清掃控制系統和無線數據傳輸模塊，上述各個系統和部件之間通過CAN總線進行數據通信，無線數據傳輸模塊與遙控器實現數據通訊，電源管理系統用于實現電源管理，運動控制系統用于實現前進、后退、左轉、右轉、加速、減速、停車、剎車等運動的控制，超聲波自動避障系統用于實現自動避障，清掃控制系統用于實現抬放清掃盤刷完成清掃動作。
[0008]通過遙控器和人機交互平臺使控制模式分為手動控制和自主控制，在手動控制模式下通過遙控器或者智能手機客戶端軟件，實現前進、后退、左轉、右轉、加速、減速、停車、剎車、抬放清掃盤刷等一系列動作的操控;在自主控制模式下，利用超聲波測距傳感器、激光掃描測距雷達、攝像頭通過智能控制算法如障礙物識別與避障算法、自動避障算法、路肩識別算法、清掃路徑規劃算法，實現沿著應用場所道路自主定位和無人清掃，人機交互平臺通過無線數據傳輸基站網絡與清掃車本體傳輸數據，實時監控運行狀態、在園區的精確位置，并通過攝像頭實現前方視頻監控。
[0009]所述的超聲波自動避障系統包括超聲波測距傳感器，超聲波測距傳感器包括若干個，分別位于車體的前面和側面;左右兩側的超聲波測距傳感器對稱分布，超聲波測距傳感器利用超聲波的特性研制而成的傳感器，測量清掃車周邊障礙物距離，并根據距離信息作出報警、避讓、停車等動作。
[0010]所述的激光掃描測距雷達位于車體的前方，激光掃描測距雷達包括2個，一個激光掃描測距雷達位于車體前方的下端貼近地面，用于檢測前方道路兩側路沿石邊沿及較矮的障礙物，另一個激光掃描測距雷達位于車體前方的中央，用于檢測高于路沿石的障礙物。[0011 ]在導航定位方面，針對不同工況采用兩種方式:(I)采用激光掃描測距雷達和攝像頭相結合的方式，在有路沿石的路段，用激光掃描測距雷達識別，在沒有路沿石的路段，采用攝像頭識別標記線，由圖像處理與GPS定位相結合，實現路徑規劃與自主導航功能。(2)利用攝像頭和地標，結合GPS定位模塊，對路口進行識別和定位，實現路口檢測和路段定位，完成清掃路段路徑規劃和自主導航。通過導入園區離線測繪地圖，結合道路的GPS信息和機器視覺，確定相應的清掃運動方向、運動軌跡和在地圖中的具體位置。
[0012]在自動避障方面，當遇到障礙物時，采用超聲波測距傳感器和激光掃描測距雷達采集數據，利用智能控制算法，實現避障，前方障礙物檢測距離范圍?30m，檢測角度:0_180度，左右側障礙物檢測報警距離范圍:0-3m，后方障礙物檢測報警距離范圍:0-6m，自動避障響應距離可在檢測范圍內自由設定，當障礙物進入報警距離區域時，進行聲光報警，并減速行駛;當障礙物進入避障響應距離區域時，進行自動轉向，通過左右空閑車道自動繞行避障。
[0013]所述的車體的前方和側面均設有檢修口，前方的檢修口內設有轉向控制裝置和自動升降裝置，轉向控制裝置連接整車控制系統和轉向輪，自動升降裝置連接整車控制系統、清掃盤刷和激光掃描測距雷達，側面的檢修口內設有充電接口且與前方檢修口配合對車體內的系統進行檢修與更換。
[0014]當打開清掃功能時，通過前端檢修口內部的自動升降裝置，清掃盤刷與車體前方下端的激光掃描測距雷達同步下落，當下落至最低高度時，清掃電機啟動，清掃盤刷旋轉，開始清掃，同時下部的激光掃描測距雷達開始工作，當關閉清掃功能時，下端激光掃描測距雷達與清掃盤刷通過自動升降裝置自動升起。
[0015]所述的轉向控制裝置包括轉向電機和控制器，轉向電機連接控制器和轉向輪，控制器連接整車控制系統，控制器通過程序控制轉向電機，轉向電機控制轉向輪實現左右各60度范圍的轉向。
[0016]所述的車載電腦主板與整車控制系統之間通過USBCAN適配器實現數據協議轉換。
[0017]所述的車體的上方設有警示燈和檢修口上蓋，警示燈位于檢修口上蓋的上方，檢修口上蓋內設有鑰匙開關、手自動切換旋鈕開關、照明燈開關、灑水開關、遙控器接口和電量表，檢修口上蓋的一側設有無線通信天線和灑水箱注入口，無線通信天線連接無線數據傳輸基站網絡。
[0018]所述的轉向輪的數量為I個，位于車體下方的前端，驅動輪的數量為2個，位于車體下方的后端呈左右對稱分布，清掃盤刷的數量為2個，位于轉向輪和驅動輪之間呈左右對稱分布O
[0019]所述的車體的后方設有垃圾箱和其下方的垃圾濾芯清潔口擋板，垃圾濾芯清潔口擋板的左右兩側分別設有至少一個剎車燈和轉向燈，垃圾濾芯清潔口擋板的上方設有急停開關，車體的前方還設有至少一個轉向燈和照明燈。
[0020]急停開關用于實現緊急制動，照明燈用于在現場環境光線較暗時，可以手動或自動開啟，照亮前方道路，并為攝像頭補光。
[0021]本實用新型與現有技術相比，具有如下有益效果:
[0022]提供一種基于激光和視覺的道路自主清掃車，在無人駕駛的情況下能夠自主進行路徑規劃和導航定位，在自動控制模式下真正做到無需人員再次干預即可完成路徑規劃道路的清掃作業，通過遠程監控界面可監控清掃車本體的各個運動狀態，適于在園區和公共道路上推廣應用，降低城市環衛工人的勞動強度、減少城市二氧化碳排放和環境污染、優化能源結構，促進建設建設智能型城市、打造智慧園區。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型實施例的主視圖；
[0024]圖2為本實用新型實施例的后視圖；
[0025]圖3為本實用新型實施例的電路連接示意圖
[0026]圖中:1、車體;2、檢修口；3、攝像頭;4、超聲波測距傳感器;5、轉向燈;6、激光掃描測距雷達;7、照明燈;8、轉向輪;9、清掃盤刷；10、驅動輪;11、垃圾箱;12、灑水箱注入口； 13、無線通信天線；14、GPS定位模塊;15、警示燈;16、檢修口上蓋;17、垃圾濾芯清潔口擋板;18、剎車燈;19、急停開關。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明:
[0028]實施例
[0029]如圖1-3所示，本實用新型所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，包括車體I，車體I外部的前方設有激光掃描測距雷達6和攝像頭3，車體I的上方設有GPS定位模塊14，車體I的下方設有至少一個清掃盤刷9，清掃盤刷9的前后兩側分別設有轉向輪8和驅動輪10，車體I的內部設有車載電腦主板和整車控制系統，車載電腦主板連接激光掃描測距雷達6、攝像頭3、GPS定位模塊14和整車控制系統，并通過無線數據傳輸基站網絡與人機交互平臺實現數據通訊。
[0030]為了進一步說明上述實施例，整車控制系統包括電源管理系統、運動控制系統、超聲波自動避障系統、清掃控制系統和無線數據傳輸模塊，上述各個系統和部件之間通過CAN總線進行數據通信，無線數據傳輸模塊與遙控器實現數據通訊。
[0031]為了進一步說明上述實施例，超聲波自動避障系統包括超聲波測距傳感器4，超聲波測距傳感器4包括若干個，分別位于車體I的前面和側面;左右兩側的超聲波測距傳感器4對稱分布。
[0032]為了進一步說明上述實施例，激光掃描測距雷達6位于車體I的前方，激光掃描測距雷達6包括2個，一個激光掃描測距雷達6位于車體I前方的下端貼近地面，用于檢測前方道路兩側路沿石邊沿及較矮的障礙物，另一個激光掃描測距雷達6位于車體I前方的中央，用于檢測高于路沿石的障礙物。
[0033]為了進一步說明上述實施例，車體I的前方和側面均設有檢修口2，前方的檢修口 2內設有轉向控制裝置和自動升降裝置，轉向控制裝置連接整車控制系統和轉向輪8，自動升降裝置連接整車控制系統、清掃盤刷9和激光掃描測距雷達6，側面的檢修口 2內設有充電接口且與前方檢修口 2配合對車體I內的系統進行檢修與更換。
[0034]為了進一步說明上述實施例，轉向控制裝置包括轉向電機和控制器，轉向電機連接控制器和轉向輪8，控制器連接整車控制系統。
[0035]為了進一步說明上述實施例，車載電腦主板與整車控制系統之間通過USBCAN適配器實現數據協議轉換。
[0036]為了進一步說明上述實施例，車體I的上方設有警示燈15和檢修口上蓋16，警示燈15位于檢修口上蓋16的上方，檢修口上蓋16內設有鑰匙開關、手自動切換旋鈕開關、照明燈開關、灑水開關、遙控器接口和電量表，檢修口上蓋16的一側設有無線通信天線13和灑水箱注入口 12，無線通信天線13連接無線數據傳輸基站網絡。
[0037]為了進一步說明上述實施例，轉向輪8的數量為I個，位于車體I下方的前端，驅動輪10的數量為2個，位于車體I下方的后端呈左右對稱分布，清掃盤刷9的數量為2個，位于轉向輪8和驅動輪10之間呈左右對稱分布。
[0038]為了進一步說明上述實施例，車體I的后方設有垃圾箱11和其下方的垃圾濾芯清潔口擋板17，垃圾濾芯清潔口擋板17的左右兩側分別設有至少一個剎車燈18和轉向燈5，垃圾濾芯清潔口擋板17的上方設有急停開關19，車體I的前方還設有至少一個轉向燈5和照明燈7。
[0039]本實施例的工作原理為:根據需要外部人員在手動控制模式下通過遙控器實現清掃車的運動和清掃動作，在自主控制模式下，打開清掃功能，前方檢修口 2內的自動升降裝置啟動，使清掃盤刷9與車體I前方下端的激光掃描測距雷達6同步下落，當下落至最低高度時，清掃電機啟動，清掃盤刷9旋轉，開始清掃，同時下部的激光掃描測距雷達6開始工作，利用激光掃描測距雷達6和攝像頭3相結合的方式，在有路沿石的路段，用激光掃描測距雷達6識別，在沒有路沿石的路段，采用攝像頭3識別標記線，由圖像處理與GPS定位相結合，實現路徑規劃與自主導航；當遇到掉頭路口時，利用攝像頭3和地標，結合GPS定位模塊14，對掉頭路口進行識別和定位，實現掉頭路口檢測和路段定位，完成掉頭動作;通過導入清掃區域的離線測繪地圖，結合道路的GPS定位信息和攝像頭3拍攝的圖像信息，確定清掃車的運動方向、運動軌跡和在地圖中的具體位置;當遇到障礙物時，采用超聲波測距傳感器4和激光掃描測距雷達6采集數據，利用智能控制算法，實現清掃車的避障;清掃車前方障礙物檢測距離范圍:O?30m，檢測角度:0-180度，左右側障礙物檢測報警距離范圍:0-3m，后方障礙物檢測報警距離范圍:0-6m;自動避障響應距離可在檢測范圍內自由設定；當障礙物進入報警距離區域時，警示燈15聲光報警，并減速行駛;當障礙物進入避障響應距離區域時，轉向輪8自動轉向，通過左右空閑車道自動繞行避障，避障完成后繼續進入正常行駛模式，直至完成所有規劃路徑的清掃作業，在清掃的過程中工作人員利用人機交互平臺，通過無線數據傳輸基站網絡傳輸數據，可以遠程監視清掃車的電量、開關信息等各種參數的運行狀態，實時顯示清掃車在后臺地圖模型上的位置，以及清掃車前方的視頻圖像信息。
[0040]采用以上結合附圖描述的本實用新型的實施例的基于激光和視覺的道路自主清掃車，在無人駕駛的情況下能夠自主控制進行路徑規劃和導航定位，在自動模式下真正做到無需人員再次干預即可完成清掃作業，但本實用新型不局限于所描述的實施方式。在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下這些對實施方式進行的變化、修改、替換和變形仍落入本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于激光和視覺的道路自主清掃車，包括車體(I)，其特征在于:所述的車體(I)外部的前方設有激光掃描測距雷達(6)和攝像頭(3)，車體(I)的上方設有GPS定位模塊(14)，車體(I)的下方設有至少一個清掃盤刷(9)，清掃盤刷(9)的前后兩側分別設有轉向輪(8)和驅動輪(10)，車體(I)的內部設有車載電腦主板和整車控制系統，車載電腦主板連接激光掃描測距雷達(6)、攝像頭(3)、GPS定位模塊(14)和整車控制系統，并通過無線數據傳輸基站網絡與人機交互平臺實現數據通訊。2.根據權利要求1所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的整車控制系統包括電源管理系統、運動控制系統、超聲波自動避障系統、清掃控制系統和無線數據傳輸模塊，上述各個系統和部件之間通過CAN總線進行數據通信，無線數據傳輸模塊與遙控器實現數據通訊。3.根據權利要求2所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的超聲波自動避障系統包括超聲波測距傳感器(4)，超聲波測距傳感器(4)包括若干個，分別位于車體(I)的前面和側面;左右兩側的超聲波測距傳感器(4)對稱分布。4.根據權利要求1所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的激光掃描測距雷達(6)位于車體(I)的前方，激光掃描測距雷達(6)包括2個，一個激光掃描測距雷達(6)位于車體(I)前方的下端貼近地面，用于檢測前方道路兩側路沿石邊沿及較矮的障礙物，另一個激光掃描測距雷達(6)位于車體(I)前方的中央，用于檢測高于路沿石的障礙物。5.根據權利要求1所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的車體(I)的前方和側面均設有檢修口(2)，前方的檢修口(2)內設有轉向控制裝置和自動升降裝置，轉向控制裝置連接整車控制系統和轉向輪(8)，自動升降裝置連接整車控制系統、清掃盤刷(9)和激光掃描測距雷達(6)，側面的檢修口( 2)內設有充電接口且與前方檢修口(2)配合對車體(I)內的系統進行檢修與更換。6.根據權利要求5所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的轉向控制裝置包括轉向電機和控制器，轉向電機連接控制器和轉向輪(8)，控制器連接整車控制系統。7.根據權利要求1所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的車載電腦主板與整車控制系統之間通過USBCAN適配器實現數據協議轉換。8.根據權利要求1或5所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的車體(I)的上方設有警示燈(15)和檢修口上蓋(16)，警示燈(15)位于檢修口上蓋(16)的上方，檢修口上蓋(16)內設有鑰匙開關、手自動切換旋鈕開關、照明燈開關、灑水開關、遙控器接口和電量表，檢修口上蓋(16)的一側設有無線通信天線(13)和灑水箱注入口(I2)，無線通信天線(13)連接無線數據傳輸基站網絡。9.根據權利要求1所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的轉向輪(8)的數量為I個，位于車體(I)下方的前端，驅動輪(10)的數量為2個，位于車體(I)下方的后端呈左右對稱分布，清掃盤刷(9)的數量為2個，位于轉向輪(8)和驅動輪(10)之間呈左右對稱分布。10.根據權利要求1或5所述的基于激光和視覺的道路自主清掃車，其特征在于:所述的車體(I)的后方設有垃圾箱(11)和其下方的垃圾濾芯清潔口擋板(17)，垃圾濾芯清潔口擋板(17)的左右兩側分別設有至少一個剎車燈(18)和轉向燈(5)，垃圾濾芯清潔口擋板(17)的上方設有急停開關(19)，車體(I)的前方還設有至少一個轉向燈(5)和照明燈(7)。
【文檔編號】G05D1/02GK205530067SQ201620293245
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】李衛民, 孟慶志, 任傳德, 閆懷仁, 劉國慶
【申請人】濟寧中科先進技術研究院有限公司