張歲寒 陳凱 張斌

摘要：本文提出一種基于單線激光雷達(dá)的環(huán)衛(wèi)機(jī)器人智能樓梯清潔作業(yè)系統(tǒng)及方法，根據(jù)單線激光雷達(dá)點(diǎn)云掃描的樓梯幾何特性及數(shù)據(jù)分布，主激光雷達(dá)進(jìn)行樓梯角點(diǎn)檢測(cè)及識(shí)別，左右激光雷達(dá)同時(shí)對(duì)邊界進(jìn)行檢測(cè)，能快速檢測(cè)樓梯形狀及樓梯邊界。通過(guò)識(shí)別結(jié)果對(duì)環(huán)衛(wèi)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)速度控制，可以有效提升樓道清潔的作業(yè)效率。本研究魯棒性高，不受限于環(huán)境因素，檢測(cè)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確，所需算力小，能有效解決當(dāng)前樓梯清潔人工作業(yè)強(qiáng)度大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智慧樓宇的無(wú)人化清潔運(yùn)營(yíng)。

關(guān)鍵詞：樓梯；角點(diǎn)檢測(cè)；邊界檢測(cè)；清潔

DOI：10.12433/zgkjtz.20240709

目前，室內(nèi)清潔機(jī)器人大多基于平面進(jìn)行清潔作業(yè)，例如，展廳、高鐵、機(jī)場(chǎng)、辦公樓，針對(duì)不同樓層的清潔作業(yè)大多使用電梯聯(lián)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行清潔機(jī)器人轉(zhuǎn)場(chǎng)，但對(duì)于樓道清潔主要還是以人工為主。李天慶提出一種基于多傳感器融合自主爬樓梯的控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)，將單目CCD得到的圖像進(jìn)行邊緣提取、線段擬合和臺(tái)階判別處理，修正D－S證據(jù)的融合算法，通過(guò)多傳感器融合后的感知參數(shù)控制移動(dòng)機(jī)器人自主爬樓梯控制，自主爬樓梯控制可以分成單層樓梯的自主爬行和多層樓梯的自主爬行。謝春波等提出基于雙目視覺(jué)獲取樓梯的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究了對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓梯參數(shù)的特征提取，使機(jī)器人獲取樓梯的多種參數(shù)，為機(jī)器人自主爬樓梯做準(zhǔn)備。魏宏明等提出了輪腿式機(jī)器人攀爬樓梯的控制策略，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輪腿式機(jī)器人在攀爬樓梯方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境下無(wú)法對(duì)樓梯可通過(guò)性進(jìn)行判斷的問(wèn)題，通過(guò)分析激光雷達(dá)掃描樓梯圖像，建立線性回歸模型得到樓梯的坡度。

一、智能樓梯清潔作業(yè)系統(tǒng)

智能樓梯清潔作業(yè)整體系統(tǒng)由以下部分組成：主傳感單元1、主傳感單元2、主傳感單元3、停障單元、主控制單元、整車控制系統(tǒng)，具體如圖1所示。停障單元在非樓梯清潔作業(yè)時(shí)查看機(jī)器人四周障礙物情況，在障礙物離機(jī)器人過(guò)近時(shí)發(fā)出停障信號(hào)，機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)停障。整車控制系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)器人上裝作業(yè)裝置。

主控制單元作為核心控制器接收主傳感單元1、主傳感單元2、主傳感單元3信息，并進(jìn)行傳感器融合檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)信息進(jìn)行智能樓梯清潔機(jī)器人制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及對(duì)應(yīng)上裝作業(yè)控制。如圖2所示，采用1個(gè)單線激光雷達(dá)作為主傳感單元1對(duì)樓梯進(jìn)行幾何形態(tài)檢測(cè)，返回樓梯檢測(cè)結(jié)果；采用兩個(gè)單線激光雷達(dá)作為主傳感單元2對(duì)樓梯邊界進(jìn)行檢測(cè)，返回邊界檢測(cè)結(jié)果。主傳感單元3檢測(cè)機(jī)器人四周障礙物情況，在障礙物離機(jī)器人過(guò)近時(shí)發(fā)出停障信號(hào)，機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)停障。主控制單元通過(guò)對(duì)樓梯及樓梯邊界的檢測(cè)結(jié)果控制清潔機(jī)器人進(jìn)行清潔作業(yè)，主傳感單元1單線激光雷達(dá)安裝于環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)器人前側(cè)，采用固定安裝支架用于防震，離地高度hm，掃描面與樓梯垂直，掃描角度升序掃描；主傳感單元2、主傳感單元3單線激光雷達(dá)安裝于環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)器人左右兩側(cè)邊界，采用固定安裝支架，安裝角度ε，掃描面與樓梯垂直面夾角ε；主傳感單元1、主傳感單元2、主傳感單元3中3個(gè)激光雷達(dá)頂部的菱形標(biāo)志安裝在同一水平面。

二、基于單線激光雷達(dá)的樓梯檢測(cè)方法

（一）樓梯識(shí)別

將單線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除噪聲點(diǎn)、異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)集A，并對(duì)集合A中數(shù)據(jù)按角度進(jìn)行升序排序，得到索引id。

如圖3所示，對(duì)點(diǎn)云集A中任一點(diǎn)云ξ分解到XY平面，得到每一個(gè)點(diǎn)云的X、Y分量分別為ξ_X、ξ_Y。將ξ_Y按id順序存儲(chǔ)至點(diǎn)云集合B中。

如圖4所示，在點(diǎn)云集合B中自id=1開(kāi)始，獲取id≤20的數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)云檢測(cè)距離標(biāo)準(zhǔn)差σ，如果σ≤a，再次獲取n個(gè)數(shù)據(jù)，直至a＜ε＜b；將獲取的所有點(diǎn)云ξ保存至集合C中（其中a、b、n為設(shè)定閾值）；做這一步的目的是保證集合C中只有一層完整的樓梯信息。

針對(duì)集合C中所有點(diǎn)云ξc，計(jì)算任一點(diǎn)云ξcn與初值ξc1組成線段的斜率，將依次獲得的斜率保存在集合k中，求取集合k中最大值kmax，找到對(duì)應(yīng)的ξci，從而獲得ξci的id，令I(lǐng)D=id；且ξci為第一個(gè)樓梯角點(diǎn)，后續(xù)樓梯角點(diǎn)檢測(cè)方式相同，如圖5所示；通過(guò)ξci的角度angle及距離distance，主控制單元控制整車行進(jìn)到dt＜distance開(kāi)啟作業(yè)裝置作業(yè)。在初期，關(guān)閉主傳感單元1樓梯檢測(cè)。

（二）樓梯邊界識(shí)別

左單線激光雷達(dá)識(shí)別樓梯邊界方式如圖6所示，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用角度直通濾波方式獲得v＜angle＜w中所有點(diǎn)云ξ并存入集合（v、w為設(shè)定角度閾值），計(jì)算點(diǎn)云檢測(cè)距離d的標(biāo)準(zhǔn)差σ及距離平均值avg，如果（ε＞n）&（avg＞u），表示環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)器人即將到達(dá)左邊界，主控制單元控制整車降速。

右單線激光雷達(dá)識(shí)別樓梯邊界方式如圖7所示，使用角度直通濾波方式獲得c＜angle＜d中所有點(diǎn)云ξ并存入集合，計(jì)算點(diǎn)云檢測(cè)距離d的標(biāo)準(zhǔn)差σ，如果σ＜m，表示環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)器人即將到達(dá)右邊界，主控制單元控制整車降速。

三、智能樓梯清潔作業(yè)系統(tǒng)控制方法

智能環(huán)衛(wèi)機(jī)器人在作業(yè)中根據(jù)剩余樓梯級(jí)數(shù)進(jìn)行速度控制，保證樓梯清潔效率：主控制器通過(guò)獲得左右單線激光雷達(dá)點(diǎn)云檢測(cè)邊界控制環(huán)衛(wèi)清潔機(jī)器人上臺(tái)階，并在count中進(jìn)行計(jì)數(shù)。如果count＜12，主控制器控制作業(yè)系統(tǒng)按η1速度進(jìn)行左右往返作業(yè)（根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，樓梯階梯級(jí)數(shù)不得超過(guò)18級(jí)）；如果count≥12，開(kāi)啟主傳感單元1進(jìn)行樓梯角點(diǎn)檢測(cè)，并按η2速度進(jìn)行左右往返作業(yè)，直至所有樓梯全部清掃完成（η1、η2為設(shè)定作業(yè)速度，η1＞η2）。

四、結(jié)語(yǔ)

不同于一般室內(nèi)清潔機(jī)器人只能在平面進(jìn)行清掃保潔作業(yè)，本文設(shè)計(jì)了一種基于點(diǎn)云檢測(cè)的智能清潔作業(yè)系統(tǒng)，在智慧環(huán)衛(wèi)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)自主樓梯清潔。通過(guò)單線激光雷達(dá)進(jìn)行樓梯掃描，依據(jù)樓梯的幾何特性，檢測(cè)樓梯角點(diǎn)及樓梯邊界，并實(shí)現(xiàn)來(lái)回清掃控制，以智能化機(jī)器人替代人工，減少了清潔人員作業(yè)保潔范圍，有效提升了樓梯清潔的無(wú)人化保潔效率，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)清掃作業(yè)場(chǎng)景的無(wú)人化運(yùn)營(yíng)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]謝春波，張偉軍，馮家波.基于雙目視覺(jué)的越障機(jī)器人樓梯參數(shù)感知技術(shù)研究[J].機(jī)電一體化，2018，24（02）：3-7.

[3]魏宏明，宋愛(ài)國(guó)，宋子墨，等.基于激光雷達(dá)的輪腿式機(jī)器人爬樓可通過(guò)性研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2018，41（01）：1-6.

[4]深圳犀牛智行科技有限公司，長(zhǎng)沙中聯(lián)重科環(huán)境產(chǎn)業(yè)有限公司.清潔機(jī)器人的作業(yè)方法和清潔機(jī)器人[P].中國(guó)，CN202211364829.0，2023-02-03.

作者簡(jiǎn)介：張歲寒（1988），女，湖南省長(zhǎng)沙市人，

研究生，副高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庾钥?；陳凱（1977），男，湖南省益陽(yáng)市人，研究生，副高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎庾钥?；張斌?983），男，江西省上饒市人，博士，正高級(jí)工程師，主要研究方向智能環(huán)衛(wèi)機(jī)械。