CN107616742B - 一种幕墙无人清洁主机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种幕墙无人清洁主机控制系统，包括无人清洁主机、安全固定端、控制中心；其特征为：所述无人清洁主机包括：视觉模块、幕墙清洁系统、飞行控制系统、无线通讯模块；所述安全固定端包括：无线通信模块、供电模块、供清洁液体模块、绳长控制系统；所述控制中心包括：无线通讯模块、显示模块、运算处理模块。该系统通过视觉立体定位，构建幕墙表面三维模型；对需清洁区域轮廓识别，定点悬停在需清洁区域，便于清洁系统对表面进行清洁处理。

Description

一种幕墙无人清洁主机控制系统

技术领域

本发明涉及一种设备，尤其涉及一种幕墙无人清洁主机控制系统。

背景技术

当前社会高楼林立，然而如何清洁这些摩天大楼一直以来是让人头痛的问题，现在的解决办法主要是人工清洁，即由所谓的“蜘蛛人”完成这样的高危工作，由此导致的意外坠楼等悲剧也不断上演。尽管现在也存在少量的玻璃清洁机器人但普遍存在以下缺点无法被大规模应用：现有的清洁机器人主要采用负压真空吸盘的方式贴在高楼的玻璃面上清洁，其缺点是墙面结构适应性差只能清洁纯平的表面，对于非玻璃材质的粗糙墙面无法吸附从而无法完成清洁工作。

中国专利申请(申请号：CN201210366257)公开了一种基于直升机航模的高层外墙清洁装置，所述的装置包括：清洁高压喷雾水枪、摄像头、清洁剂储存箱、控制模块、直升机航模载具、墙面、复杂曲面，所述的清洁高压喷雾水枪是指用来把配制好的清洁剂通过高压雾化喷射到墙面的装置；所述的清洁高压喷雾水枪的数量为1-100个；所述的清洁高压喷雾水枪喷出的小液滴的直径为0.1-600微米；所述的摄像头的旋转角度为0-360度；所述的清洁剂储存箱是指用来储存清洁剂的装置，可以根据需要储存水或者其他复合配方的清洁剂。

中国专利申请(申请号：CN201510643745)公开了一种具有高层楼宇清洁功能的智能飞行机器人，包括：主机体和监控端，所述主机体主要包含传感控制模块、以及与传感控制模块相连接的清洁机模块、飞行器系统、无线通讯模块；所述传感控制模块主要用于智能识别目标清洁面、自动规划清洁轨迹、控制清洁机模块、控制飞行器系统按规划路径飞行、向无线通讯模块发送信息；所述清洁机模块用于对工作面污垢进行清洁；所述飞行器系统用于执行传感控制模块发出的飞行命令，负载主机体到工作面；所述无线通讯模块用于与监控端通讯，接受监控端发送的指令，将主机体的状态参数信息如当前坐标位置信息、传感控制模块中摄像头采集的图像信息发送到监控中心；所述监控端用于监视主机体的工作状态，为主机体设定需要清洁的目标，当主机体有突发情况时，监控端可人为远程操控主机体，避免主机体发生意外。

上述现有技术都是具有飞行功能的高层楼宇清洁智能机器人，其采用了可视化机器进行幕墙清洁的工作，智能识别目标清洁面，然而，上述现有技术对清洁面的识别属于平面识别，在实际操作中，存在识别精度不够；独立飞行器，清洁机器人在清洁需要一定容量的水，及一定容量的电池支持飞行任务，对于单次清洁能效有很大的限制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种幕墙无人清洁主机控制系统，其技术方案如下：

幕墙无人清洁主机控制系统，包括：无人清洁主机、安全固定端、控制中心；其特征为：所述无人清洁主机用于直接对幕墙进行清洁，所述无人清洁主机中的视觉模块通过至少2只摄像头采集的数据进行分析处理，用于识别待清洁的墙体，并构建出墙体的立体形状，以建立幕墙的三维模型；所述安全固定端根据无人清洁主机所在的位置，实时进行安全绳的收放操作；所述控制中心通过无线通讯，实时与无人清洁主机和安全固定端进行数据交换。

优选为：所述无人清洁主机包括：视觉模块、幕墙清洁系统、飞行控制系统、无线通讯模块；所述幕墙清洁系统用于对幕墙的清洁；所述飞行控制系统采用多轴飞行器，给无人清洁主机提供动力；所述无线通讯模块在清洗过程中实时与安全固定端进行通讯，以实时确定无人清洁主机1的位置。

优选为：所述安全固定端包括：无线通信模块、供电模块、供清洁液体模块、绳长控制系统；其中，所述无线通信模块实时与无人清洁主机、控制中心进行通讯；所述供电模块用于无人清洁主机、安全固定端的用电供应；所述供清洁液体模块用于为无人清洁主机提供清洁液体；所述绳长控制系统用于根据无人清洁主机的位置，调整安全绳释放长度。

优选为：所述控制中心包括：无线通讯模块、显示模块、运算处理模块；其中，控制中心通过无线通讯，实时与无人清洁主机和安全固定端进行数据交换；所述显示模块用于显示无人清洁主机的实时参数以及控制命令；所述运算处理模块，用于采集无人清洁主机的实时参数进行数据处理，并通过控制中心发出控制命令。

优选为：所述无人清洁主机中的无线通讯模块使用蓝牙无线协议、WLAN协议、zigbee协议、EnOcean协议或者Z-wave协议。

优选为：所述飞行控制系统采用四轴飞行器，给无人清洁主机提供动力。

优选为：幕墙清洁系统为刷头转动清洁系统，或利用水压进行压力清洁的喷水系统，或者是两者兼有的清洁系统。

优选为：绳长控制系统包含通电线路、清洁液管，通电线路可以为无人清洁主机长时间供电，保证其稳定工作的供电输入，清洁液管为清洁无人主机输入清洁液。

优选为：在无人清洁主机上增加超声波探头，以多重保护无人清洁主机不会碰撞到周边物体。

有益效果：

1、定点悬停：

在无人清洁主机对玻璃墙体进行清洁时，为了将局部的玻璃清洁干净，需要对玻璃局部进行反复清洁，这时需要将无人清洁主机悬停在相应的位置，通过立体成像视觉，无人清洁主机1得到主机与玻璃墙体之间的相对位置关系，这个过程和人类双眼视觉类似，当无人清洁主机1探测到主机与墙体的相对空间位置变化时，通过控制飞行系统改变不同飞控电机的转速和角度来控制无人清洁主机1的位置，简述如图10，当系统需要垂直运动时，四轴飞行器的四只电机都同时向上正常转动。当系统需要俯仰运动时，第一电机1的转速上升，第三电机3转速下降，第二电机2、第四电机4的转速保持不变，这时第一电机1、第三电机3产生转矩使主机绕y轴旋转。当系统需要前后运动时，第三电机3的转速增加，使升力增加，减小第一电机1转速，使升力减小，同时保持其他两个电机转速不变，飞行器首先发生一定倾斜，从而使机翼产生水平分量。当系统需要侧向运动时，同前后运动方式相同。从而达到保持无人清洁主机与墙体相对位置不变，实现了无人清洁主机的空中悬停。

无人清洁主机的定点悬停功能使得清洁系统可以对特定的点进行反复清洁，提升了清洁能力。同时此定点悬停功能，也可以使无人清洁主机1抵抗阵风、雨的干扰。

2、全方位障碍物感知：

无人清洁主机1通过立体视觉，建立了幕墙的空间模型，因此无人清洁主机1在飞行时，可以根据实际情况进行动作回避。同时为了更全面感知无人清洁主机1的周边空间，可以在无人清洁主机的另外3个侧面各增加2个视觉摄像头(如图7所示)，如此就可以构建无人清洁主机的空间模型，从而能全方位感知障碍物，使无人清洁主机避开障碍物，使无人清洁主机具有避障功能，实现自主飞行，不需要人为在一定距离上遥控，减少人为操作失误。

3、长时间工作：

由于采用飞行悬停和安全绳相结合的方式，无人清洁主机1可以持续得到电力、清洁液体的供给，从而无需定时回到控制中心充电，同时不用携带电池及清洁液体，在机器体积和灵活性上都有一定优化。

4、构建幕墙表面的三维模型：

通过对三维模型的分析处理，设置合理的清洁程序，可以避开障碍物，并完成清洁任务。

附图说明

图1为本发明幕墙无人清洁系统的主要组成组件示意图；

图2为本发明幕墙无人清洁系统的幕墙无人清洁主机轴侧图；

图3为本发明幕墙无人清洁系统的幕墙无人清洁主机工作时俯视图单侧的双视觉摄像头通过视觉识别形成立体视觉区域；

图4为本发明幕墙无人清洁系统的幕墙无人清洁主机的俯视图；

图5为本发明幕墙无人清洁系统的幕墙无人清洁主机的立面图；展示了双摄像头的分布位置；

图6为本发明幕墙无人清洁系统的幕墙无人清洁主机工作时的俯视图；

图7为本发明幕墙无人清洁系统的幕墙无人清洁主机工作时的轴侧图；

图8为本发明幕墙无人清洁系统的安全固定端；

图9为本发明幕墙无人清洁系统的安全固定端的俯视图；

图10为无人清洁主机飞行姿态调整示意图；

图11为本发明幕墙无人清洁系统的三维建模示意图。

其中：11.视觉摄像头，12.清洁液体管线，13.清洁滚轮，14.清洁轮电机电线管，15.视觉处理模块(在机壳内部)，立体成像部分，16供电管线，电力直接引入主机，17是无线通讯模块(在机壳内部)，18.清洁液体入口，19飞行控制部分；2为基座，21为绕绳轮，其安全绳通过绕绳盘进行收放，23为无人清洁主机电力引入管线，24为清洁液体引入管线，27为电力引出管线，接入到无人清洁主机1的16供电管线位置，28为清洁液体引出管线，接入到无人清洁主机1的18清洁液体入口位置；51为幕墙上固定玻璃的框架，5为玻璃本体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案做详细描述。应当理解，附图中所示各零部件是示意性而非限制性的，各特征未按比例画出。

实施例1

参见附图1所示。幕墙无人清洁系统的三个主要组成模块之间的协作关系：无人清洁主机是用于直接对幕墙进行清洁的动作部分，其上的视觉识别模块用于识别待清洁的墙体，并绘制出墙体的立体模型，以保证幕墙清洁系统根据立体模型清洗幕墙，并且在清洗过程中不会与墙体的其他部分发生误撞，无人清洁主机的无线通讯模块在清洗过程中始终与安全固定端进行通讯，以提供无人清洁主机所在的位置，安全固定端根据无人清洁主机所在的位置，实时进行安全绳的收、放操作，安全绳包括了供电和供水管线。

安全固定端是无人清洁主机作业时的安全保障，如遇到意外或故障时，防止清洁主机发生掉落的情况，当无人清洁主机碰到意外情况无法按指定的要求进行飞行时，安全固定端的安全绳可以将无人清洁主机收回。安全固定端上的安全绳同时兼作供电管线和供水管线，这样就可以使得无人清洁主机持续进行作业，不受电池供电和清洁液体的容量限制，以提升清洁效率。

控制中心通过无线通讯，实时与无人清洁主机和安全固定端进行数据交换，一方面实时监测无人清洁主机的工作状态，防止意外产生；一方面，可以进行实时运算，帮助无人清洁主机进行三维建模，减少无人清洁主机的运算量。

工作过程：无人清洁主机是对墙体进行清洁的动作端，其在空间飞行并贴近墙体使用清洁滚轮对幕墙的玻璃表面进行清洁；安全固定端通过供电、供水的安全绳连接无人清洁主机，当无人清洁主机有异常情况时，安全绳可以收回无人清洁主机，以防误伤或者损坏等情况的发生；控制中心通过无线通讯模块与无人清洁主机和安全固定端实时通讯，并且对无人清洁主机和安全固端进行实时控制，以保证系统协同工作。

实施例2

参考图2至图7所示。其图为本发明幕墙无人清洁主机和其清洁工作图。

附图2是无人清洁主机的一种实施方式，11是视觉摄像头，用于对幕墙空间进行视觉识别，12是清洁液体的输出管线，兼作清洁轮13的支撑轴，14是清洁轮13的电机供电管线，兼作支撑轴，15是视觉处理部分(在机壳内部)，对摄像头11采集的图像进行处理，建模是利用双摄像头立体成像原理进行的。

附图3展示了在双摄像头的交叉区形成立体成像部分，16是从安全固定端引来的供电管线接口，电力直接引入主机，18是从安全固定端引来的供水管线接口，供水引入主机后，从管线12向清洁轮13供水，17是无线通讯模块(在机壳内部)，此无线通讯模块可以使用蓝牙无线协议、WLAN协议、zigbee协议、EnOcean协议或者Z-wave协议。

图3表明了无人清洁主机在进行清洁时对幕墙建模，形成立体三维模型。

工作时，先将无人清洁主机放飞，无人清洁主机以安全固定端为本次飞行的空间原点，设定初始空间坐标，并控制其清洁轮端接近待清洁幕墙，接近幕墙后，无人清洁主机的视觉摄像头对幕墙进行视觉识别，其视觉处理端立即建立幕墙的空间3D图像，如图3所示，此时清洁滚轮13开始工作，清洁液体管线12开始供液，在清洁滚轮表面形成清洁液体层，随着滚轮转动，无人清洁主机向玻璃幕墙侧移动，给清洁滚轮一个推进力，并保持清洁滚轮一直压在玻璃表面，对玻璃进行清洁作业。随着清洁作业的进行，无人清洁主机慢慢向下移动，当其下移至单个窗体底端时，再向左或者向右移动一个滚轮宽度，复飞到此窗体的顶部，继续进行幕墙清洁作业。循环进行此清洁作业流程，就可以清洁整体幕墙。

由于无人清洁主机的供电与供清洁液体是由管线完成的，不需要定时回到指定地点进行电力和清洁液体的补充，可以实现连续长时间工作，提升了工作效率；

由于清洁液体是根据需要进行实时传递的，如果发现玻璃幕墙上有鸟粪等难以清理的污渍时，可以向清洁管线内注入特定的清洁液体，如果只是普通的灰尘，则仅需要向清洁管线内注入清水。

图8、9为安全固定端的示意图，当无人清洁主机在飞行时，安全固定端的电力引出管线27、清洁液体引出管线28，向无人清洁主机提供电力和清洁液体，无人清洁主机通过无线通讯告知控制中心，其自身与安全固定端两者之间的相对位置，安全固定端内置驱动滚轴的电机，根据控制中心计算出的安全绳的下放长度数据，进行收绳或者放绳操作，以保证安全绳释放合适的长度，既不会给无人清洁主机造过大的拉力，也不会使安全绳在空中过度弯曲，造成不必要的缠绕。

以下重点阐述无人清洁主机部分：

视觉模块分为主摄像头及辅助摄像头，主摄像头与辅助摄像头所拍摄到的视觉数据，根据视觉成像原理，可以形成立体成像。采集到的视觉数据传递给视觉处理模块，进行视觉处理计算，视觉数据包括清洁范围建模、清洁距离确认、障碍物及所在方位等数据，这些数据需要向控制中心实时传输，以保证整体清洁系统可以协同工作。

视觉处理部分需要对摄像头所采集到的数据进行分析处理，以建立幕墙的三维模型，其建模的基本过程如下：在主摄像头采集到一幅视觉图片时，对图片中连续色域进行识别，或者对图片进行分块处理，此部分被认为是同一个物体的连续部分，根据凸透镜成像原理，由于摄像头的焦距已经选定，物体在两个摄像头的成像元件上感应出像的大小和相位角是不同的，根据像的大小不同，可以确定物体的距离，根据相位角不同决定了物体在两个摄像头的成像平面，如此可以确定物体所在的空间方位与摄像头的相对关系。

图11所示为2摄像头与安全固定端所建立的3个空间坐标系统，其中安全固定端当其被固定在楼顶或者某个较高位置时，其位置被设定为此轮的绝对坐标零点，而2只摄像头分别设定为坐标Oc和坐标Oc1。建立幕墙空间模型的过程即是建立幕墙上的连续点在安全固定端的绝对坐标系下的连续空间坐标。

根据上图所示，安全固定端的坐标系为(Xw，Yw，Zw)，无人清洁主机的坐标为(Xc，Yc，Zc)，2摄像头的坐标为Oc和Oc1，幕墙上的点P在两个摄像头上所成相的坐标为：(u，v)和(x，y)，当无人清洁主机在空间中进行飞行时，认为幕墙上的点是相对不变的，则P点在两个摄像机坐标系中的坐标分别是P1(x1，y1，z1)和P2(x2，y2，z2)，P点在第一个摄像头的坐标P1可以通过平移变换到第二个摄像头中的坐标P2。

P2＝Rp1+t

其中R是一个3X3的正交方阵，用于旋转变换：

对于无人清洁主机的坐标相对于安全固定的坐标，进行坐标转换公式：

改写上式，进行齐次变换可以得到将幕墙上的P点在无人机坐标下的点变换为安全固定端的坐标系下的点：

通过对幕墙上的连续P点进行计算处理，就可以建立幕墙的连续空间坐标(xw，yw，zw)，系统进行连续图像处理运算，建立了空间区域，构建三维模型，而无人清洁主机就是在此空域内进行飞行和清洁作业的。

1/u(物距)+1/v(像距)＝1/f(透镜焦距)凸透镜成像公式

为了防止视觉成像在清洗后的玻璃区域内因透视性良好，造成误判，可以在无人清洁主机端设置超声波探头，检测机器与清洁点的方位距离，以排除玻璃透视及反光等造成的干扰。

飞行控制部分19：通过两轴或两轴以上的飞行器，给机器提供动力，其典型的应用为4轴飞行器，当无人清洁主机探测到主机与墙体5的相对空间位置变化时，通过控制飞行系统改变不同飞控电机(1号、2号、3号、4号)的转速来控制无人清洁主机的位置，从而达到保持无人清洁主机与墙体相对位置不变，实现了无人清洁主机的空中清洁操作悬停，由于此悬停是对于特定目标体，如窗框体，进行视觉识别的，其相对空间较小，准确度高，如此无人清洁主机对于风、雨等外部环境的影响则有较强的抗干扰能力，当有风或者雨改变无人清洁主机位置时，其位置变化立即反馈到视觉成像系统内，控制系统判断此变化非控制要求的变化，则调整飞行姿态控制，将其位置修复到原位。

安全绳：为机器传输工作时所需要的电力、清洁液体等。无需使用电池组，减轻机器自身的重量，同时当机器动力出现故障时，也相当于安全绳，避免机器从高空坠落，造成安全事故。

无人清洁主机的清洁模块13：包括清洁滚轮，其滚轮的内部有小孔，可以将清洁液体管12输出的清洁液体导出到滚轮的表面，清洁轮电机电线管14给清洁滚轮的转动电机供电，转动电机驱动清洁滚轮转动，清洁滚轮转动的同时，清洁液体从滚轮内向外流出，从而达到清洁玻璃幕墙的目的。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.幕墙无人清洁主机控制系统，包括：无人清洁主机、安全固定端、控制中心；其特征为：所述无人清洁主机用于直接对幕墙进行清洁，所述无人清洁主机中的视觉模块通过至少2只摄像头采集的数据进行分析处理，用于识别待清洁的墙体，并构建出墙体的立体形状，以建立幕墙的三维模型；所述安全固定端根据无人清洁主机所在的位置，实时进行安全绳的收放操作；所述控制中心通过无线通讯，实时与无人清洁主机和安全固定端进行数据交换；

所述安全固定端包括供清洁液体模块、绳长控制系统，所述供清洁液体模块用于为无人清洁主机提供清洁液体；所述绳长控制系统用于根据无人清洁主机的位置，收、放安全绳，达到理想的清洁作业状态；

绳长控制系统包含通电线路、清洁液管，通电线路可以保证为无人清洁主机长时间供电，保证其稳定工作的供电输入，清洁液管为清洁无人主机输入清洁液；

所述无人清洁主机包括：视觉模块、幕墙清洁系统、飞行控制系统、无线通讯模块；所述幕墙清洁系统用于对幕墙的清洁；所述飞行控制系统采用多轴飞行器，给无人清洁主机提供动力；所述无线通讯模块在清洗过程中实时与安全固定端进行通讯，以实时确定无人清洁主机位置。

2.根据权利要求1所述的幕墙无人清洁主机控制系统，其特征为：所述安全固定端还包括：无线通信模块和供电模块；其中，所述无线通信模块实时与无人清洁主机、控制中心进行通讯；所述供电模块用于无人清洁主机、安全固定端的用电供应。

3.根据权利要求1所述的幕墙无人清洁主机控制系统，其特征为：所述控制中心包括：无线通讯模块、显示模块、运算处理模块；其中，控制中心通过无线通讯，实时与无人清洁主机和安全固定端进行数据交换；所述显示模块用于显示无人清洁主机的实时参数以及控制命令；所述运算处理模块，用于采集无人清洁主机的实时参数进行数据处理，生成清洁作业指令，并通过无线通讯模块发送控制命令。

4.根据权利要求1所述的幕墙无人清洁主机控制系统，其特征为：所述无人清洁主机中的无线通讯模块使用蓝牙无线协议、WLAN协议、zigbee协议、Enocean协议或者Z-wave协议。

5.根据权利要求1所述的幕墙无人清洁主机控制系统，其特征为：所述多轴飞行器为四轴飞行器；当系统需要垂直运动时，四轴飞行器的四只电机都同时向上正常转动；当系统需要俯仰运动时，第一电机的转速上升，第三电机转速下降，第二电机、第四电机的转速保持不变，这时第一电机、第三电机产生转矩使主机绕y轴旋转；当系统需要前后运动时，第三电机的转速增加，使升力增加，减小第一电机转速，使升力减小，同时保持其他两个电机转速不变，飞行器首先发生一定倾斜，从而使机翼产生水平分量；当系统需要侧向运动时，同前后运动方式相同；从而达到保持无人清洁主机与墙体相对位置不变，实现了无人清洁主机的空中悬停。

6.根据权利要求1所述的幕墙无人清洁主机控制系统，其特征为：幕墙清洁系统为刷头转动清洁系统，或利用水压进行压力清洁的喷水系统，或者是两者兼有的清洁系统。

7.根据权利要求1所述的幕墙无人清洁主机控制系统，其特征为：在无人清洁主机上增加超声波探头，以多重保护主机不会碰撞到周边物体。

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