CN109556543A - 一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法，包括：步骤1：设置第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器；步骤2：将第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的声波发射/接受换能器的口部调整至同一平面，使第一超声波测距传感器靠前、第二超声波测距传感器靠后；步骤3：在机器人前进过程中使用第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器对工作平面进行距离检测。本发明有效解决现有技术无法对墙体玻璃面进行有效检测的问题，可以对玻璃表面的窗框、窗台位置和高度进行精确有效的检测。

Description

一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法

技术领域

本发明涉及一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法，属于在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的技术领域。

背景技术

随着高层建筑物外墙清洗机器人技术的发展，机器人在外墙作业上下运动过程中对工作环境的感知能力成为必不可少的先决条件。类似于汽车无人驾驶领域，无人驾驶汽车首先必须具备对周围道路环境精确的感知能力，才有可能计算决策驾驶操作策略。

与无人驾驶汽车应用环境最大不同的是，外墙清洗机器人面临大量半透明甚至完全透明的玻璃面，传统激光雷达在这种透明表面无法检测准确距离，毫米波射频雷达和超声波可以精确测量距离，但是这两种传感器辐射波束都无法做到点状投射，而是面状投射，也就是可以检测面的距离，却无法检测特定点或线条的距离。且玻璃表面会对强烈阳光的反射，对周围建筑物倒影反射，对于机器视觉识别特定物的特征构成了极大的干扰，在完全透明的玻璃表面，其玻璃背面透射过来的室内物，同样会对机器视觉的景深分辨能力造成极大的干扰。无论采用何种单一的检测手段，要实现稳定可靠地监测玻璃幕墙表面分布的窗框、窗台，其精确位置和相对玻璃表面的深度、高度都是无法实现的。

发明内容

本发明提供了一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法和设备，以至少解决现有技术无法对墙体玻璃面进行有效检测的问题。

本发明提供了一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法，包括：

步骤1：在机器人工作的前进方向，设置第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器，使第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的检测面朝向工作平面方向；

步骤2：将第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的声波发射/接受换能器的口部调整至同一平面，以机器人工作的方向作为前进方向，使第一超声波测距传感器靠前、第二超声波测距传感器靠后，且第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器在前进方向上的投影位置之间具有距离偏差，所述距离偏差为90-110毫米；

步骤3：在机器人前进过程中使用第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器对工作平面进行距离检测，若第一超声波测距传感器的测距值发生变化且小于第二超声波测距传感器的测距值，则确认此时工作平面具有凸起结构，所述凸起结构为窗框或窗台，且所述凸起结构的边缘距离第二超声波测距传感器的直线距离为90-110毫米，以第二超声波测距传感器的测距值作为基准值。

进一步地，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器之间距离不小于300毫米。

进一步地，所述步骤1中在第二超声波测距传感器相邻位置设置高精度激光测距传感器，且第二超声波测距传感器与高精度激光测距传感器相连的直线与前进方向垂直；

所述步骤3中，若第一超声波测距传感器的测距值发生变化且小于第二超声波测距传感器的测距值，则使高精度激光测距传感器对凸起结构进行距离监测，获得凸起结构与高精度激光测距传感器的距离值，凸起结构与工作平面的高度差为基准值与距离值的差。

更进一步地，所述高精度激光测距传感器在对凸起结构进行距离监测的过程中以固定监测频率向凸起结构发射激光，至基准值与距离值相同或高精度激光测距传感器无准确测量距离时，通过监测频率确定此时高精度激光测距传感器的移动距离，该移动距离为凸起结构的宽度。

更进一步地，所述激光的监测频率为每次/一毫米。

进一步地，所述步骤3中使用高精度计步轮对第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的移动距离进行检测。

本发明还公开了一种应用上述方法的设备，固定架、第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器安装在固定架上，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的检测面向下，且所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的同一水平面上，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器在设备前进方向上的投影位置之间具有距离偏差，所述距离偏差为90-110毫米，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器之间距离不小于300毫米，所述设备可通过固定架与外墙清洗机器人相连。

进一步地，所述设备还包括高精度激光测距传感器，所述高精度激光测距传感器安装在固定架上，且所述高精度激光测距传感器与第二超声波测距传感器相邻，所述高精度激光测距传感器与第二超声波测距传感器相连的直线与设备前进方向垂直。

进一步地，所述设备还包括高精度计步轮，所述高精度计步轮安装在固定架上。

更进一步地，所述高精度计步轮包括弹性支架、橡胶包覆轮、光电编码器组件，所述光电编码器组件包括光电感应头、编码盘，所述光电编码器组件通过弹性支架与固定架相连，所述橡胶包覆轮的一侧与编码盘相连，所述光电感应头的感应端与编码盘相邻。

本发明与现有技术相比，采用前后设置的第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器，实现对玻璃平面的两点检测，在检测距离发生偏差时，可以第一时间确定窗框、窗台位置，实现对窗框、窗台位置的精确监测。同时，本发明利用结合高精度计步轮，高精度激光和超声波传感器，共同实现对建筑外立面窗台、窗框的空间位置、高度、宽度的精确检测，具有成本低，检测方便的优点。此外，本发明的高精度计步轮的应用，是对机器人空间位置的超高精度接触式检测，可以适应可能出现的肉眼不可分辨的外立面起伏，对于机器人精确定位、精确执行，是必不可少的先决条件。

附图说明

图1为本发明实施例设备立体结构示意图；

图2为本发明实施例设备工作状态仰视图；

图3为本发明实施例设备工作状态剖面图；

图4为本发明实施例设备高精度计步轮结构示意图；

图5为本发明实施例设备高精度计步轮剖面图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明实施例的设备结构如图1、图2所示，包括固定架、第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002，所述第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002安装在固定架上，所述第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002的检测面向下，且所述第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002的同一水平面上，所述第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002在设备前进方向上的投影位置之间具有距离偏差，所述距离偏差为90-110毫米，所述第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002之间距离不小于300毫米，所述设备可通过固定架与外墙清洗机器人相连。

可选的，所述设备还包括高精度激光测距传感器003，所述高精度激光测距传感器003安装在固定架上，且所述高精度激光测距传感器003与第二超声波测距传感器002相邻，所述高精度激光测距传感器003与第二超声波测距传感器002相连的直线与设备前进方向垂直。

可选的，所述设备还包括高精度计步轮，所述高精度计步轮安装在固定架上。如图4、图5所示，所述高精度计步轮包括弹性支架101、橡胶包覆轮102、光电编码器组件200，所述光电编码器组件200包括光电感应头201、编码盘202，所述光电编码器组件200通过弹性支架101与固定架相连，所述橡胶包覆轮102的一侧与编码盘202相连，所述光电感应头201的感应端与编码盘202相邻。

其中，如图1所示，以第一超声波测距传感器001为圆心设定第一圆形工作区004，半径为150mm、第二超声波测距传感器002为圆心设定第二圆形工作区005，半径为150mm，确保第一圆形工作区004、第二圆形工作区005并不重叠，即第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002之间距离不小于300mm。如图3所示，第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002在工作方向上的距离为100mm。

如图5所示，橡胶包覆轮102一侧设有传动杆，编码盘202套于传动杆上，在橡胶包覆轮102旋转过程中，编码盘202与光电感应头201相接，由编码盘202向光电感应头201发送信号，进而实现计步效果。

本发明实施例的实际检测方法为，包括：

步骤1：由机器人带动设备前进运动，如图3所示，由第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002对工作平面进行距离检测，并将第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002获得的测量值进行比对，若第一超声波测距传感器001的测距值发生变化且小于第二超声波测距传感器002的测距值，则确认此时工作平面具有凸起结构，所述凸起结构为窗框或窗台，则所述凸起结构的边缘距离第二超声波测距传感器002的直线距离为100mm左右，以第二超声波测距传感器002的测距值作为基准值。

步骤2：此时控制高精度激光测距传感器003以每次/一毫米的监测频率向工作面发射激光，对工作面进行距离监测，待高精度激光测距传感器003位于凸起结构上方时，由高精度激光测距传感器003进行距离监测，获得高精度激光测距传感器003与凸起结构之间的距离值，可确定凸起结构与工作平面的高度差为基准值与距离值的差。

步骤3：在高精度激光测距传感器003进行距离监测的过程中以固定监测频率向凸起结构发射激光，至高精度激光测距传感器003脱离凸起结构上方时（此时基准值与距离值相同或高精度激光测距传感器003无准确测量距离），通过监测频率确定高精度激光测距传感器003在凸起结构过程中的移动距离，该移动距离为凸起结构的宽度。

步骤4：由高精度计步轮对设备的实际移动距离进行检测，从而确认设备的实际移动距离。

本发明实施例通过机器人本体的前进方向上安装两套面向作业平面方向的高精度超声波测距传感器，通过控制第一超声波测距传感器001、第二超声波测距传感器002距离较远，使超声波传感器为中心，以半径150毫米圆为范围，两个超声波的所划定的圆不可以出现重合，从而避免超声波传感器声波的互相干扰，确保超声波传感器的正常工作。

本发明实施例通过安装弹性支架，确保了在机器人行走表面发生起伏时，计步轮可以稳定地贴合，并且由于采用橡胶材质包覆轮圈，可以确保在弹性支架确保适当下压力时，计步轮可以在光滑的玻璃表面被动滚动，即使玻璃表面有少量水渍，也不会产生滑动而丢失步数。本发明实施例计步轮出轴的其中一端，连接分辨率为1000份/转的光电编码器，实际脉冲分辨率为4000脉冲/转，计步轮的直径为40毫米左右，即可以实现0.03毫米/脉冲的实际分辨率，从而实现精确距离确定。

超声波虽然在透明玻璃上可以精确测量距离，但是由于超声波辐射不是点，而是面，因此当有变化进入了超声波辐射范围内，就会改变超声波的测量值。而这种测量值的改变，会随着超声波的声波辐射中心逐渐接近变化的边缘，发生非线性的变化。超声波在运动过程中，其测距值并不会真实反映作业面的高低变化 ，而是把所有的变化“平滑”了。举例来说，对于一个在平整玻璃表面突然出现的边缘清晰的窗框，在超声波测距反映出来的，却是一个平滑过渡增长的突出，这就为实际检测程序的设计带来了不确定性，包括“基准”的确定和不断迭代，极值的确定等等。

外墙清洗机器人对于作业面的感知，可靠性要求非常高，一旦误判，就会造成机器人被凸起挂住或者掉进凹陷，发生重大事故。而两个一组超声波组合运用，后面的超声波永远，时时刻刻，作为前一个超声波的“基准”，提供参照，确保了对作业面起伏状况的绝对可靠的检测，并且极大简化了机器人控制程序设计的难度。

本发明实施例机器人前进方向上的作业面为水平，则两个超声波传感器反馈的测距值基本相等，其偏差仅限于两个传感器的固有系统误差，以及机器人俯仰晃动造成不同安装位置传感器，其晃动旋转力臂长度不同所造成的微小偏差，这些偏差都在2至3毫米范围内，与建筑物表面最小15毫米的窗框高度区别非常显著。而一旦前进方向上出现于当前平面有显著高度差距，即超过15毫米以上的高度差，两个超声波传感器的反馈测距值，必然能够立即反应这种差别，虽然其发生的具体位置，与机器人本体与作业面的距离有相关性。例如距离作业面距离远，超声波传感器对于相对于自身距离远的凸出的被测物，发现的时机，就会明显早于距离作业面近的情况。原因是，超声波辐射一定是有扩散角度的，距离远，辐射面积就越大，而超声波传感器通常都是以反射回来最快的声波计算测量距离，所以有凸出物，有声波反射，就会改变测量值。但是无论时机是否精确，只要两个超声波传感器的声波辐射面先后面临不同高度的物体，一定可以通过测距值准确可靠地反映这种变化，即确定有/无。超声波不受被测物体反光，透明这些因素的影响。

本发明实施例机器人根据实际作业的需要，可以实现高频的作业面测距检测。例如高端的超声波测距，可以实现30HZ/秒的检测，持续对作业面测距。一旦发现两个一组的超声波，其测距值发生显著的偏差，就是找到了凸起或者凹陷，也就是窗台/窗框的边缘。接下来就是精确地测量这个边缘，其位置和高度。本发明实施例在机器人本体，前进方向上，面向作业平面，与第二个超声波平行的位置，安装高精度激光测距传感器。高端的激光测距传感器可以实现200HZ/秒甚至以上的检测频率。另一方面，本发明实施例的高精度计步轮可以确保机器人根据实际需要，实现例如每一毫米确认一次，即计步轮每累计30个脉冲，机器人前进1毫米，进行一次边缘检测。

尽管解决了对凸起/凹陷发现的绝对可靠发现的问题，但是超声波面检测的特性仍然无法解决对变化边缘的精确定位的问题。没有精确定位，机器人就无法精确高效地执行清洗和越障，只能靠各种原始的接触式传感，以低效方式探查，无法做到提前发现，提前规划执行动作。此时，擅长精确定点监测的激光就发挥作用了。无论怎样，激光需要在遍布虚假信息的透明玻璃表面，以超声波为准，有目的的，有条件的，利用点监测的能力，去确认超声波已经发现的凸起/凹陷。而本发明实施例中可设定机器人的行进速度为200毫米/秒，当超声波传感器检测到边缘情况，也就是一组超声波传感器的测距值发生了显著偏差，激光传感器立即以每前进1毫米的频率，检测确认边缘的位置和高度。如果超声波检测到凸起，也就是第一个超声波测距值小于第二个超声波。激光以第二个超声波的测距值为基准，之所以以超声波测距值为基准，是因为此时激光在透明玻璃上投射，其测距值是完全不可信的。激光在以每次/一毫米的频率监测过程中，一旦发现小于基准值，且检测值与基准值的偏差大于2-3mm（也可根据实际窗框或窗台高度设置为15mm以上）的情景出现，根据经验控制策略，即最小的窗框，比玻璃表面也要高出15毫米，且此种情景，即激光的检测值小于基准值，连续持续了10毫米以上，即可确定为凸起。第一个满足偏差条件的激光检测点，即凸起的边缘，而连续10毫米满足偏差条件的检测值，其平均值即凸起的高度，也就是窗框/窗台的高度。

这个检测原理，充分利用激光在不透明物体上，无论光滑与否，反光与否，甚至是全黑色金属表面，也可以利用激光实现精确测距。而玻璃表面出现的突出物，根据实践经验，也一定不再是玻璃，而是不透明的物体。

反之，如果是超声波检测到凹陷，实践经验表明，基本不可能在透明的玻璃表面，再有同样是玻璃材质的结构，其高度还低于当前透明玻璃。也就是凹陷一定发生在从窗台/窗框向玻璃或其他光滑平面转折的位置。激光可以当前测距值为基准，在以每次/一毫米的频率监测过程中，一旦发现大于基准值15毫米以上，同理，最小的窗框比玻璃高最少15毫米以上，且此种情景，持续了10毫米以上，就可以确认第一个满足偏差条件的激光检测点，即凹陷的边缘，但是对于凹陷的深度，如果是透明的玻璃，激光的测距值是不可用的，因此需要激光确定凹陷后，等待两个一组超声波的测距值相等（即偏差在固有系统误差范围内），以超声波的测距值作为凹陷的高度值，即玻璃的深度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在玻璃表面精确测量窗框、窗台位置和高度的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：在机器人工作的前进方向，设置第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器，使第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的检测面朝向工作平面方向；

步骤2：将第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的声波发射/接受换能器的口部调整至同一平面，以机器人工作的方向作为前进方向，使第一超声波测距传感器靠前、第二超声波测距传感器靠后，且第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器在前进方向上的投影位置之间具有距离偏差，所述距离偏差为90-110毫米；

步骤3：在机器人前进过程中使用第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器对工作平面进行距离检测，若第一超声波测距传感器的测距值发生变化且小于第二超声波测距传感器的测距值，则确认此时工作平面具有凸起结构，所述凸起结构为窗框或窗台，且所述凸起结构的边缘距离第二超声波测距传感器的直线距离为90-110毫米，以第二超声波测距传感器的测距值作为基准值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器之间距离不小于300毫米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中在第二超声波测距传感器相邻位置设置高精度激光测距传感器，且第二超声波测距传感器与高精度激光测距传感器相连的直线与前进方向垂直；

所述步骤3中，若第一超声波测距传感器的测距值发生变化且小于第二超声波测距传感器的测距值，则使高精度激光测距传感器对凸起结构进行距离监测，获得凸起结构与高精度激光测距传感器的距离值，凸起结构与工作平面的高度差为基准值与距离值的差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高精度激光测距传感器在对凸起结构进行距离监测的过程中以固定监测频率向凸起结构发射激光，至基准值与距离值相同或高精度激光测距传感器无准确测量距离时，通过监测频率确定此时高精度激光测距传感器的移动距离，该移动距离为凸起结构的宽度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光的监测频率为每次/一毫米。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中使用高精度计步轮对第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的移动距离进行检测。

7.一种应用权利要求1所述方法的设备，其特征在于，所述设备包括固定架、第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器安装在固定架上，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的检测面向下，且所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器的同一水平面上，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器在设备前进方向上的投影位置之间具有距离偏差，所述距离偏差为90-110毫米，所述第一超声波测距传感器、第二超声波测距传感器之间距离不小于300毫米，所述设备可通过固定架与外墙清洗机器人相连。

8.根据权利要求7的设备，其特征在于，所述设备还包括高精度激光测距传感器，所述高精度激光测距传感器安装在固定架上，且所述高精度激光测距传感器与第二超声波测距传感器相邻，所述高精度激光测距传感器与第二超声波测距传感器相连的直线与设备前进方向垂直。

9.根据权利要求7的设备，其特征在于，所述设备还包括高精度计步轮，所述高精度计步轮安装在固定架上。

10.根据权利要求9的设备，其特征在于，所述高精度计步轮包括弹性支架、橡胶包覆轮、光电编码器组件，所述光电编码器组件包括光电感应头、编码盘，所述光电编码器组件通过弹性支架与固定架相连，所述橡胶包覆轮的一侧与编码盘相连，所述光电感应头的感应端与编码盘相邻。