CN110895334A - 基于激光雷达和gps融合虚拟墙无人清扫车校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，激光雷达感应检测模块实时识别周边环境并生成实时数据，GPS定位模块实时生成无人清扫车当前的位置数据；计算机数据处理模块生成实时行走路径数据；通过评价函数计算实时行走路径数据与虚拟墙数据的误差，根据误差输出修正命令至动力控制装置模块；计算机数据处理模块再次生成实时行走路径数据并形成二次行走路径数据，对比确认无人清扫车是否与虚拟墙数据保持在误差范围内，若是执行清扫步骤，若否，执行误差分析步骤。上述方法解决无人驾驶清扫车用激光雷达和GPS无法精确沿边行走和清扫作业的问题。本发明还公开了一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置。

Description

基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置及方法

技术领域

本发明涉及无人驾驶控制技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置。

背景技术

无人驾驶技术是21世纪人工智能领域重大的突破，无人驾驶技术应用在各个行业中。无人清扫车是无人驾驶技术在环卫领域中的一种应用，无人清扫车也被称为轮式移动清扫机器人，其主要依靠清扫车内的计算机系统、感知系统、动力系统、GPS定位系统和IMU惯性导航系统等来实现无人驾驶目的。利用车载传感器来感知周围环境信息，并根据感知所获得的道路、垃圾、位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度来完成自动驾驶功能。

专利文献1（申请号CN201710181089.X）公开了一种具虚拟墙功能的定位导航装置和机器人，包括内部传感器和裸露在该装置外的环境传感器，还包括执行如下步骤的程序：获取模块经由通信模块捕获设置的虚拟墙信息；采用Hough变换算法提取虚拟墙中的直线信息；利用二分法构建更新分段查找树，结合传感器数据，查找各个角度下观测数据，产生融合后的观测数据；利用raytrace算法，构建全局导航地图；利用启发式搜索算法，结合宿主设备的起点和终点，搜索一条平滑无碰撞路径；利用动态窗口算法，寻找可行的窗口；对速度进行平滑处理，下发移动宿主设备的控制指令。

专利文献2（申请号CN201910499373.0）公开了一种虚拟墙设置方法、系统及装置，该方法包括：获取活动区域的环境信息并发送给智能终端，所述环境信息包括多个关键点信息；接收所述智能终端根据所述关键点信息选择的第一关键点信息以及第二关键点信息；根据所述第一关键点信息以及所述第二关键点信息，建立虚拟墙；根据所述虚拟墙，规划对应的活动路径。本发明通过采用获取关键点的方式，根据用户选择的第一关键点和第二关键点自动形成虚拟墙，并根据虚拟墙的位置信息自动进行路径规划，进而有效的防止了机器人进入用户指定的禁入区域。

上述专利文献虽然解决了一定问题，但仍然存在着现有技术的问题点：

现阶段无人驾驶清扫车在沿边清扫作业主要依靠激光雷达定位来实现室内外沿边清扫作业，同时也有类似虚拟墙来防止扫地机器人碰撞或者跃出此虚拟墙，但此类似虚拟墙只能被动的使机器人无法碰撞或者跨越此虚拟墙，无法使扫地机器人准确的一直沿虚拟墙行走或清扫作业，缺少机器人与虚拟墙数据长时间融合校准数据，无法实现室内外在长距离沿虚拟墙行走或清扫的需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，其能解决无法使扫地机器人准确的一直沿虚拟墙行走的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，应用于基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块、动力控制装置模块、激光雷达感应检测模块、高精度地图模块、GPS定位模块和虚拟墙数据模块，所述虚拟墙数据模块设置有虚拟墙数据，所述计算机数据处理模块分别与所述动力控制装置模块、所述激光雷达感应检测模块交互，包括以下步骤：

清扫：无人清扫车处于自动驾驶模式，进行沿边清扫，激光雷达感应检测模块实时识别周边环境并生成实时数据，GPS定位模块实时生成无人清扫车当前的位置数据；

数据反馈：实时数据和位置数据传输至计算机数据处理模块，计算机数据处理模块生成实时行走路径数据；

误差分析：通过评价函数计算实时行走路径数据与虚拟墙数据的误差，根据误差输出修正命令至动力控制装置模块；

调整：动力控制装置模块调整无人清扫车动力装置的方向和速度，调节无人清扫车与虚拟墙的距离，计算机数据处理模块再次生成实时行走路径数据并形成二次行走路径数据，对比确认无人清扫车是否与虚拟墙数据保持在误差范围内，若是执行清扫步骤，若否，执行误差分析步骤。

进一步地，在所述清扫步骤中，激光雷达感应检测模块实时检测作业周边环境信息并通过实时感应的数据校准在地图中的位置，实时上传数据给计算机数据处理模块。

进一步地，在所述清扫步骤中，激光雷达感应检测模块实时检测作业周边环境信息包括侧边距信息及障碍物信息。

进一步地，在所述数据反馈步骤中，GPS定位模块数据通过卡尔曼滤波算法处理后，实时传输给计算机数据处理模块。

进一步地，在所述清扫步骤之前，设置有虚拟墙信息传输步骤：虚拟墙数据模块实时上传有当前路段的虚拟墙信息。

进一步地，在所述调整步骤中，通过确认通过激光雷达感应检测模块和GPS定位模块反馈的数据使无人清扫车进行贴边清扫。

一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块、动力控制装置模块、激光雷达感应检测模块、高精度地图模块、GPS定位模块和虚拟墙数据模块，所述计算机数据处理模块分别与所述动力控制装置模块、所述激光雷达感应检测模块交互，所述虚拟墙数据模块设置有实时的虚拟墙数据，所述高精度地图模块设置有实时的高精度地图的位置信息，所述激光雷达感应检测模块实时识别周边环境数据；所述GPS定位模块用于定位当前无人清扫车的位置，所述动力控制装置模块用于控制无人清扫车移动，所述计算机数据处理模块接收所述激光雷达感应检测模块反馈的实时数据，所述计算机数据处理模块实时收集所述GPS定位模块的位置数据，通过实时数据和位置数据生成无人清扫车实时路径，计算机数据处理模块通过评价函数校准实时生成的路径与虚拟墙数据的误差，并根据误差数据输出修正命令给到动力控制装置模块。

进一步地，地面上设置有虚拟墙线路，所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置还包括视觉传感器、固态激光雷达。

进一步地，所述计算机数据处理模块设置有当前路径存储单元，所述当前路径存储单元记录有当前行走路径的驱动信息和路径。

进一步地，所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置还包括前刷电机，所述前刷电机与所述计算机数据处理模块交互。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、动力控制装置模块调整无人清扫车动力装置的方向和速度，调节无人清扫车与虚拟墙的距离，计算机数据处理模块再次生成实时行走路径数据并形成二次行走路径数据，对比确认无人清扫车是否与虚拟墙数据保持在误差范围内，若是执行清扫步骤，若否，执行误差分析步骤。基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置能够解决普通无人车无法精确沿边行走和清扫作业的问题，同时也弥补了现有虚拟墙方案只能被动接受虚拟墙的位置区域保护且与虚拟墙无数据交互的问题。

2、解决沿边精度不足弊端。同时高精度的沿边清扫解决方案真正解决现实环卫作业中沿边清扫垃圾的难题，真正实现无人驾驶清扫车在各个阶段的无人化，实现整个环卫作业的无人化作业流程。此发明方法和装置能够让无人清扫车在自动驾驶应用方案适应更多场景环境，在保障应用效果的同时也大大地提高了无人清扫车在各个场景清扫作业的成功率，为无人驾驶清扫车推向市场贡献新的功能亮点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法的流程图；

图2为不含有虚拟墙的地图；

图3为含有虚拟墙信息的地图；

图4为本发明的流程图。

图中：1021、计算机数据处理模块；1022、GPS天线；1023、动力控制装置模块；1024、光敏传感器；1025、雨量传感器；1026、视觉传感器；1027、固态激光雷达；1028、前刷电机；1029、前刷；1030、激光雷达；1031、后刷；2010、虚拟墙线路。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-3，一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，应用于基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块、动力控制装置模块、激光雷达感应检测模块、高精度地图模块、GPS定位模块和虚拟墙数据模块，所述虚拟墙数据模块设置有虚拟墙数据，所述计算机数据处理模块分别与所述动力控制装置模块、所述激光雷达感应检测模块交互，包括以下步骤：

虚拟墙信息传输步骤：虚拟墙数据模块实时上传有当前路段的虚拟墙信息。请参阅图2和3，地图上设置有虚拟墙线路2010，通过人为设置进而提高线路的规划度，进一步提高了行走的高精度要求。

清扫：无人清扫车处于自动驾驶模式，进行沿边清扫，激光雷达感应检测模块实时识别周边环境并生成实时数据，GPS定位模块实时生成无人清扫车当前的位置数据；在所述清扫步骤中，激光雷达感应检测模块实时检测作业周边环境信息并通过实时感应的数据校准在地图中的位置，实时上传数据给计算机数据处理模块。在所述清扫步骤中，激光雷达感应检测模块实时检测作业周边环境信息包括侧边距信息及障碍物信息。一方面使无人清扫车的位置和侧边距数据得到精准的反馈，解决了误差较大的问题，另一方面可进行贴边清扫控制，通过控制误差量的大小来实现贴边清扫。

数据反馈：实时数据和位置数据传输至计算机数据处理模块，计算机数据处理模块生成实时行走路径数据；在所述数据反馈步骤中，GPS定位模块数据通过卡尔曼滤波算法处理后，实时传输给计算机数据处理模块。

误差分析：通过评价函数计算实时行走路径数据与虚拟墙数据的误差，根据误差输出修正命令至动力控制装置模块；

调整步骤：动力控制装置模块调整无人清扫车动力装置的方向和速度，调节无人清扫车与虚拟墙的距离，计算机数据处理模块再次生成实时行走路径数据并形成二次行走路径数据，对比确认无人清扫车是否与虚拟墙数据保持在误差范围内，若是执行清扫步骤，若否，执行误差分析步骤。在所述调整步骤中，通过确认通过激光雷达感应检测模块和GPS定位模块反馈的数据使无人清扫车进行贴边清扫。基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置能够解决普通无人车无法精确沿边行走和清扫作业的问题，同时也弥补了现有虚拟墙方案只能被动接受虚拟墙的位置区域保护，与虚拟墙无数据交互。也解决上述专利与激光雷达和GPS无融合校准长距离修正行走路线问题，解决沿边精度不足弊端。同时高精度的沿边清扫解决方案真正解决现实环卫作业中沿边清扫垃圾的难题，真正实现无人驾驶清扫车在各个阶段的无人化，实现整个环卫作业的无人化作业流程。此发明方法和装置能够让无人清扫车在自动驾驶应用方案适应更多场景环境，在保障应用效果的同时也大大地提高了无人清扫车在各个场景清扫作业的成功率，为无人驾驶清扫车推向市场贡献新的功能亮点。

具体的，原理说明如下：

当无人清扫车处于自动驾驶时，激光雷达感应检测模块实时识别作业区域内的周边环境数据信息，校准无人清扫车在高精度地图的位置，并实时上传数据信息给计算机数据处理模块；同时GPS定位模块也实时收集定位数据，并通过卡尔曼滤波处理后实时上传给计算机数据处理模块；计算机数据处理模块收集激光雷达感应检测模块和GPS定位模块反馈的实时数据，通过实时数据生成无人清扫车实时路径。实时路径由无数个点位的数据组成，点位数据记录详细的数据信息。同时虚拟墙也是由无数个固定的点位数据组成，计算机数据处理模块通过评价函数中的函数逼近法，公式如下：

设

，其中

是结点n的第i个启发信息值，

是与其对应项有关的权。校准实时生成路径点位数据与虚拟墙数据的误差。计算机数据处理模块通过校准对比实时生成路径与虚拟墙数据的误差范围，并根据误差数据输出修正命令给到动力控制装置模块。动力控制装置模块接收计算机数据处理模块修正命令数据后，通过驱动无人清扫车的动力装置的方向和速度，调节无人清扫车与虚拟墙的距离，使无人清扫车与虚拟墙始终保持在相同的距离行走或清扫作业。

具体的，相对于现有技术，如发明专利公开号CN107063242A和公开号CN110347152A，解决了现有技术以下技术难题：

1、解决上述专利只能被动接受虚拟墙的位置区域保护，与虚拟墙无数据交互。

2、解决上述专利与激光雷达和GPS无数据融合校准长距离修正行走路线问题，达到高精度沿边清扫功能。

请参阅图4，一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块、动力控制装置模块、激光雷达感应检测模块、高精度地图模块、GPS定位模块和虚拟墙数据模块，所述计算机数据处理模块分别与所述动力控制装置模块、所述激光雷达感应检测模块交互，所述虚拟墙数据模块设置有实时的虚拟墙数据，所述高精度地图模块设置有实时的高精度地图的位置信息，所述激光雷达感应检测模块实时识别周边环境数据；所述GPS定位模块用于定位当前无人清扫车的位置，所述动力控制装置模块用于控制无人清扫车移动，所述计算机数据处理模块接收所述激光雷达感应检测模块反馈的实时数据，所述计算机数据处理模块实时收集所述GPS定位模块的位置数据，通过实时数据和位置数据生成无人清扫车实时路径，计算机数据处理模块通过评价函数校准实时生成的路径与虚拟墙数据的误差，并根据误差数据输出修正命令给到动力控制装置模块。虚拟墙技术与无人清扫车人激光雷达和GPS数据的充分交互融合校准了无人清扫车在长距离行走过程中的精度定位问题，极大的缓解了无人清扫车在沿边行走和清扫作业的定位精度不准情况。

优选的，地面上设置有虚拟墙线路2010，所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置还包括视觉传感器1026、固态激光雷达1027。所述计算机数据处理模块设置有当前路径存储单元，所述当前路径存储单元记录有当前行走路径的驱动信息和路径。

具体的，请参阅附图4，在实际应用过程中，所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块1021、GPS天线1022、动力控制装置模块1023、光敏传感器1024、雨量传感器1025、视觉传感器1026、固态激光雷达1027、前刷电机1028、前刷1029、激光雷达1030、后刷1031、虚拟墙线路2010，其中计算机数据处理模块1021和动力控制装置模块1023在图中标示为位置信息，实际上在于机器的内部，所述前刷电机1028与所述计算机数据处理模块1021交互。所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置结构新颖，设计巧妙，适用性强，便于推广。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，应用于基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块、动力控制装置模块、激光雷达感应检测模块、高精度地图模块、GPS定位模块和虚拟墙数据模块，所述虚拟墙数据模块设置有虚拟墙数据，所述计算机数据处理模块分别与所述动力控制装置模块、所述激光雷达感应检测模块交互，其特征在于，包括以下步骤：

清扫：无人清扫车处于自动驾驶模式，进行沿边清扫，激光雷达感应检测模块实时识别周边环境并生成实时数据，GPS定位模块实时生成无人清扫车当前的位置数据；

数据反馈：实时数据和位置数据传输至计算机数据处理模块，计算机数据处理模块生成实时行走路径数据；

误差分析：通过评价函数计算实时行走路径数据与虚拟墙数据的误差，根据误差输出修正命令至动力控制装置模块；

调整：动力控制装置模块调整无人清扫车动力装置的方向和速度，调节无人清扫车与虚拟墙的距离，计算机数据处理模块再次生成实时行走路径数据并形成二次行走路径数据，对比确认无人清扫车是否与虚拟墙数据保持在误差范围内，若是执行清扫步骤，若否，执行误差分析步骤。

2.如权利要求1所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，其特征在于：在所述清扫步骤中，激光雷达感应检测模块实时检测作业周边环境信息并通过实时感应的数据校准在地图中的位置，实时上传数据给计算机数据处理模块。

3.如权利要求2所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，其特征在于：在所述清扫步骤中，激光雷达感应检测模块实时检测作业周边环境信息包括侧边距信息及障碍物信息。

4.如权利要求1所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，其特征在于：在所述数据反馈步骤中，GPS定位模块数据通过卡尔曼滤波算法处理后，实时传输给计算机数据处理模块。

5.如权利要求1所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，其特征在于，在所述清扫步骤之前，设置有虚拟墙信息传输步骤：虚拟墙数据模块实时上传有当前路段的虚拟墙信息。

6.如权利要求1所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准方法，其特征在于：在所述调整步骤中，通过确认通过激光雷达感应检测模块和GPS定位模块反馈的数据使无人清扫车进行贴边清扫。

7.一种基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置包括计算机数据处理模块、动力控制装置模块、激光雷达感应检测模块、高精度地图模块、GPS定位模块和虚拟墙数据模块，其特征在于：

所述计算机数据处理模块分别与所述动力控制装置模块、所述激光雷达感应检测模块交互，所述虚拟墙数据模块设置有实时的虚拟墙数据，所述高精度地图模块设置有实时的高精度地图的位置信息，所述激光雷达感应检测模块实时识别周边环境数据；

所述GPS定位模块用于定位当前无人清扫车的位置，所述动力控制装置模块用于控制无人清扫车移动，

所述计算机数据处理模块接收所述激光雷达感应检测模块反馈的实时数据，所述计算机数据处理模块实时收集所述GPS定位模块的位置数据，通过实时数据和位置数据生成无人清扫车实时路径，计算机数据处理模块通过评价函数校准实时生成的路径与虚拟墙数据的误差，并根据误差数据输出修正命令给到动力控制装置模块。

8.如权利要求7所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，其特征在于：地面上设置有虚拟墙线路，所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置还包括视觉传感器、固态激光雷达。

9.如权利要求7所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，其特征在于：所述计算机数据处理模块设置有当前路径存储单元，所述当前路径存储单元记录有当前行走路径的驱动信息和路径。

10.如权利要求7所述的基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置，其特征在于：所述基于激光雷达和GPS融合虚拟墙无人清扫车校准装置还包括前刷电机，所述前刷电机与所述计算机数据处理模块交互。

Images