CN111717306A - 一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车和障碍规避方法 - Google Patents

Abstract

一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车和障碍规避方法，涉及隧道维护技术领域，所采用的技术方案包括驾驶室、平板车斗和速度传感器，所述清洗车上设置有第一探测器；所述平板车斗设置有能伸缩的清洗设备，所述清洗设备上设置有喷头，所述喷头附近设置有第二探测器；还包括感知控制系统。本发明实时监控清洗车前进方向上的清洗区域中的所有物体和清洗车之间的相对位置信息，并通过获取图像信息，能准确识别出物体的种类是灯具还是障碍物；自动控制清洗设备的伸缩，保证整个隧道灯具清洗过程的连续性，进一步提高清洗效率。

Description

一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车和障碍规避方法

技术领域

本发明涉及隧道维护技术领域，尤其涉及一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车和障碍规避方法。

背景技术

隧道内灯具的良好照明度是车辆通过隧道时的重要安全保障。穿行隧道的车辆会带来大量尾气和扬尘，由于隧道内部空间相对封闭，尾气和扬尘很难有效地排出隧道。尾气中的炭黑、机油和扬尘混合在一起，最终沉积在隧道内部的灯具表面，日积月累就形成了明显的污渍，降低隧道的照明效果，增大了隧道内的安全风险。一般灯具安装在隧道顶部中央或者两侧。除了灯具之外，隧道顶部或侧壁上还安装有车道指示器、可变情报板、摄像头等障碍物。

目前对隧道照明灯具设备的清洗维护还处于纯人工的状态，存在着清洗效率较低、安全风险较大、人力成本较高的问题。若采用自动式机械化的方式对灯具进行清洗，能极大地提高清洗效率，但隧道顶部和侧壁上的障碍物会对机械化的清洗方式造成严重地干扰，不能连续地作业。为了进一步提高隧道内灯具的清洗效率，完成清洗过程的全自动化，必须要解决对障碍物的规避问题。

发明内容

针对现有技术方案中障碍物对自动清洗作业造成干扰的问题，本发明提供了一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车和障碍规避方法。

本发明提供如下的技术方案：一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，包括驾驶室、平板车斗和速度传感器， 所述清洗车上设置有第一探测器，用于获取所述清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁上的物体的三维位置信息；所述平板车斗设置有能伸缩的清洗设备，所述清洗设备上设置有喷头，所述喷头附近设置有第二探测器，用于采集所述清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁上的物体的图像信息； 还包括感知控制系统，所述感知控制系统包括三维建模测距模块、图像识别模块和运动控制模块，所述图像识别模块分别和所述第二探测器、三维建模测距模块信号连接，所述三维建模测距模块还与所述第一探测器、运动控制模块信号连接，所述运动控制模块还与所述清洗设备信号连接。

优选地，所述第一探测器为3D激光雷达，设置在所述驾驶室顶部。

优选地，所述第一探测器在所述清洗车前进方向上的视场角α根据以下公式进行计算，

，

；式中L为所述清洗设备从清洗工作的最大展开状态到收缩至低于所述第一探测器探测范围内的物体最低处所需的时间内所述清洗车前进的距离，V₁为所述清洗车的移动速度，S为所述清洗设备完全展开时的最大长度，H为所述第一探测器探测范围内物体最低处到隧道地面的垂直高度，V₂为所述清洗设备伸缩的平均速度，t为预留的时间余量，L₂为所述第一传感器和清洗设备之间的距离。

作为一种具体实施方式，所述第一探测器的探测视场角在所述清洗车前进方向上的角度大于44°。

优选地，所述第一探测器设置有云台，所述云台设置在所述驾驶室顶部且能使所述第一探测器围绕所述清洗车运动方向转动。

优选地，所述感知控制系统还包括与所述速度传感器信号连接的报警模块，所述报警模块信号连接有报警设备。

一种障碍规避方法，包括以下步骤：

步骤1，采集所述清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁的位置信息，建立所述清洗车前进方向上的隧道顶部和侧壁的三维模型，实时检测所述清洗车前进方向上的隧道顶部和侧壁上是否存在物体；

步骤2，采集所述清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁上的图像信息；如果隧道顶部或侧壁存在物体，通过所述图像信息识别此物体是灯具或者障碍物；

步骤3，根据步骤2识别的结果，如果不是灯具，根据此物体与所述第一探测器之间的相对距离在所述清洗车运动方向上的投影长度和预设的警戒距离之间的差值来控制清洗设备的回缩；当所述第一传感器检测到清洗设备经过此物体后，即完成障碍规避。

优选地，在步骤1中，所述清洗车通过设置在所述驾驶室顶部的第一传感器采集所述清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁的位置信息，三维建模测距模块根据所述位置信息建立三维模型。

优选地，在步骤2中，所述清洗车通过设置在所述喷头附近的第二传感器采集所述清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁的图像信息，图像识别模块根据所述图像信息来识别物体是否是灯具。

优选地，在步骤3中，所述清洗车通过所述第一传感器来实时测定所述投影长度，并通过三维建模测距模块来比较所述投影长度和警戒距离之间的差值，当差值为0时，所述三维建模测距模块通过运动控制模块控制清洗设备回缩；所述警戒距离根据公式

来计算，式中V1为所述清洗车的移动速度，S为所述清洗设备完全展开时的最大长度，H为所述第一探测器探测范围内物体最低处到隧道地面的垂直高度，V2为所述清洗设备伸缩的平均速度，t为预留的时间余量。

本发明的有益效果是：1、通过获取隧道顶部和两侧在清洗车前进方向上的三维位置信息，建立三维模型，保证能实时监控清洗车前进方向上的清洗区域中的所有物体和清洗车之间的相对位置信息；2、通过获取图像信息，能准确识别出物体的种类是灯具还是障碍物；3、所述感知控制系统能针对不同种类的物体实行不同的操作模式，特别是针对障碍物，根据障碍物和第一传感器之间的相对位置信息，自动控制清洗设备的伸缩，保证整个隧道灯具清洗过程的连续性，进一步提高清洗效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的工作示意图。

图2为本发明一个实施例的三维示意图。

图3为图2的A部放大图。

图4为本发明中第二探测器的一个实施例的三维示意图。

图5为本发明各部件之间的信号连接图。

附图标记：1-清洗车，11-驾驶室，12-平板车斗，2-第一探测器，21-云台，3-清洗设备，4-喷头，5-第二探测器。

具体实施方式

以下结合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种如图1和图2所示的一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，包括驾驶室11、平板车斗12和速度传感器，所述清洗车1上设置有第一探测器2，用于获取所述清洗车1前进方向上的隧道顶部或侧壁上的物体的三维位置信息；所述平板车斗12设置有能伸缩的清洗设备3，所述清洗设备3上设置有喷头4，所述喷头4附近设置有第二探测器5，用于采集所述清洗车1前进方向上的隧道顶部或侧壁上的物体的图像信息； 还包括感知控制系统，所述感知控制系统包括三维建模测距模块、图像识别模块和运动控制模块，所述图像识别模块分别和所述第二探测器5、三维建模测距模块信号连接，所述三维建模测距模块还与所述第一探测器2、运动控制模块信号连接，所述运动控制模块还与所述清洗设备3信号连接。

所述清洗车为现有设备，不做赘述。所述第一探测器可探测隧道顶部或者侧壁上的所有物体的三维位置信息，特别是位于清洗车前进方向上的物体的位置信息，并发送给感知控制系统，清洗设备一般也处在第一传感器的探测视场角之内。所述第二传感器可选择RER-USB8MP02G型高清广角摄像头，设置在喷头附近，如图4所示，可获取清洗车前进方向上的测隧道顶部或者侧壁上的所有物体的图像信息，并发送给感知控制系统。

所述感知控制系统的载体可选择CPC-3857型车载工控机等可以处理图像信息、位置信息并具有输入和存储功能的计算设备，并配置有键盘等输入设备，所述三维建模测距模块、图像识别模块、运动控制模块等以程序的方式在车载工控机中运行，可分别通过线缆与第一、第二探测器、清洗设备、速度传感器等设备信号连接，如图5所示。所述图像识别模块从第二传感器得到图像数据，可根据现有的基于感知哈希算法的图像对比、识别方式来判断图像中的物体是灯具还是障碍物，并发送给三维建模测距模块；三维建模测距模块从第一传感器得到位置信息，可根据现有的基于神经网络算法的三维建模方式来建立隧道顶部和侧壁上的三维模型，结合经过识别的图像数据，来实时监控障碍物和清洗设备之间的距离，发送给运动控制模块；运动控制模块计算出此距离在清洗车运动方向上的投影长度，并和预设的警戒距离做实时比较，根据比较的结果来控制清洗设备是否回缩。

所述清洗设备可以在感知控制系统的控制下进行伸缩，以便进行清洗灯具、避让障碍物。在本实施例中，由于隧道内灯具的高度在5.2~6.9m之间，所述清洗设备可以由最大长度为4m的液压伸缩臂和最大长度为3m的NJ 165-3.0型电动机械手组合而成，电动机械手转动连接在液压伸缩臂的末端；液压伸缩臂和电动机械手可在垂直于清洗车前进方向的平面上进行转动和伸缩；分别为上述两者提供动力的液压系统和供电系统可以安装在清洗车的平板车斗上；电动机械手相对于液压伸缩臂可以提供更优良的控制精度，成本也较高，采用两者的组合可以达到控制精度与成本的平衡。电动机械手的末端设置有喷头，所述喷头至少有两种，一种为负责清洗的HT-03型高压蒸汽喷头，一种为负责吹干的HT-18型高压空气喷头，每种喷头至少有一个；两种喷头通过可伸缩的高压软管或者波纹管分别连接到蒸汽清洗机和空气压缩机，上述设备均可以安装在清洗车的平板车斗上。

进行清洗作业时，清洗设备伸长至灯具下方距灯具约200mm；前方有障碍物时，清洗设备必须回缩至低于障碍物最低处的安全位置以避开障碍物。清洗车不停向前移动，然而清洗设备回缩至安全位置需要一定时间，则需要清洗设备提前进行回缩，提前量至少为上述回缩至安全位置的时间。在此回缩时间内，清洗车前进的距离即为所述感知控制系统的警戒距离，当前方障碍物和清洗设备之间的距离在清洗车运动方向上的投影长度逐渐逼近此警戒距离并与警戒距离相等时，感知控制系统控制清洗设备开始收缩，即可安全避开此障碍物。可将提前测出上述警戒距离并输入感知控制系统中，作为预设值。

本发明在工作时，感知控制系统将从第一传感器得到的位置信息进行汇总，通过现有的三维建模技术建立隧道顶部和侧壁的三维模型，并根据第二传感器采集的图像信息，利用现有的图像对比和图像识别技术，识别物体是灯具或者是障碍物；同时实时检测位于清洗车前进方向上的障碍物和清洗设备之间的相对距离，计算出此相对距离在清洗车运动方向上的投影长度L1，如图1所示，并与预设的警戒距离做减法，当两者差值等于0时，即控制清洗设备回缩以避开障碍物。若灯具和障碍物之间的距离过于接近，则优先规避障碍物，并在感知控制系统中为此灯具做标记，留待人工辅助清洗。

优选地，所述第一探测器2为3D激光雷达，设置在所述驾驶室11顶部。

所述第一探测器可选择型号为CE30-D的3D激光雷达，体积小易装配，且具有130°的大视场角，探测范围广。所述第一传感器设置在驾驶室顶部，处于整个清洗车的前部，前进方向上的探测视场角内无遮挡，探测精度更好；第一传感器也处于清洗设备之前，前方障碍物和清洗设备之间的距离可简化为前方障碍物和第一传感器之间的距离，可使距离测定更为直接和简便。

优选地，所述第一探测器2在所述清洗车1前进方向上的视场角α根据以下公式进行计算，

，

；式中L为所述清洗设备3从清洗工作时的最大展开状态到收缩至低于所述第一探测器2探测范围内的物体最低处所需的时间内所述清洗车1前进的距离，V₁为所述清洗车1的移动速度，S为所述清洗设备3完全展开时的最大长度，H为所述第一探测器2探测范围内物体最低处到隧道地面的垂直高度，V₂为所述清洗设备3伸缩的平均速度，t为预留的时间余量，L₂为所述第一传感器和清洗设备之间的距离。

如图1所示，上述公式中，α为第一传感器在清洗车前进方向上的视场角，不管第一传感器朝向哪个方向，总能具有前方视场角为α范围内的视野；L为所述清洗设备从清洗工作时的最大展开状态到收缩至低于第一探测器探测范围内的物体最低处所需的时间内所述清洗车前进的距离，可为预设在感知控制系统中的警戒距离，特别增加了时间余量t，以提高容错率；L₂为所述第一传感器和清洗设备之间的距离。时间余量t≥0，可根据实际的清洗设备伸缩速度和清洗车移动速度的波动幅度来确定。而第一探测器在障碍物最低处的高度上的探测距离L₁必须大于警戒距离L和L₂之间的差值，才能达到安全避让的效果，依此可以计算出第一探测器在清洗车前进方向上的探测视场角α的最小值。

作为一种具体实施方式，所述第一探测器2的探测视场角在所述清洗车1前进方向上的角度大于44°。

由于不同时期建设隧道依据的标准不同，现有隧道灯具的位置分为两种，一种布置在隧道顶部，灯具离地高度在6.5~6.9m内，清洗作业遇到的障碍物为车道指示器和可变情报板，障碍物离地高度≥5.2m；一种布置在隧道两侧，灯具离地高度在5.2~5.5m，障碍物为监控摄像机，其离地高度≥5.4m。在本实施例中，不论灯具位于隧道顶部还是侧壁，S可取最大值6.9m，H可取最低值5.2m；清洗设备伸缩的速度恒定，一般在0.65m/s左右；清洗车在执行清洗作业时的移动速度V₁一般为5~7km/h，可取最大值7km/h；时间余量t取0，则可计算出警戒距离L为5.1m；同时第一传感器位于清洗设备之前，为了在操作上更为简便，第一传感器和清洗设备之间的距离L₂可视作0，则第一传感器处于清洗车前进方向上的探测视场角α至少为44°。

优选地，所述第一探测器2设置有云台21，所述云台21设置在所述驾驶室11顶部且能使所述第一探测器2围绕所述清洗车1运动方向转动。

如图3所示，为满足隧道顶部和侧壁两种不同的探测方向，所述第一探测器还设置有云台，用于灵活调整第一探测器的朝向，使其主要朝向面对隧道顶部或者侧壁。具体地，使第一探测器可以围绕清洗车运动方向进行转动。所述云台可选择GPI系列云台，可与感知控制系统信号连接，以实现自动控制。

优选地，所述感知控制系统还包括与所述速度传感器信号连接的报警模块，所述报警模块信号连接有报警设备。

清洗车的移动速度和警戒距离呈正相关，为了避免车速过快造成警戒距离变化过大，所述感知控制系统还设置有报警模块，和清洗车的速度传感器信号连接。在本实施例中，当速度传感器检测到车速超过7km/h时，报警模块发送信号给报警设备，例如扬声器、信号灯等，发出报警信号，提醒司机降低车速。

一种障碍规避方法，包括以下步骤：

步骤1，采集所述清洗车1前进方向上的隧道顶部或侧壁的位置信息，建立所述清洗车1前进方向上的隧道顶部和侧壁的三维模型，实时检测所述清洗车1前进方向上的隧道顶部和侧壁上是否存在物体；

步骤2，采集所述清洗车1前进方向上的隧道顶部或侧壁上的图像信息；如果隧道顶部或侧壁存在物体，通过所述图像信息识别此物体是灯具或者障碍物；

步骤3，根据步骤2识别的结果，如果不是灯具，根据此物体与所述第一探测器2之间的相对距离在所述清洗车1运动方向上的投影长度和预设的警戒距离之间的差值来控制清洗设备的回缩；当所述第一传感器检测到清洗设备经过此物体后，即完成障碍规避。

优选地，在步骤1中，所述清洗车1通过设置在所述驾驶室11顶部的第一传感器2采集所述清洗车1前进方向上的隧道顶部或侧壁的位置信息，三维建模测距模块根据所述位置信息建立三维模型。

最初清洗设备可处于末端贴近灯具的工作状态。第一传感器设置在驾驶室顶部，位于清洗设备之前。根据中的第一传感器采集的清洗车前进方向上的隧道顶部或侧壁的所有物体的位置信息，三维建模测距模块可利用现有的基于神经网络算法的三维建模方式来建立三维模型，可以实时监控有无物体，如果有物体，则可以监控此物体和第一传感器之间的相对距离。

优选地，在步骤2中，所述清洗车1通过设置在所述喷头4附近的第二传感器5采集所述清洗车1前进方向上的隧道顶部或侧壁的图像信息，图像识别模块根据所述图像信息来识别物体是否是灯具。

根据第二传感器采集的前方物体的图像信息，可利用现有的基于感知哈希算法的图像对比、识别方式来判断图像中的物体是灯具还是障碍物，并把相关数据发送给三维建模测距模块。如果是灯具，则感知控制系统控制清洗设备伸展并和灯具之间的距离保持在200~250mm，喷头和灯具之间的角度保持在45~60°之间，并依次打开蒸汽清洗机和空气压缩机，使各个喷头喷出高压蒸汽和干燥空气，先通过蒸汽清洗，再利用高压空气冲干水汽以完成清洗作业。以上过程可以通过在喷头上加装距离、角度传感器，以及设置在清洗车平板车斗上的蒸汽清洗机、空气压缩机、液压系统和供电系统来配合完成。

优选地，在步骤3中，所述清洗车1通过所述第一传感器2来实时测定所述投影长度，并通过三维建模测距模块来比较所述投影长度和警戒距离之间的差值，当差值为0时，所述三维建模测距模块通过运动控制模块控制清洗设备回缩；所述警戒距离根据公式

来计算，式中V1为所述清洗车1的移动速度，S为所述清洗设备3完全展开时的最大长度，H为所述第一探测器2探测范围内物体最低处到隧道地面的垂直高度，V2为所述清洗设备3伸缩的平均速度，t为预留的时间余量。

如果不是灯具，即为障碍物，为了简化测量、判断的复杂程度，则实时监控第一探测器与此障碍物之间的相对距离在所述清洗车运动方向上的投影长度L1，并和感知控制系统中预设的警戒距离L做比较，当两者的差值等于0时，感知控制系统给清洗设备收缩信号，清洗设备持续收缩，直至彻底避让掉此障碍物，同时回到步骤1，不断重复此过程。所述警戒距离L是清洗设备从清洗工作时的最大展开状态到收缩至低于第一探测器探测范围内的物体最低处的安全位置所需的时间内，所述清洗车前进的距离。

以上为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，包括驾驶室（11）、平板车斗（12）和速度传感器，其特征在于：

所述清洗车（1）上设置有第一探测器（2），用于获取所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部或侧壁上的物体的三维位置信息；

所述平板车斗（12）设置有能伸缩的清洗设备（3），所述清洗设备（3）上设置有喷头（4），所述喷头（4）附近设置有第二探测器（5），用于采集所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部或侧壁上的物体的图像信息；

还包括感知控制系统，所述感知控制系统包括三维建模测距模块、图像识别模块和运动控制模块，所述图像识别模块分别和所述第二探测器（5）、三维建模测距模块信号连接，所述三维建模测距模块还与所述第一探测器（2）、运动控制模块信号连接，所述运动控制模块还与所述清洗设备（3）信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，其特征在于：所述第一探测器（2）为3D激光雷达，设置在所述驾驶室（11）顶部。

3.根据权利要求2所述的一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，其特征在于：所述第 一探测器（2）在所述清洗车（1）前进方向上的视场角α根据以下公式进行计算，

，

；

式中L为所述清洗设备（3）从清洗工作的最大展开状态到收缩至低于所述第一探测器（2）探测范围内的物体最低处所需的时间内所述清洗车（1）前进的距离，V₁为所述清洗车（1）的移动速度，S为所述清洗设备（3）完全展开时的最大长度，H为所述第一探测器（2）探测范围内物体最低处到隧道地面的垂直高度，V₂为所述清洗设备（3）伸缩的平均速度，t为预留的时间余量，L₂为所述第一传感器和清洗设备之间的距离。

4.根据权利要求3所述的一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，其特征在于：所述第一探测器（2）的探测视场角在所述清洗车（1）前进方向上的角度大于44°。

5.根据权利要求4所述的一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，其特征在于：所述第一探测器（2）设置有云台（21），所述云台（21）设置在所述驾驶室（11）顶部且能使所述第一探测器（2）围绕所述清洗车（1）运动方向转动。

6.根据权利要求1所述的一种能规避清洗障碍的隧道路灯清洗车，其特征在于：所述感知控制系统还包括与所述速度传感器信号连接的报警模块，所述报警模块信号连接有报警设备。

7.一种障碍规避方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，采集所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部或侧壁的位置信息，建立所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部和侧壁的三维模型，实时检测所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部和侧壁上是否存在物体；

步骤2，采集所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部或侧壁上的图像信息；如果隧道顶部或侧壁存在物体，通过所述图像信息识别此物体是灯具或者障碍物；

步骤3，根据步骤2识别的结果，如果不是灯具，根据此物体与所述第一探测器（2）之间的相对距离在所述清洗车（1）运动方向上的投影长度和预设的警戒距离之间的差值来控制清洗设备的回缩；当所述第一传感器（2）检测到清洗设备（3）经过此物体后，即完成障碍规避。

8.根据权利要求7所述的一种障碍规避方法，其特征在于：在步骤1中，所述清洗车（1）通过设置在所述驾驶室（11）顶部的第一传感器（2）采集所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部或侧壁的位置信息，三维建模测距模块根据所述位置信息建立三维模型。

9.根据权利要求8所述的一种障碍规避方法，其特征在于：在步骤2中，所述清洗车（1）通过设置在所述喷头（4）附近的第二传感器（5）采集所述清洗车（1）前进方向上的隧道顶部或侧壁的图像信息，图像识别模块根据所述图像信息来识别物体是否是灯具。

10.根据权利要求9所述的一种障碍规避方法，其特征在于：在步骤3中，所述清洗车（1） 通过所述第一传感器（2）来实时测定所述投影长度，并通过三维建模测距模块来比较所述 投影长度和警戒距离之间的差值，当差值为0时，所述三维建模测距模块通过运动控制模块 控制清洗设备回缩；所述警戒距离根据公式

来计算，式中V1为所述 清洗车（1）的移动速度，S为所述清洗设备（3）完全展开时的最大长度，H为所述第一探测器 （2）探测范围内物体最低处到隧道地面的垂直高度，V2为所述清洗设备（3）伸缩的平均速 度，t为预留的时间余量。

Images