CN112191580A - 用于隧道灯具的全自动清洗方法 - Google Patents

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丁浩
王福敏
胡居义
肖博
李文锋
李科
马非
罗斌
陈建忠
廖强
须民健
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    • B08B13/00—Accessories or details of general applicability for machines or apparatus for cleaning

Abstract

本发明涉及一种用于隧道灯具的全自动清洗方法，属于隧道灯具清洗技术领域。该方法包括以下步骤：S1：人工驾驶；S3：计算机根据检测驾驶车辆空间的坐标信息和车辆的行驶速度，结合升降台、折叠曲臂和末端执行机构模型参数，通过估航迹推算算法，获取机械臂的运动参数，输出给折叠曲臂的控制器；S4：曲臂的控制器根据运动参数控制曲臂的位姿，将作业装置控制调整至接近对象的位置，完成自动养护作业或者检测；S5：行驶过程中由避障检测系统检测隧道前方障碍物，超过安全阈值时，通过声光报警提示驾驶员停止车辆，并启动避障控制程序，实施避障操作；S6：系统自动对作业前后的结果在人机界面上进行动态展示，并自动出具养护作业数据报告。

Description

用于隧道灯具的全自动清洗方法
技术领域
本发明属于隧道灯具清洗技术领域，涉及用于隧道灯具的全自动清洗方法。
背景技术
隧道灯具是为解决车辆驶入或驶出隧道时亮度的突变使视觉产生的“黑洞效应”或“白洞效应”，用于隧道照明的特殊灯具，隧道空间相对密封，故隧道内尾气和粉尘含量较高，隧道灯的灯罩表面容易积聚固体颗粒，影响灯罩的透光度，进而影响照明效果，造成隧道内光亮不足，影响安全通行，因此需要对隧道灯的灯罩进行清洁；
目前常用的清洁方式主要有两种方式，分别为湿式清洁以及非接触式干式清洁；其中湿式清洁为人工利用升降机登高作业，进行高压水枪冲洗，采用长柄刷进行刷洗，该方式刷洗效率抵，另外污水随意滴落，污染隧道环境，现有技术中也有采用大型机械毛刷并配合高压水进行刷洗，该方式同样造成污水污染隧道环境，而且湿式清洁方式容易造成隧道灯具短路等故障；非接触式干式清洁主要利用高压风刀，通过高压风流冲击隧道灯具表面，该结构风刀对隧道灯具表面冲击力较大，容易损坏隧道灯具，而且隧道中汽车尾气中固体颗粒较多，该固体颗粒附着于隧道灯具上的粘附力较大，该风刀清洁方式难以有效对该固体颗粒清洁，清洗效果不好，而且清洁下来的固体颗粒受风流吹动易向隧道环境中扩散，对隧道环境造成二次污染。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道灯具的全自动清洗方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于隧道灯具的全自动清洗方法，该方法包括以下步骤：
S1：人工驾驶；按照设定的工作档位，驾驶车辆不超过设定的最高速度行驶；
S2：感知检测系统识别隧道顶部或侧壁的灯具分布状况，进而控制伺服云台并检测驾驶车辆空间的坐标信息、获取车辆的行驶速度；
S3：计算机根据检测驾驶车辆空间的坐标信息和车辆的行驶速度，结合升降台、折叠曲臂和末端执行机构模型参数，通过估航迹推算算法，获取机械臂的运动参数，输出给折叠曲臂的控制器；
S4：曲臂的控制器根据运动参数控制曲臂的位姿，将作业装置控制调整至接近对象的位置，完成自动养护作业或者检测；
S5：行驶过程中由避障检测系统检测隧道前方障碍物，超过安全阈值时，通过声光报警提示驾驶员停止车辆，并启动避障控制程序，实施避障操作；
S6：系统自动对作业前后的结果在人机界面上进行动态展示，并自动出具养护作业数据报告。
可选的，所述工作档位为：除驾驶档位外，还设有一个作业档位；当清洁作业时，行车速度保持在2km/h，且速度还通过取力器开关PTO增速调节，实现从2-5km/h的速度范围调节。
可选的，所述感知检测系统包括视觉相机、激光雷达和超声测距传感器；
车身高度1.2m处安装有超声测距传感器，用于获取车身与隧道壁之间的距离，结合车辆速度传感器确定车辆在隧道长度方向上面的行驶里程，从而判断车身在隧道空间的坐标；
则通过车头的视觉相机获取隧道的全景图像，并通过基于灰度值特征和灯具形状特征的图像分割方法，检测灯具在整个全景图像中的位置，判断其分布在侧壁或者顶部的方位信息。
可选的，所述S3中，模型参数包括：底座转台的转角、每个液压曲臂的液压缸行程、清洁装置的旋转调整角度、电缸行程以及清洁毛刷到底座转台轴心的坐标关系；
估航迹推算算法的步骤为：
通过感知检测系统获取灯具在车辆前方的相对空间坐标；
计算车辆前方灯具与清洁装置毛刷顶部位置之间的坐标转换关系；根据系统当前状态的模型参数，包含转台轴心与视觉相机的相对坐标关系，以及转台转角、液压臂行程、清洁装置转角、电缸行程以及清洁毛刷安装距离参数计算得到的转台轴心与清洁装置中心的毛刷顶部位置直接的坐标关系；
根据坐标换算计算各个机械臂、电缸和转角6个自由度的控制参数，并由控制器控制执行；
控制过程中进行动态的反馈控制，不断计算当前坐标与控制坐标的偏差。
可选的，所述S4中，曲臂的控制器根据运动参数控制曲臂的位姿具体为：根据灯具目标坐标和清洁装置处毛刷的坐标，通过逆运动学计算各个自由度的控制参数，动态计算下一阶段的控制目标值，控制目标值包括转台角度、三个液压臂的液压缸行程、电缸行程和清洁装置转角；分别控制液压阀和电缸驱动器，按照计算得到的各自由度的控制目标值参数完成位姿控制。
可选的，所述S4中，最高速度为20km/h。
可选的，所述S4中，将作业装置控制调整至接近对象50cm的位置。
可选的，所述S5中，安全阈值为6m。
本发明的有益效果在于：本发明可随车载平台行走过程中依次对隧道灯具进行清洁，清洁效果好，清洁效率高，对隧道环境无污染，降低了人工劳动量，并避免了人工登高作业造成的安全隐患。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为隧道灯具专用清洁机器人系统示意图；
图2为隧道灯具清洗设备示意图；
图3为驾驶室操作台面；
图4为清洁作业状态页面；
图5为作业管理界面；
图6为转台操作台面；
图7为转台触屏显示。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1～图2所示，用于隧道灯具的全自动清洗方法，包括以下步骤：
用于隧道灯具的全自动清洗方法，该方法包括以下步骤：
S1：人工驾驶；按照设定的工作档位，驾驶车辆不超过设定的最高速度行驶；
工作档位：除了正常的驾驶档位以外，新增一个作业档位，进行清洁作业的时候，需要将车辆档位挂上作业档位，行车速度可保持在2km/h，且其速度还可以通过PTO调节按钮增速调节，实现从2-5km/h的速度范围调节。
S2：感知检测系统识别隧道顶部或侧壁的灯具分布状况，进而控制伺服云台并检测驾驶车辆空间的坐标信息、获取车辆的行驶速度；
感知检测系统的识别过程：感知检测系统包含视觉相机、激光雷达以及超声测距传感器。车身高度约1.2m位置安装有超声测距传感器，可以获取车身与隧道壁之间的距离，结合车辆速度传感器确定车辆在隧道长度方向上面的行驶里程，从而可以判断车身在隧道空间的坐标。隧道灯具的分布状况则通过车头的视觉相机获取隧道的全景图像，并通过基于灰度值特征和灯具形状特征的图像分割方法，检测灯具在整个全景图像中位置，以此判断其分布在侧壁或者顶部等方位信息。
S3：计算机根据检测驾驶车辆空间的坐标信息和车辆的行驶速度，结合升降台、折叠曲臂和末端执行机构模型参数，通过估航迹推算算法，获取机械臂的运动参数，输出给折叠曲臂的控制器；
模型参数包含：底座转台的转角、每个液压曲臂的液压缸行程、清洁装置的旋转调整角度、电缸行程以及清洁毛刷到底座转台轴心的坐标关系。
推算算法的步骤：
通过检测系统获取灯具在车辆前方的相对空间坐标(x，y，z)；
计算车辆前方灯具与清洁装置毛刷顶部位置之间的坐标转换关系矩阵D。根据系统当前状态的模型参数，包含上述转台轴心与视觉相机的相对坐标关系矩阵D，以及转台转角θ、液压臂行程(L1、L2、L3)、清洁装置转角β、电缸行程S以及清洁毛刷安装距离LS等参数计算得到的转台轴心坐标WO与清洁装置中心的毛刷顶部位置Wms之间的坐标关系矩阵M；
Wms＝WoD
根据坐标换算计算各个机械臂、电缸和转角等上述6个自由度的控制参数，并由控制器控制执行；
控制过程中进行动态的反馈控制，不断计算当前坐标与控制坐标的偏差。
S4：曲臂的控制器根据运动参数控制曲臂的位姿，将作业装置控制调整至接近对象的位置，完成自动养护作业或者检测；
控制曲臂的位姿方式：根据上述灯具目标坐标和清洁装置处毛刷的坐标Wms，通过逆运动学计算各个自由度的控制参数，动态计算下一阶段的控制目标值(转台角度θz、三个液压臂的液压缸行程(Lz1、Lz2、Lz3)、电缸行程S、清洁装置转角β)。控制参数由下述方法计算。
Figure BDA0002720632420000051
由上述计算得到各关节控制参数后，分别控制液压阀和电缸驱动器，按照上述计算得到的各自由度的控制目标值参数完成位姿控制。
S4中，最高速度为20km/h。
S4中，将作业装置控制调整至接近对象50cm的位置。
S5：行驶过程中由避障检测系统检测隧道前方障碍物，超过安全阈值时，通过声光报警提示驾驶员停止车辆，并启动避障控制程序，实施避障操作；
安全阈值：可以根据行车速度进行设置，目前设置为6m。
S6：系统自动对作业前后的结果在人机界面上进行动态展示，并自动出具养护作业数据报告。
如图3～图7所示，作业养护数据报告的形成如下：
(一)交互信息规划
1、基础信息
确定清洗隧道的基础信息，包含信息如下表所示：
序号 信息类型 示例
1 隧道名称 XX省XX高速公路XX隧道
2 行车方向 重庆-成都方向
3 桩号 2k23+320
灯具位置 顶灯、侧面灯
2、作业状态信息
灯具识别图像动态窗口、灯具坐标信息(x、y、z)、清洁装置与灯具的距离、清洁状态、举升臂监控视频信息
3、清洗结果数据
清洗灯具数量、清洗隧道长度、工作完成度、灯具损坏数量等
(二)人机交互的界面
2.1操作界面分类
整个的操作界面可以分为三部分，驾驶室为触屏界面和操作面板，车身操作平台上面则为操作观察显示屏。
1)操作面板
启动/结束操作：接通所有传感器电源，启动控制器程序，各液压系统处于待工作状态。结束时则切断传感器电源，启动控制器复原程序，系统恢复至未工作的初始状态。
急停操作：遇紧急情况操作，使得所有部件保持原状态不变
变速操作：控制变换车速
避障/复原操作：检测前方有障碍物时，按下避障按钮，液压系统控制举升臂下降至设定的安全高度范围，并以声光提示。复原时，则起到复原程序将其恢复至原工作状态。
发电机可以通过触屏进行操作控制，初识状态为液压臂各状态为不工作状态，所有臂完全缩回，转台复原。维护为更换毛刷的姿态。
2)触屏界面
驾驶室的触屏界面主要由驾驶员进行操作和交互信息，包含：车身举升臂的工作状态监控视频、车身行驶轨迹偏离信息显示、作业状态信息、基础信息和作业结果信息。
触屏界面分为两个页面：灯具清洁状态、作业管理。
3)车身观察界面
车身观察面板的核心作用是观察清洁装置是否与灯具完整的接触。由于在操作台上面进行操作时，操作人员无法完全依靠眼睛确定顶部清洁装置与灯具的接触情况，因此需要通过显示界面上的传感器信息，判断清洁装置与灯具至合适的位置。然后系统末端的电缸会根据设定距离，自动进行调整控制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：人工驾驶；按照设定的工作档位，驾驶车辆不超过设定的最高速度行驶；
S2：感知检测系统识别隧道顶部或侧壁的灯具分布状况，进而控制伺服云台并检测驾驶车辆空间的坐标信息、获取车辆的行驶速度；
S3：计算机根据检测驾驶车辆空间的坐标信息和车辆的行驶速度，结合升降台、折叠曲臂和末端执行机构模型参数，通过估航迹推算算法，获取机械臂的运动参数，输出给折叠曲臂的控制器；
S4：曲臂的控制器根据运动参数控制曲臂的位姿，将作业装置控制调整至接近对象的位置，完成自动养护作业或者检测；
S5：行驶过程中由避障检测系统检测隧道前方障碍物，超过安全阈值时，通过声光报警提示驾驶员停止车辆，并启动避障控制程序，实施避障操作；
S6：系统自动对作业前后的结果在人机界面上进行动态展示，并自动出具养护作业数据报告。
2.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述工作档位为：除驾驶档位外，还设有一个作业档位；当清洁作业时，行车速度保持在2km/h，且速度还通过取力器开关PTO增速调节，实现从2-5km/h的速度范围调节。
3.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述感知检测系统包括视觉相机、激光雷达和超声测距传感器；
车身高度1.2m处安装有超声测距传感器，用于获取车身与隧道壁之间的距离，结合车辆速度传感器确定车辆在隧道长度方向上面的行驶里程，从而判断车身在隧道空间的坐标；
则通过车头的视觉相机获取隧道的全景图像，并通过基于灰度值特征和灯具形状特征的图像分割方法，检测灯具在整个全景图像中的位置，判断其分布在侧壁或者顶部的方位信息。
4.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述S3中，模型参数包括：底座转台的转角、每个液压曲臂的液压缸行程、清洁装置的旋转调整角度、电缸行程以及清洁毛刷到底座转台轴心的坐标关系；
估航迹推算算法的步骤为：
通过感知检测系统获取灯具在车辆前方的相对空间坐标；
计算车辆前方灯具与清洁装置毛刷顶部位置之间的坐标转换关系；根据系统当前状态的模型参数，包含转台轴心与视觉相机的相对坐标关系，以及转台转角、液压臂行程、清洁装置转角、电缸行程以及清洁毛刷安装距离参数计算得到的转台轴心与清洁装置中心的毛刷顶部位置直接的坐标关系；
根据坐标换算计算各个机械臂、电缸和转角6个自由度的控制参数，并由控制器控制执行；
控制过程中进行动态的反馈控制，不断计算当前坐标与控制坐标的偏差。
5.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述S4中，曲臂的控制器根据运动参数控制曲臂的位姿具体为：根据灯具目标坐标和清洁装置处毛刷的坐标，通过逆运动学计算各个自由度的控制参数，动态计算下一阶段的控制目标值，控制目标值包括转台角度、三个液压臂的液压缸行程、电缸行程和清洁装置转角；分别控制液压阀和电缸驱动器，按照计算得到的各自由度的控制目标值参数完成位姿控制。
6.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述S4中，最高速度为20km/h。
7.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述S4中，将作业装置控制调整至接近对象50cm的位置。
8.根据权利要求1所述的用于隧道灯具的全自动清洗方法，其特征在于：所述S5中，安全阈值为6m。
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