CN113863195B - 沿边清扫方法以及清扫车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沿边清扫方法以及清扫车，首先根据清扫任务以及车身尺寸，规划出清扫车的沿边清扫路径并控制清扫车沿边行驶，通过测距模块获取清扫车与路沿之间的距离d；其次通过定位模块获取清扫车的定位信息并根据定位信息计算得到清扫车的航向角a₀以及扫盘位置信息；根据扫盘位置信息，从高精度地图中获取扫盘中心位置所对应的路沿点坐标信息并得到路沿方向角β；计算航向角a₀与路沿方向角β之间的第一角度差Δγ₀；最后根据d和Δγ₀控制清扫车和扫盘动作。本发明将清扫车和扫盘的控制结合起来，既避免了与路沿发生碰撞，又提高了清扫效果，在路沿转弯处效果尤为明显，提高了清扫质量，通用性好。

Description

沿边清扫方法以及清扫车

技术领域

本发明涉及环卫设备领域，具体地，涉及一种沿边清扫方法以及清扫车。

背景技术

清扫车(又称扫地车或扫路车)由于具有作业效率高、清扫效果好、节省人力、节约成本等优点，被广泛用于道路、厂区、景区等场地的清洁作业。目前市面上的清扫车大多是人工驾驶，但未来随着人口老龄化的加剧，环卫人力资源愈发短缺，因此发展无人驾驶清扫车迫在眉睫。

道路两侧的路沿(或路牙)通常聚集了较多的垃圾，因此是清扫车的重要工作区域，也是清扫工作的难点。清扫车需要与路沿保持合适的距离：如果清扫车距离路沿过近，那么清扫车的扫盘会与路沿发生碰撞，严重时扫盘会被损坏而无法工作；如果清扫车距离路沿过远，那么扫盘无法够到路沿对其进行清扫，清扫效果大打折扣。因此，将清扫车及其扫盘与路沿之间的距离保持在合适的位置，是保证清扫效果又避免碰撞的关键。对于长直路沿或走向变化缓慢的路沿，距离保持较为容易；但当路沿走向突变或变化较大时，保持合适的距离就比较困难了。提高无人驾驶清扫车在全场景下的沿边清扫能力，是其大规模应用的前提。

专利CN111474946B公开了一种机器人沿边清扫方法，首先利用提出的边沿检测方法从多个线段集合中筛选出待测环境边沿的目标线段集合，然后向机器人一侧对所述目标线段集合中的拟合线段平行偏置预设距离，得到目标路径，最后按照所述目标路径，控制机器人执行目标任务。该专利着重在边沿检测方法上，至于沿边清扫方法，只是粗略地说明要预设距离、得到目标路径，然后执行该目标路径，而没有详细的执行方法和步骤。同时，可以看到，该方法关注的只是清扫车与边沿的距离，不涉及对扫盘的控制。

专利CN202010573662公开了一种无人驾驶清扫车贴边清扫方法，包括：高精度地图创建与作业区域类型划分；由高精度地图内的虚拟墙技术触发清扫车开启贴边清扫模式，规划贴边清扫路径；贴边清扫的过程中，通过传感器不断进行位置矫正与行走偏差矫正，并不断进行贴边清扫效果评估与局部路径修正；在清扫过程中同时进行贴边作业安全保证的操作。该方法仍然只关注清扫车与边沿之间距离的调节，不涉及对扫盘的控制。

专利CN202110193498公开了一种沿边清扫方法，包括：根据所述清扫车的位置信息和预设路线图，确定所述清扫车的清扫起点和清扫方向；根据所述清扫起点，在所述预设路线图中计算路线参考线；根据所述清扫方向，将所述路线参考线上的路线节点进行偏移，获得路沿参考线；根据所述路沿、所述路沿参考线和所述路线参考线，修正所述路线参考线，且将所述修正后的路线参考线作为行驶参考线；根据所述行驶参考线对所述路沿及周边区域进行清扫。同样地，该方法只关注清扫车与路沿的距离，不涉及对扫盘的控制。

专利CN201910906015公开了一种清扫车沿边清扫方法，包括：获取清扫车与路沿的距离信息；根据获取的距离信息控制清扫车的行进方向，使清扫车辆与路沿的距离保持在预设范围内。该方法还包括，在所述距离信息小于所述预设范围时，控制清扫车的清扫装置调整位置。该专利仍然重点关注将清扫车与路沿的距离保持在合适范围内，虽然提到了对清扫装置的控制，但一方面只是简要提及，缺乏对细节的描述，没有指出向哪个方向控制以及如何控制，可实施性低，另一方面只说明了在距离信息小于预设范围时对清扫装置进行控制，没有描述当距离信息大于预设范围时如何操作。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种沿边清扫方法以及清扫车。

根据本发明提供的一种沿边清扫方法，包括如下步骤：

S1:根据清扫任务以及车身尺寸，规划出清扫车的沿边清扫路径并控制清扫车沿着所述沿边清扫路径行驶；

S2:通过测距模块获取清扫车与路沿之间的距离d；

S3:通过定位模块获取清扫车的定位信息并根据所述定位信息计算得到清扫车的航向角a₀以及扫盘位置信息；

S4:根据所述扫盘位置信息，从高精度地图中获取扫盘中心位置所对应的路沿点坐标信息，并根据所述路沿点坐标信息计算得到路沿方向角β；

S5:计算所述航向角a₀与所述路沿方向角β之间的第一角度差Δγ₀＝α₀-β；

S6:根据所述距离d和所述第一角度差Δγ₀，控制清扫车和扫盘动作进而能够使扫盘朝向路沿的一侧始终接触路沿。

优选地，所述S1具体为：

当处于长直路沿或内弯路沿环境下时，所述沿边清扫路径与路沿之间保持第一预设距离D^*；

当处于外弯路沿环境下时，所述沿边清扫路径在路沿的转弯处与路沿之间具有转弯距离d_S，所述转弯距离d_S大于所述第一预设距离D^*。

优选地，所述S4具体为：

从扫盘中心点向路沿作垂线得到垂点，取所述垂点前方第二预设距离D_C处的路沿点为前路沿点，所述前路沿点的坐标为(x_f,y_f)，取所述垂点后方第二预设距离D_C处的路沿点为后路沿点，所述后路沿点的坐标为(x_r,y_r)，则所述路沿方向角β＝arctan[(y_f-y_r)/(x_f-x_r)]。

优选地，根据所述距离d和所述第一角度差Δγ₀，控制清扫车和扫盘动作，其中：

若所述距离d大于第三预设距离D_l且小于第四预设距离D_u，即D_l≤d≤D_u，且所述第一角度差Δγ₀大于第一预设角度差Δγ_l且大于第二预设角度差Δγ_u，即Δγ_l≤Δγ₀≤Δγ_u，则扫盘的摆出角保持为初始摆出角θ₀；

若所述距离d大于第三预设距离D_l且小于第四预设距离D_u，即D_l≤d≤D_u，而所述第一角度差Δγ₀小于第一预设角度差Δγ_l或大于第二预设角度差Δγ_u，即Δγ₀≤Δγ_l或Δγ₀≥Δγ_u，则控制清扫车改变行驶方向，通过调节航向角a₀使所述第一角度差Δγ₀落入[Δγ_l,Δγ_u]范围内；

若所述距离d大于第四预设距离D_u，即d≥D_u，表示遇到外弯路沿，则控制扫盘向外展开，增大摆出角至第一摆出角θ₁，所述第一摆出角θ₁大于所述初始摆出角θ₀；

若所述距离d小于第三预设距离D_l，即d≤D_l，表示遇到内弯路沿，则控制扫盘向内收回，减小摆出角至第二摆出角θ₂，所述第二摆出角θ₂小于所述初始摆出角θ₀。

优选地，所述第三预设距离D_l和第四预设距离D_u为：

D_l＝D^*-ΔD_sh，D_u＝D^*+ΔD_sh，

其中，D^*是第一预设距离，ΔD_sh是距离阈值，ΔD_sh>0。

优选地，所述第一预设角度差Δγ_l和第二预设角度差Δγ_u为：

Δγ＝-Δγ_sh，Δγ_u＝Δγ_sh，其中Δγ_sh是角度差阈值，Δγ_sh>0。

优选地，所述第一摆出角θ₁和第二摆出角θ₂的计算方法为：

考虑扫盘控制的响应时间t_d，计算清扫车的修正航向角α；

所述修正航向角α与所述路沿方向角β之间的第二角度差Δγ＝α-β，对于外弯路沿，Δγ>0，对于内弯路沿，Δγ<0；

根据如下公式计算得到第一摆出角θ₁或第二摆出角θ₂：

其中R为扫盘半径，L_m为扫盘臂长度。

优选地，所述修正航向角α采用如下公式：

α＝α₀+vt_d tanδ/L_wb，

其中，α₀为所述初始航向角，v为清扫车的速度，δ为清扫车的转向角，L_wb为清扫车的轴距。

根据本发明提供的一种清扫车，包括：

定位模块，用于获取所述清扫车的定位信息；

存储模块，用于存储高精度地图；

测距模块，用于测量所述清扫车与路沿之间的距离；

规划模块，用于规划所述清扫车的沿边清扫路径；

控制模块，执行所述沿边清扫方法，控制所述清扫车和所述扫盘的动作。

优选地，所述测距模块采用激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达或相机；

所述扫盘能够在设定范围内调节摆出角度从而匹配所述清扫车的清扫宽度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明改进了现有技术中只调整清扫车与路沿之间距离的沿边清扫策略，改为将清扫车的控制和扫盘的控制结合起来，既避免了与路沿发生碰撞，又提高了清扫效果，在路沿转弯处效果尤为明显，解决了路沿走向突变或变化较大时扫盘与路沿保持合适距离的问题，提高了无人驾驶清扫车在全场景下的沿边清扫能力，为无人驾驶清扫车大规模应用提供了一种切实可行的方案。

2、本发明在面对长直路沿时，清扫车与路沿保持一定合适的距离，扫盘摆出一定合适的角度，使扫盘贴着路沿清扫；在遇到外弯路沿时，清扫车不急转弯而是沿着一定弧度缓慢转向，清扫车与路沿转弯处之间的距离比长直路沿段更长，从而避免与路沿发生碰撞，同时清扫车的扫盘向外摆出，始终贴着路沿工作，从而避免漏扫；在遇到内弯路沿时，扫盘向内收回到紧贴路沿的位置，从而避免扫盘与路沿发生碰撞。

3、本发明能够提高清扫质量，通用性好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明所提供的沿边清扫方法的流程图；

图2是路沿方向角β的计算原理图；

图3是遇到外弯路沿、扫盘向外展开时，第一摆出角θ₁的计算原理图；

图4是遇到内弯路沿、扫盘向内收回时，第二摆出角θ₂的计算原理图；

图5是修正航向角α的计算原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种沿边清扫方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1:根据清扫任务以及车身尺寸，规划出清扫车的沿边清扫路径并控制清扫车沿着沿边清扫路径行驶，具体为：当处于长直路沿或内弯路沿环境下时，沿边清扫路径与路沿之间保持第一预设距离D^*；当处于外弯路沿环境下时，沿边清扫路径在路沿的转弯处与路沿之间具有转弯距离d_S，其中，转弯距离d_S大于第一预设距离D^*。

S2:通过测距模块获取清扫车与路沿之间的距离d，测距模块可采用激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达或相机等；

S3:通过定位模块获取清扫车的定位信息并根据所述定位信息计算得到清扫车的航向角a₀以及扫盘位置信息，其中，定位模块可采用GPS(全球定位系统)、IMU(惯性传感单元)、视觉里程计等，定位信息包括清扫车的定位坐标(x、y)；

S4:根据所述扫盘位置信息，从高精度地图中获取扫盘中心位置所对应的路沿点坐标信息，并根据所述路沿点坐标信息计算得到路沿方向角β，其中，高精度地图为加入了许多语义信息(例如车道线、红绿灯)的地图；具体为：

从扫盘中心点向路沿作垂线得到垂点，取所述垂点前方第二预设距离D_C处的路沿点为前路沿点，前路沿点的坐标为(x_f,y_r)，取所述垂点后方第二预设距离D_C处的路沿点为后路沿点，后路沿点的坐标为(x_r,y_r)，则所述路沿方向角β＝arctan[(y_f-y_r)/(x_f-x_r)]。

S5:计算所述航向角a₀与所述路沿方向角β之间的第一角度差Δγ₀＝α₀-β；

S6:根据距离d和所述第一角度差Δγ₀，控制清扫车和扫盘动作进而能够使扫盘朝向路沿的一侧始终接触路沿，具体地：

若所述距离d大于第三预设距离D_l且小于第四预设距离D_u，即D_l≤d≤D_u，且所述第一角度差Δγ₀大于第一预设角度差Δγ_l且大于第二预设角度差Δγ_u，即Δγ_l≤Δγ₀≤Δγ_u，则扫盘的摆出角保持为初始摆出角θ₀；

若所述距离d大于第三预设距离D_l且小于第四预设距离D_u，即D_l≤d≤D_u，而所述第一角度差Δγ₀小于第一预设角度差Δγ_l或大于第二预设角度差Δγ_u，即Δγ₀≤Δγ_l或Δγ₀≥Δγ_u，则控制清扫车改变行驶方向，通过调节航向角a₀使所述第一角度差Δγ₀落入[Δγ_l,Δγ_u]范围内；

若所述距离d大于第四预设距离D_u，即d≥D_u，表示遇到外弯路沿，则控制扫盘向外展开，增大摆出角至第一摆出角θ₁，所述第一摆出角θ₁大于所述初始摆出角θ₀；

若所述距离d小于第三预设距离D_l，即d≤D_l，表示遇到内弯路沿，则控制扫盘向内收回，减小摆出角至第二摆出角θ₂，所述第二摆出角θ₂小于所述初始摆出角θ₀。

进一步地，第三预设距离D_l和第四预设距离D_u分别为：

D_l＝D^*-ΔD_sh，D_u＝D^*+ΔD_sh，

其中，D^*是第一预设距离，ΔD_sh是距离阈值，ΔD_sh>0。

第一预设角度差Δγ_l和第二预设角度差Δγ_u为：

Δγ＝-Δγ_sh，Δγ_u＝Δγ_sh，其中Δγ_sh是角度差阈值，Δγ_sh>0。

需要说明的是，车辆在行驶过程中受到外界干扰，会不可避免地产生轻微抖动。当车辆抖动时，测得的距离d也会抖动，如果不设置距离阈值(即ΔD_sh＝0,D_l＝D_u＝D^*)，那么d将一会儿大于D^*、一会儿小于D^*，造成扫盘频繁误动作，不利于控制的稳定性。角度差阈值的作用同理，都是为了防止扫盘因抖动而频繁误动作。

第一摆出角θ₁和第二摆出角θ₂的计算方法为：

考虑扫盘控制的响应时间t_d，计算清扫车的修正航向角α；

修正航向角α与路沿方向角β之间的第二角度差Δγ＝α-β，对于外弯路沿，Δγ>0，对于内弯路沿，Δγ<0；

根据如下公式计算得到第一摆出角θ₁或第二摆出角θ₂：

其中R为扫盘半径，L_m为扫盘臂长度。

修正航向角α采用如下公式：

α＝α₀+vt_d tanδ/L_wb，

其中，α₀为初始航向角，v为清扫车的速度，δ为清扫车的转向角，L_wb为清扫车的轴距。

本发明还提供了一种清扫车，包括定位模块、存储模块、测距模块、规划模块以及控制模块，其中：

定位模块，用于获取所述清扫车的定位信息；

存储模块，用于存储高精度地图；

测距模块，用于测量所述清扫车与路沿之间的距离；

规划模块，用于规划所述清扫车的沿边清扫路径；

控制模块，执行本发明中的沿边清扫方法，控制清扫车和扫盘的动作，在实际应用中，在控制模块的控制下，扫盘能够在设定范围内调节摆出角度从而匹配清扫车的清扫宽度，实现各种清扫环境下的清扫任务。

本发明中部分参数的计算原理如下：

图2是路沿方向角β的计算原理图。其中点C是扫盘中心点，点B是从点C向路沿作垂线得到的垂点(垂点也是一个路沿点；若扫盘与路沿相切，则切点即为所述垂点)，点E是点B前方距离点B第二预设距离D_C的路沿点，其坐标为(x_f,y_f)，点F是点B后方距离点B第二预设距离D_C的路沿点，其坐标为(x_r,y_r)，显然，路沿方向角β＝arctan[(y_f-y_r)/(x_f-x_r)]。

图3是第一摆出角θ₁的计算原理图。其中，虚线圆圈对应扫盘初始位置，具有初始摆出角θ₀；黑色实线圆圈对应扫盘展开位置，具有第一摆出角θ₁，扫盘边缘与路沿相切。OA是清扫车距离路沿的长度，OA⊥AB，OA＝d；OC是扫盘臂的长度，OC＝L_m；BC是扫盘臂的半径，BC⊥AB，OC＝R；Δγ是清扫车航向角α与路沿方向角β之间的差值，从图中的几何关系易知Δγ＝∠AOx。显然，第一摆出角

即

图4是第二摆出角θ₂的计算原理图。其中，虚线圆圈对应扫盘初始位置，具有初始摆出角θ₀；黑色实线圆圈对应扫盘收回位置，具有第二摆出角θ₂，扫盘边缘与路沿相切。图中各符号的物理意义与图2基本相同，除了此时Δγ<0，因此∠AOx＝-Δγ。显然，第二摆出角

即

上述两个式子可以统一写成一个：

图5是修正航向角α的计算原理图。其中，AB是清扫车的轴距，AB＝L_wb；OA是清扫车的转弯半径；δ是清扫车的转向角；Δα是清扫车航向角的变化量。易知OA＝AB/tanδ＝L_wb/tanδ，

为清扫车行驶的距离，则

因此

α＝α₀+Δα＝α₀+vt_d tanδ/L_wb

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种沿边清扫方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:根据清扫任务以及车身尺寸，规划出清扫车的沿边清扫路径并控制清扫车沿着所述沿边清扫路径行驶；当处于长直路沿或内弯路沿环境下时，所述沿边清扫路径与路沿之间保持第一预设距离，当处于外弯路沿环境下时，所述沿边清扫路径在路沿的转弯处与路沿之间具有转弯距离，所述转弯距离大于所述第一预设距离；

S2:通过测距模块获取清扫车与路沿之间的距离；

S3:通过定位模块获取清扫车的定位信息并根据所述定位信息计算得到清扫车的航向角以及扫盘位置信息；

S4:根据所述扫盘位置信息，从高精度地图中获取扫盘中心位置所对应的路沿点坐标信息，并根据所述路沿点坐标信息计算得到路沿方向角；从扫盘中心点向路沿作垂线得到垂点，取所述垂点前方第二预设距离处的路沿点为前路沿点，所述前路沿点的坐标为，取所述垂点后方第二预设距离处的路沿点为后路沿点，所述后路沿点的坐标为，则所述路沿方向角；

S5:计算所述航向角与所述路沿方向角之间的第一角度差；

S6:根据所述距离和所述第一角度差，控制清扫车和扫盘动作进而能够使扫盘朝向路沿的一侧始终接触路沿，其中：

根据所述距离和所述第一角度差，控制清扫车和扫盘动作，其中：

若所述距离大于或等于第三预设距离且小于或等于第四预设距离，即，且所述第一角度差大于或等于第一预设角度差且小于或等于第二预设角度差，即，则扫盘的摆出角保持为初始摆出角；

若所述距离大于或等于第三预设距离且小于或等于第四预设距离，即，而所述第一角度差小于或等于第一预设角度差或大于或等于第二预设角度差，即或，则控制清扫车改变行驶方向，通过调节航向角使所述第一角度差落入范围内；

若所述距离大于或等于第四预设距离，即，表示遇到外弯路沿，则控制扫盘向外展开，增大摆出角至第一摆出角，所述第一摆出角大于所述初始摆出角；

若所述距离小于或等于第三预设距离，即，表示遇到内弯路沿，则控制扫盘向内收回，减小摆出角至第二摆出角，所述第二摆出角小于所述初始摆出角；

所述第一摆出角和第二摆出角的计算方法为：考虑扫盘控制的响应时间，计算清扫车的修正航向角；

所述修正航向角与所述路沿方向角之间的第二角度差，对于外弯路沿，，对于内弯路沿，；

根据如下公式计算得到第一摆出角或第二摆出角：

，其中，为扫盘半径，为扫盘臂长度；

所述第三预设距离和第四预设距离为：

，，其中，是第一预设距离，是距离阈值，；

所述第一预设角度差和第二预设角度差为：

，，其中，是角度差阈值，；

所述修正航向角采用如下公式：，其中，为所述初始航向角，为清扫车的速度，为清扫车的转向角，为清扫车的轴距。

2.根据权利要求1所述的沿边清扫方法，其特征在于，所述测距模块采用激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达或相机；

所述扫盘能够在设定范围内调节摆出角度从而匹配所述清扫车的清扫宽度。

3.一种清扫车，其特征在于，包括：

定位模块，用于获取所述清扫车的定位信息；

存储模块，用于存储高精度地图；

测距模块，用于测量所述清扫车与路沿之间的距离；

规划模块，用于规划所述清扫车的沿边清扫路径；

控制模块，执行所述权利要求1所述沿边清扫方法，控制所述清扫车和所述扫盘的动作。

4.根据权利要求3所述的清扫车，其特征在于，所述测距模块采用激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达或相机；

所述扫盘能够在设定范围内调节摆出角度从而匹配所述清扫车的清扫宽度。

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