CN115847408A - 一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法。该方法包括运维机器人行驶至临近光伏面板，机械臂伸展并带动所述清扫机构置于光伏面板的上方；多个测距激光传感器分别测量到光伏面板的多个测量距离值，运维机器人基于对多个所述测量距离值计算，调整控制所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行；激光扫描雷达对光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据，运维机器人利用三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面清扫。该方法能够准确识别光伏面板，并根据光伏面板的结构和布设特点，智能调整位姿，实现准确、安全和可靠的清扫工作。

Description

一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法。

背景技术

独立运行的运维机器人在对光伏面板清扫时，难以做到自动化的定位运行和智能化的操作控制，因此不能适应光伏面板多样化设置的应用场景。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法，解决运维机器人准确识别光伏面板，并能够根据光伏面板的结构和布设特点，智能调整位姿，实现准确、安全和可靠的清扫工作。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法，所述运维机器人包括设置在机械臂末端的激光扫描雷达，以及在所述机械臂末端设置有清扫机构，清扫机构设置有多个测距激光传感器，该方法包括以下步骤：

运维机器人行驶至临近光伏面板，所述机械臂伸展并带动所述清扫机构置于所述光伏面板的上方；

多个所述测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的多个测量距离值，所述运维机器人基于对多个所述测量距离值计算，调整控制所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行；

所述激光扫描雷达对所述光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据，所述运维机器人利用所述三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面准备清扫。

可选的，在所述清洗机器人行驶至临近光伏面板之前，所述清洗机器人通过RTK定位、行走里程计和/或IMU惯导仪，分别测量和计算比较，确定运维机器人的位置。

可选的，所述清洗机器人通过RTK定位的方法包括：

光伏电场的四周安装有RTK基站，在运维机器人的移动底盘上安装有差分定位器，所述差分定位器与各个RTK基站进行无线测距；RTK基站为J₁、J₂、J₃、J₄，差分定位器为P₁(x,y)，选取其中距离差分定位器最近的2个基站J₁、J₂，通过RTK测量反馈差分定位器与基站的距离：差分定位器P₁(x,y)与基站J₁的距离为l₁，与基站J₂的距离为l₂，基站J₁、J₂的距离为l₀；则有第一夹角θ₁和第二夹角θ₂分别满足：cosθ₁＝(l₀ ²+l₁ ²-l₂ ²)/2l₀l₁，cosθ₂＝(l₀ ²+l₂ ²-l₁ ²)/2l₀l₂，运维机器人的定位坐标也以P₁(x,y)来表示，则有：x＝l₁cosθ₁，y＝l₁sinθ₁，由此计算出起始点为基站J₁所在位置时，运维机器人的动态位置P₁(x,y)。

可选的，所述测距激光传感器有4个，即M1、M2、M3、M4，固定设置在所述清扫机构上，4个测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的垂直距离，对应相当于到光伏面板上4个垂直投影点T1、T2、T3、T4的垂直距离；机械臂末端M0相对于清扫机构固定不变，作为参考点，由4个垂直投影点T1、T2、T3、T4中任意三个投影点分别组成4个投影平面，即第一投影面T1T2T3、第二投影面T1T2T4、第三投影面T2T3T4、第四投影面T1T3T4，分别计算机械臂末端M0到这4个投影面的投影距离，然后对这4个投影距离求平均值，获得机械臂末端M0到光伏面板的距离。

可选的，根据4个测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的垂直距离，对清扫机构的姿态进行调整，然后再多次测量这4个垂直距离，以及对应再多次调整清扫机构的姿态，直至这4个垂直距离趋近相等，则所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行。

可选的，所述获得面板三维点云数据的方法包括：在获得面板三维点云数据之后，对面板三维点云数据进行预处理，通过设定相邻点云之间的空间阈值，则把明显大于该阈值的点云排除，获得光伏面板整体点云集合PM。

可选的，识别所述光伏面板的平面的方法包括：

从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次平面子集PM(1)；然后，从所述光伏面板整体点云集合PM中选取到所述第一次平面子集PM(1)的距离小于设定阈值的点云，则认为这些点云有效，与第一次平面子集PM(1)中的点云组合在一起，得到校正平面子集；进一步对所述校正平面子集范围内的点云求平均，拟合出第二平面子集，如果第二平面子集中的点云数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则把第一次平面子集PM(1)中点云更新为第二平面子集中的点云；

从所述光伏面板整体点云集合PM中第二次随机取出拟合的第二次平面子集PM(2)，并对第二次平面子集PM(2)进行校正；

若第二次平面子集PM(2)中点云的数量等于或小于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则以第一次平面子集PM(1)为最终的光伏面板的平面点云集合；

若第二次平面子集PM(2)中点云的数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则继续从所述光伏面板整体点云集合PM中第三次随机取出拟合的第三次平面子集PM(3)并校正，直至获得的第n次平面子集PM(n)中的点云数量不再增加为止，则以第n次平面子集PM(n)为最终的光伏面板的平面点云集合，n大于或等于3。

可选的，识别所述光伏面板的边线的方法包括：

从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次边线子集PX(1)；然后，从所述光伏面板整体点云集合中选取到所述第一次边线子集PX(1)的距离小于设定阈值的点云，则认为这些点云有效，与第一次边线子集PX(1)中的点云组合在一起，得到校正边线子集；进一步对所述校正边线子集范围内的点云求平均，拟合出第二边线子集，如果第二边线子集中的点云数量大于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则把第一次边线子集PX(1)中点云更新为第二边线子集中的点云；

从所述光伏面板整体点云集合PM中第二次随机取出拟合的第二次边线子集PX(2)，并对第二次边线子集PX(2)进行校正；

若第二次边线子集PX(2)中点云的数量等于或小于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则以第一次边线子集PX(1)为最终的光伏面板的边线点云集合；

若第二次边线子集PX(2)中点云的数量大于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则继续从所述光伏面板整体点云集合PM中第三次随机取出拟合的第三次边线子集PX(3)并校正，直至获得的第n次边线子集PX(n)中的点云数量不再增加为止，则以第n次边线子集PX(n)为最终的光伏面板的边线点云集合，n大于或等于3。

可选的，调控所述清扫机构的空间位置的方法包括：

在三维坐标轴中，X轴表示上下方向，Y轴表示左右方向，Z轴表示前后方向，也是运维机器人在清扫过程中前后运行的方向；在运维机器人行走清扫的过程中，沿Y轴的摇摆通过安装在机械臂与清扫机构之间的左右摇摆支撑轴，以及行走在面板上的支撑滚轮来自适应调整；沿Z轴的摇摆通过安装在机械臂与清扫机构之间的前后摇摆支撑轴，以及行走在面板上的支撑滚轮来自适应调整。

可选的，对于机械臂的末端点M₀(x₀,y₀)离光伏面板的距离建立在X轴和Y轴的二维平面上，末端点M₀(x₀,y₀)在该二维平面的运动模型来实时监测反馈闭环控制：即通过基摇摆臂、基摇摆臂末端与末端点M₀(x₀,y₀)连线的虚拟臂的联合运动分析来调整，包括：

基摇摆臂的长度为b₁，基摇摆臂的末端与机械臂的末端点M₀(x₀,y₀)连线的虚拟臂的长度为b₂；基摇摆臂与Y轴的夹角为θ₃，基摇摆臂与虚拟臂的夹角为θ₄，基摇摆臂的首端至M₀(x₀,y₀)连线与Y轴的夹角为θ₃₂，且有θ₃₁＝θ₃-θ₃₂。

进一步的，满足如下结构位置关系：

x₀ ²+y₀ ²＝b₁ ²+b₂ ²-2b₁b₂cos(180°-θ₄)，对应有：cosθ₄＝(x₀ ²+y₀ ²-b₁ ²-b₂ ²)/2b₁b₂

以及，还有tanθ₃₂＝x₀/(-y₀)，

根据上述结构位置关系，可以对运维机器人的机械臂的末端位姿进行反馈调整，保持清扫结构与光伏面板之间的姿态匹配。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法。该方法包括运维机器人行驶至临近光伏面板，所述机械臂伸展并带动所述清扫机构置于所述光伏面板的上方；多个测距激光传感器分别测量到光伏面板的多个测量距离值，运维机器人基于对多个所述测量距离值计算，调整控制所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行；激光扫描雷达对光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据，运维机器人利用三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面清扫。该方法能够准确识别光伏面板，并根据光伏面板的结构和布设特点，智能调整位姿，实现准确、安全和可靠的清扫工作。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的流程图；

图2是根据本发明一实施例的运维机器人运动RTK定位示意图；

图3是根据本发明一实施例的运维机器人运动里程计定位示意图；

图4是根据本发明一实施例的清扫机构激光测距调整示意图；

图5是根据本发明一实施例的光伏面板的三维点云示意图；

图6是根据本发明一实施例的光伏面板的平面点云示意图；

图7是根据本发明一实施例的光伏面板的平面点云的校正选取示意图；

图8是根据本发明一实施例的运维机器人的位姿调控运动模型；

图9是根据本发明一实施例的运维机器人的组成示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书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。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，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/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。

图1显示了本发明运维机器人的智能识别和调整位姿方法的实施例，该实施例中的运维机器人包括设置在机械臂末端的激光扫描雷达，以及在所述机械臂末端设置有清扫机构，清扫机构设置有多个测距激光传感器，该方法包括以下步骤：

步骤S1：运维机器人行驶至临近光伏面板，所述机械臂伸展并带动所述清扫机构置于所述光伏面板的上方；

步骤S2：多个所述测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的多个测量距离值，所述运维机器人基于对多个所述测量距离值计算，调整控制所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行；

步骤S3：所述激光扫描雷达对所述光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据，所述运维机器人利用所述三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面清扫。

可以看出，通过上述运行步骤，运维机器人可以自行运动到光伏面板的位置，这种运维机器人具有很强的自主行动灵活性，增强了其工作的区域范围。运维机器人基于机械臂的调控，在空间调整的自由度也更大，可以使得清扫机构能够适应多种倾斜角度、不同尺度大小的光伏面板。并且，通过测距激光传感器进行精准的距离测量和三维点云数据的采集处理，能够增强所述清扫机构与光伏面板结合的精准性和安全性。

可选的，在步骤S1之前，运维机器人为了行驶至临近光伏面板，除了通常需要给出光伏面板的卫星定位坐标之外，还需要给出更精准的位置定位与跟踪。其中，包括利用载波相位差分技术RTK(Real-timekinematic)进行差分定位，并及时刷新运维机器人在实际空间中的位置。

如图2所示，在光伏电场的四周安装有RTK基站，在运维机器人的移动底盘上安装有差分定位器，该差分定位器可以和各个RTK基站进行无线测距。设有RTK基站J₁、J₂、J₃、J₄，差分定位器为P₁(x,y)，选取其中差分定位器最近距离的2个基站J₁、J₂，通过RTK测量反馈的差分定位器与基站的距离：差分定位器P₁(x,y)与基站J₁的距离为l₁，与基站J₂的距离为l₂，基站J₁、J₂的距离为l₀，则有第一夹角θ₁满足和第二夹角θ₂分别满足：cosθ₁＝(l₀ ²+l₁ ²-l₂ ²)/2l₀l₁，cosθ₂＝(l₀ ²+l₂ ²-l₁ ²)/2l₀l₂，运维机器人的定位坐标也以P₁(x,y)来表示，则有：x＝l₁cosθ₁，y＝l₁sinθ₁，由此可以计算出起始点为基站J₁所在位置时，运维机器人的动态位置P₁(x,y)。

可选的，还包括控制运维机器人的运动轮的速度，得到底盘的运动里程计来控制底盘运动位置。如图3所示，其中，轮子到底盘中心的距离l₃，底盘中心圆弧运动的半径r₁，底盘中心线速度v₁，底盘中心角速度ω₁，左轮线速度和右轮线速度分别是：v₂、v₃。以地面作为平面，建立二维平面坐标系，则差速底盘系统存在三个自由度(x,y,θ)，其中，x为底盘的水平坐标，y为竖向坐标，θ为转角。

可选的，通过安装在底盘差速驱动伺服电机的编码器、运动时间可以读出并计算出左右两轮的线速度分别为：v₂、v₃；

在差速运动的过程中，两轮的角速度ω₁相同，即：ω₁＝v₂/(r₁-l₃)＝v₃/(r₁+l₃)，由此计算得到底盘中心圆弧运动半径r₁＝[(v₂+v₃)/(v₃-v₂)]l₃，底盘中心线速度v₁＝(v₂+v₃)/2。

通过底盘初始运动后，计算累计的运动里程得到实际底盘位置，即确定底盘中心的位置初始坐标点为P₂(x₀,y₀,θ₀)，则有：x₀＝r₁cosθ₀，y₀＝r₁sinθ₀

在每微小时间dt内，底盘运动的距离为Δx、Δy,底盘运动的角度变化为Δθ则有：Δx＝(v₁cosθ)dt，Δy＝(v₁sinθ)dt，Δθ＝ω₁dt。再通过积分，基于初始位置可以计算出底盘动态运动过程中的实时坐标P₂(x,y,θ)：x＝x₀+积分(Δx)；y＝y₀+积分(Δy)；θ＝θ₀+积分(Δθ)。

可选的，通过安装在移动底盘上的IMU惯导仪，动态测量底盘的实际位置P₃(x,y)。进一步的，通过上述RTK定位、行走里程计，以及IMU惯导仪进行融合使用，综合计算比较移动底盘通过RTK定位、里程计计算、IMU惯导仪确定运维机器人的位置，当RTK定位、里程计计算、IMU惯导仪分别测量的运维机器人的位置P₁(x,y)、P₂(x,y,θ)、P₃(x,y)的误差大于设定阈值(默认200mm)时报警。

由此，基于上述对运维机器人的运行控制，可以确保运维机器人能够准确到达需要清扫的光伏面板所在位置，即在所述运维机器人行驶至临近光伏面板之前，所述运维机器人识别所述光伏面板的三维空间位置，所述机械臂控制所述清洗机构运动至光伏面板的起始位置。

对于步骤S1，运维机器人行驶至临近光伏面板，所述机械臂伸展并带动所述清扫机构置于所述光伏面板的上方。可选的，由于光伏面板的倾斜角度可以调控，或者光伏面板有多种倾斜角度设置，这就需要清扫机构具有相同的倾斜角度，能够与光伏面板的表面平行，维持需要能够根据清扫机构与光伏面板的表面之间的相对位置，对清扫机构的角度朝向进行调控。

对于步骤S2，进一步如图4所示，所述测距激光传感器有4个，即M1、M2、M3、M4，固定设置在所述清扫机构上，例如清扫机构为矩形，分布在四个角部，若是圆形则可以均匀分布在圆周周边。对应的，在图4中，4个测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的垂直距离，对应相当于到光伏面板上4个垂直投影点T1、T2、T3、T4的垂直距离。由于机械臂末端M0相对于清扫机构固定不变，可以作为参考点。由4个垂直投影点T1、T2、T3、T4中任意三个投影点可以分别组成4个平面，即第一投影面T1T2T3、第二投影面T1T2T4、第三投影面T2T3T4、第四投影面T1T3T4，根据已有的机械臂末端M0与清扫机构的空间位置数据，以及测量距离分别计算机械臂末端M0到这4个投影面的投影距离，然后对这4个投影距离求平均值，就可以获得机械臂末端M0到光伏面板的距离。

进一步的，根据4个测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的垂直距离，对清扫机构的姿态进行调整，然后再次测量这4个垂直距离，以及进一步多次调整直至这4个垂直距离趋向接近相等，则表明清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行。

安装在清扫机构上的测距激光传感器及时反馈与光伏面板的距离，当距离偏离设定的阈值(如5mm)时，及时动态调整机械臂，保证清扫机能够接触到光伏面板，但不会压坏面板。

可选的，所述激光扫描雷达对所述光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据，所述运维机器人利用所述三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面准备清扫。

对于步骤S3，所述获得面板三维点云数据的方法包括：在所述激光扫描雷达对所述光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据之后，对面板三维点云数据进行预处理，通过设定相邻点云之间的空间阈值，例如默认8mm，则把明显大于该阈值的点云排除，剔除地面、其它面板、支架等不需要的点云，减少计算量并增强点云质量。

进一步的，还可以基于光伏面板的已知结构尺寸，设定光伏面板的整体结构阈值范围，光伏面板的整体结构接近为长方体，其中包括厚度阈值、行走宽度阈值和上下长度阈值。如图5所示，为光伏面板的示意图，其中厚度阈值F1取值范围可以是±8mm，行走宽度阈值F2取值范围可以是±1000mm,以及上下长度阈值F3取值范围可以是±3000mm。通过该光伏面板的整体结构阈值范围，可以对点云数据进行整体轮廓的设定，组成的长方体内的点云为有效点云储值，作为光伏面板整体点云集合PM，排除明显不在该区域范围的点云数据。

可选的，进一步识别所述光伏面板所在平面的方法包括：从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次平面子集PM(1)，如图6所示；然后，如图7所示，从所述光伏面板整体点云集合中选取到所述第一次平面子集PM(1)的距离小于设定阈值的点云，则认为这些点云有效，与第一次平面子集PM(1)中的点云组合在一起，得到校正平面子集；进一步对所述校正平面子集范围内的点云求平均，拟合出第二平面子集，如果第二平面子集中的点云数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则把第一次平面子集PM(1)中点云更新为第二平面子集中的点云。

可选的，进一步识别所述光伏面板所在平面的方法包括：从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次平面子集PM(1)，如图6所示；然后，如图7所示，从所述光伏面板整体点云集合中选取到所述第一次平面子集PM(1)的距离小于设定阈值QM的点云，则认为这些点云有效，与第一次平面子集PM(1)中的点云组合在一起，得到校正平面子集；进一步对所述校正平面子集范围内的点云求平均，拟合出第二平面子集QN，如果第二平面子集中的点云数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则把第一次平面子集PM(1)中点云更新为第二平面子集中的点云。

然后，从所述光伏面板整体点云集合PM中第二次随机取出拟合的第二次平面子集PM(2)，并按照相同的方法对第二次平面子集PM(2)进行校正，若第二次平面子集PM(2)中点云的数量等于或小于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则以第一次平面子集PM(1)为最终的光伏面板的平面点云集合；若第二次平面子集PM(2)中点云的数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则继续从所述光伏面板整体点云集合PM中第三次随机取出拟合的第三次平面子集PM(3)和校正，直至获得的第n次平面子集PM(n)中的点云数量不再增加为止，则以第n次平面子集PM(n)为最终的光伏面板的平面点云集合。

可选的，获得光伏面板的平面点云集合后，可以作为相对于机械臂的位姿的及时反馈对象，动态控制机械臂末端的运动。

可选的，识别所述光伏面板的边线的方法包括：从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次边线子集PX(1)；然后，从所述光伏面板整体点云集合中选取到所述第一次边线子集PX(1)的距离小于设定阈值的点云，则认为这些点云有效，与第一次边线子集PX(1)中的点云组合在一起，得到校正边线子集；进一步对所述校正边线子集范围内的点云求平均，拟合出第二边线子集，如果第二边线子集中的点云数量大于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则把第一次边线子集PX(1)中点云更新为第二边线子集中的点云。

然后，从所述光伏面板整体点云集合PM中第二次随机取出拟合的第二次边线子集PX(2)，并按照相同的方法对第二次边线子集PX(2)进行校正，若第二次边线子集PX(2)中点云的数量等于或小于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则以第一次边线子集PX(1)为最终的光伏面板的边线点云集合；若第二次边线子集PX(2)中点云的数量大于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则继续从所述光伏面板整体点云集合PM中第三次随机取出拟合的第三次边线子集PX(3)并校正，直至获得的第n次边线子集PX(n)中的点云数量不再增加为止，则以第n次边线子集PX(n)为最终的光伏面板的边线点云集合。

可选的，获得光伏面板的边线点云集合后，可以作为相对于机械臂的位姿的及时反馈对象，动态控制机械臂末端的运动。

在首次定位的过程中，根据激光扫描雷达扫描的面板点云提取平面位姿和边框直线位姿，作为运维机器人的起始定位，再通过6自由度逆向求解计算机械臂末端M0坐标的位姿来控制机械臂运动。

调控所述清扫机构的空间位置的方法包括：

如图8所示，其中的三维坐标轴中X轴表示上下方向，Y轴表示左右方向，Z轴(垂直纸面)表示前后方向，也是机器人清扫过程中前后运行的方向。

在正常小车行走清扫的过程中，主要偏差来自于地面的不平整和光伏面板空间尺寸变化、以及运行误差带来的影响。其中，沿Y轴的摇摆可以通过安装在机械臂与清扫机构之间的左右摇摆支撑轴，以及行走在面板上的支撑滚轮来自适应调整；沿Z轴的摇摆可以通过安装在机械臂与清扫机构之间的前后摇摆支撑轴，以及行走在面板上的支撑滚轮来自适应调整。

另外，对于机械臂的末端点是M₀(x₀,y₀)离光伏面板PV的距离需要建立在X轴和Y轴的二维平面上，末端点M₀(x₀,y₀)在该二维平面的运动模型来实时监测反馈闭环控制：即通过基摇摆臂JZB、基摇摆臂JZB末端与末端点M₀(x₀,y₀)连线的虚拟臂XNB的联合运动学分析来调整。具体如下：

建立运维机器人末端位姿反馈调整的2自由度运动学模型，包括：在图8中机械臂的末端点是M₀(x₀,y₀)，基摇摆臂的长度为b₁，基摇摆臂的末端与M₀(x₀,y₀)连线的虚拟臂的长度为b₂；基摇摆臂与Y轴的夹角为θ₃，基摇摆臂与虚拟臂的夹角为θ₄，基摇摆臂的首端至M₀(x₀,y₀)连线与Y轴的夹角为θ₃₂，且有θ₃₁＝θ₃-θ₃₂。

进一步的，满足如下结构位置关系：

x₀ ²+y₀ ²＝b₁ ²+b₂ ²-2b₁b₂cos(180°-θ₄)，对应有：cosθ₄＝(x₀ ²+y₀ ²-b₁ ²-b₂ ²)/2b₁b₂

以及，还有tanθ₃₂＝x₀/(-y₀)，

根据上述结构位置关系，可以对运维机器人末端位姿进行反馈调整，保持清扫结构与光伏面板之间的姿态匹配。

可选的，在清扫机构的面板上还设置有力触传感器，及时反馈清扫机构与光伏面板之间的压力，当压力大于设定的阈值时，及时动态调整机械臂上扬，保证清扫机构不会压坏光伏面板。

如图9所示，该运维机器人包括行走平台1、机械臂2和清扫机构3。其中，机械臂2包括依次连接的第一子臂(即基摇摆臂)、第二子臂、第三子臂，第三子臂的末端设置清扫机构3。

由此，本发明公开了一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法。该方法包括运维机器人行驶至临近光伏面板，所述机械臂伸展并带动所述清扫机构置于所述光伏面板的上方；多个测距激光传感器分别测量到光伏面板的多个测量距离值，运维机器人基于对多个所述测量距离值计算，调整控制所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行；激光扫描雷达对光伏面板所在空域进行扫描，获得面板三维点云数据，运维机器人利用三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面清扫。该方法能够准确识别光伏面板，并根据光伏面板的结构和布设特点，智能调整位姿，实现准确、安全和可靠的清扫工作。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，所述运维机器人包括设置在机械臂末端的激光扫描雷达，以及在所述机械臂末端设置有清扫机构，所述清扫机构设置有多个测距激光传感器，包括以下步骤：

运维机器人行驶至临近光伏面板，所述机械臂伸展并带动所述清扫机构置于所述光伏面板的上方；

多个所述测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的多个测量距离值，所述运维机器人基于对多个所述测量距离值计算，调整控制所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行；

所述激光扫描雷达对所述光伏面板所在空域进行扫描，获得光伏面板的三维点云数据，所述运维机器人利用所述三维点云数据，识别所述光伏面板的平面和边线，调控所述清扫机构的空间位置，贴近所述光伏面板的表面清扫。

2.根据权利要求1所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，在所述清洗机器人行驶至临近光伏面板之前，所述清洗机器人通过RTK定位、行走里程计和/或IMU惯导仪，分别测量定位和计算比较，确定运维机器人的位置。

3.根据权利要求2所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，所述清洗机器人通过RTK定位的方法包括：

光伏电场的四周安装有RTK基站，在运维机器人的移动底盘上安装有差分定位器，所述差分定位器与各个RTK基站进行无线测距；RTK基站为J₁、J₂、J₃、J₄，差分定位器为P₁(x,y)，选取其中距离所述差分定位器最近的2个基站J₁、J₂，通过RTK测量反馈所述差分定位器与RTK基站的距离：差分定位器P₁(x,y)与基站J₁的距离为l₁，与基站J₂的距离为l₂，基站J₁、J₂之间的距离为l₀；则有第一夹角θ₁和第二夹角θ₂分别满足：cosθ₁＝(l₀ ²+l₁ ²-l₂ ²)/2l₀l₁，cosθ₂＝(l₀ ²+l₂ ²-l₁ ²)/2l₀l₂，运维机器人的定位坐标也以P₁(x,y)来表示，则有：x＝l₁cosθ₁，y＝l₁sinθ₁，由此计算出起始点为基站J₁所在位置时，运维机器人的动态位置P₁(x,y)。

4.根据权利要求1所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，所述测距激光传感器有4个，即M1、M2、M3、M4，固定设置在所述清扫机构上，4个测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的垂直距离，对应相当于到光伏面板上4个垂直投影点T1、T2、T3、T4的垂直距离；机械臂末端M0相对于清扫机构固定不变，作为参考点，由4个垂直投影点T1、T2、T3、T4中任意三个投影点分别组成4个投影平面，即第一投影面T1T2T3、第二投影面T1T2T4、第三投影面T2T3T4、第四投影面T1T3T4，分别计算机械臂末端M0到这4个投影面的投影距离，然后对这4个投影距离求平均值，即获得机械臂末端M0到光伏面板的距离。

5.根据权利要求4所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，根据4个测距激光传感器分别测量到所述光伏面板的垂直距离，对清扫机构的姿态进行调整，然后再多次测量这4个垂直距离，以及对应再多次调整清扫机构的姿态，直至这4个垂直距离趋近相等，则所述清扫机构的清扫面与所述光伏面板的表面平行。

6.根据权利要求1所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，所述获得光伏面板的三维点云数据的方法包括：在获得光伏面板的三维点云数据之后，对所述三维点云数据进行预处理，通过设定相邻点云之间的空间阈值，则把明显大于该阈值的点云排除，获得光伏面板整体点云集合PM。

7.根据权利要求6所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，识别所述光伏面板的平面的方法包括：

从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次平面子集PM(1)；然后，从所述光伏面板整体点云集合PM中选取到所述第一次平面子集PM(1)的距离小于设定阈值的点云，则认为这些点云有效，与第一次平面子集PM(1)中的点云组合在一起，得到校正平面子集；进一步对所述校正平面子集范围内的点云求平均，拟合出第二平面子集，如果第二平面子集中的点云数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则把第一次平面子集PM(1)中点云更新为第二平面子集中的点云；

从所述光伏面板整体点云集合PM中第二次随机取出拟合的第二次平面子集PM(2)，并对第二次平面子集PM(2)进行校正；

若第二次平面子集PM(2)中点云的数量等于或小于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则以第一次平面子集PM(1)为最终的光伏面板的平面点云集合；

若第二次平面子集PM(2)中点云的数量大于第一次平面子集PM(1)的点云数量，则继续从所述光伏面板整体点云集合PM中第三次随机取出拟合的第三次平面子集PM(3)并校正，直至获得的第n次平面子集PM(n)中的点云数量不再增加为止，则以第n次平面子集PM(n)为最终的光伏面板的平面点云集合，n大于或等于3。

8.根据权利要求6所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，识别所述光伏面板的边线的方法包括：

从所述光伏面板整体点云集合PM中第一次随机取出拟合的第一次边线子集PX(1)；然后，从所述光伏面板整体点云集合中选取到所述第一次边线子集PX(1)的距离小于设定阈值的点云，则认为这些点云有效，与第一次边线子集PX(1)中的点云组合在一起，得到校正边线子集；进一步对所述校正边线子集范围内的点云求平均，拟合出第二边线子集，如果第二边线子集中的点云数量大于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则把第一次边线子集PX(1)中点云更新为第二边线子集中的点云；

从所述光伏面板整体点云集合PM中第二次随机取出拟合的第二次边线子集PX(2)，并对第二次边线子集PX(2)进行校正；

若第二次边线子集PX(2)中点云的数量等于或小于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则以第一次边线子集PX(1)为最终的光伏面板的边线点云集合；

若第二次边线子集PX(2)中点云的数量大于第一次边线子集PX(1)的点云数量，则继续从所述光伏面板整体点云集合PM中第三次随机取出拟合的第三次边线子集PX(3)并校正，直至获得的第n次边线子集PX(n)中的点云数量不再增加为止，则以第n次边线子集PX(n)为最终的光伏面板的边线点云集合，n大于或等于3。

9.根据权利要求1所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，调控所述清扫机构的空间位置的方法包括：

在三维坐标轴中，X轴表示上下方向，Y轴表示左右方向，Z轴表示前后方向，也是运维机器人在清扫过程中前后运行的方向；在运维机器人行走清扫的过程中，沿Y轴的摇摆通过安装在机械臂与清扫机构之间的左右摇摆支撑轴，以及行走在面板上的支撑滚轮来自适应调整；沿Z轴的摇摆通过安装在机械臂与清扫机构之间的前后摇摆支撑轴，以及行走在面板上的支撑滚轮来自适应调整。

10.根据权利要求9所述的运维机器人的智能识别和调整位姿方法，其特征在于，对于机械臂的末端点M₀(x₀,y₀)离光伏面板的距离建立在X轴和Y轴的二维平面上，末端点M₀(x₀,y₀)在该二维平面的运动模型来实时监测反馈闭环控制：即通过基摇摆臂、基摇摆臂末端与末端点M₀(x₀,y₀)连线的虚拟臂的联合运动分析来调整，包括：

基摇摆臂的长度为b₁，基摇摆臂的末端与机械臂的末端点M₀(x₀,y₀)连线的虚拟臂的长度为b₂；基摇摆臂与Y轴的夹角为θ₃，基摇摆臂与虚拟臂的夹角为θ₄，基摇摆臂的首端至M₀(x₀,y₀)连线与Y轴的夹角为θ₃₂，且有θ₃₁＝θ₃-θ₃₂；

进一步的，满足如下结构位置关系：

x₀ ²+y₀ ²＝b₁ ²+b₂ ²-2b₁b₂cos(180°-θ₄)，对应有：cosθ₄＝(x₀ ²+y₀ ²-b₁ ²-b₂ ²)/2b₁b₂

以及，还有tanθ₃₂＝x₀/(-y₀)，

根据上述结构位置关系，对运维机器人的机械臂的末端位姿进行反馈调整，保持清扫结构与光伏面板之间的姿态匹配。

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