一种隧道灯具自动清洗装置及方法与流程

本发明属于隧道清洗技术领域，涉及一种隧道灯具自动清洗装置及方法。

背景技术：

随着交通线路的不断发展，城市内隧道越来越多。由于隧道内部空间相对封闭，穿行隧道的车辆容易产生扬尘以及排出大量尾气，容易沉积在隧道内部的墙面上，人工清理费时费力，且在隧道内工作显得极为不安全，所以现在隧道清洗装置应用的越来越普遍，相应的出现了隧道清洗装置。目前，隧清洗装置主要有两种，一种是滚刷式隧道清洗车，另一种是高压水隧道清洗车。

高压水隧道清洗车，通常包括水泵电机、加压泵电机和卸载电磁阀等。隧道清洗车在工作时，为了保证高压泵进水通畅，防止高压泵起动时压力突然升高，需将水泵电机、加压泵电机及卸载电磁阀配合使用。水泵电机起动前，加压泵电机应提前起动，卸载电磁阀需完全打开，并保证压力值在正常范围内，高、低压压力开关均在闭合状态，水泵电机才能起动。同时，若水箱水位过低，除加水泵电机外的所有电机均不能运行；若清洗剂液位过低，清洗剂泵电机则不能运行，清洗剂泵给清洗剂系统提供压力，清洗剂与水混合后流到清洗装置，清洗隧道壁。

隧道灯具出光表面型式各异，有平面玻璃罩式、透镜突起式、镂空阵列式和模块组合式等，目前的隧道清洗装置没有综合考虑各种型式的灯具进行设计，不具备通用性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道灯具自动清洗装置及方法，对隧道照明灯具进行不停车自动清洗。

为达到上述目的，一方面，本发明提供一种隧道灯具自动清洗装置，包括自行底盘，所述自行底盘包括升降平台车、储水箱和发电机，所述升降平台车包括驾驶室和升降平台，所述升降平台上设置有灯具定位系统和灯具清洗系统；

所述灯具定位系统用于对灯具进行定位，包括前端传感装置和处理系统，所述前端传感装置用于实时采集灯具出光表面及附近区域到前端传感装置的距离信息，所述处理系统用于根据采集的数据对灯具进行准确定位；

所述灯具清洗系统包括设置在升降平台上的多关节机械臂，所述多关节机械臂连接有清洁装置对位系统，用于根据灯具定位系统的定位结果控制多关节机械臂移动对位，所述多关节机械臂顶部设有清洁装置，所述清洁装置与储水箱连接，用于清洁灯具；

还包括视频监控系统，用于监控灯具位置及灯具清洗系统对位情况。

进一步，所述自行底盘还包括清洁液箱和污物收集处理箱，所述清洁装置包括沿自行底盘运行方向依次向后设置有干式清扫刷、清洁液喷射装置、湿式清扫刷和高压净水冲洗装置，所述干式清扫刷的下方设置有灰尘收集装置，所述高压净水冲洗装置下方设有污水收集装置，所述灰尘收集装置和污水收集装置通过连接管连接污物收集处理箱；所述干式清扫刷和湿式清扫刷用于对灯具出光表面进行清扫工作，所述清洁液喷射装置连接有清洁液箱，用于向灯具出光表面喷射清洁液，所述高压净水冲洗装置与储水箱连接，用于对灯具出光表面进行高压水冲洗。

进一步，所述清洁装置包括高压热水冲洗装置，所述储水箱内设有加热装置，用于对水进行加热，所述高压热水冲洗装置与储水箱连接，用于对灯具出光表面进行高温高压水冲洗。

进一步，所述清洁装置包括高温蒸汽清洗机。

进一步，所述干式清扫刷和湿式清扫刷中设置有压力传感器，用于感知清洁装置对位过程中清洁装置与灯具出光表面间的接触压力；所述升降平台车的车轮上设置有旋转编码器，用于在清洁装置对位过程提供车辆位移数据。

进一步，所述视频监控系统包括设置在灯具清洗装置上的摄像头和设置在驾驶室内的显示器。

进一步，所述干式清扫刷与湿式清扫刷均为旋转式清扫刷，包括旋转底盘和设置在旋转底盘上的刷体，所述旋转底盘通过电动机带动刷体旋转，所述旋转底盘与多关节机械臂顶部固定连接。

另一方面，本发明还提供一种隧道灯具自动清洗方法，包括以下步骤：

s1：启动自行底盘匀速前进；

s2：对灯具进行定位；

s3：根据灯具定位结果，控制多关节机械臂移动，使清洁装置对位到灯具出光表面；

s4：通过干式清扫刷对灯具出光表面进行第一道灰尘清扫工作，初步扫除灯具出光表面粘附不太牢固的浮灰，并通过灰尘收集装置将灰尘收集到污物处理收集箱中；

s5：通过清洁液喷射装置向灯具出光表面喷射清洁液；

s6：通过湿式清扫刷对带有清洁液的灯具出光表面进一步清扫；

s7：通过高压净水冲洗装置对灯具出光表面进行冲洗，并通过污水收集装置将污水收集到污物处理收集箱中。

进一步，步骤s2中根据前端传感装置的不同，可分为基于激光扫描测距的定位和基于机器视觉+激光测距的定位，其中，基于激光扫描测距的定位方法包括以下步骤：

s21：采用激光扫描测距传感器沿隧道行车方向扫描灯具出光表面及其附近区域，得到包含区域内各被扫描点到传感器距离信息的原始测量数据；

s22：以激光扫描测距传感器的发光点为原点、发光轴为z轴、行车方向为x轴、垂直于x轴和z轴相交平面的轴为y轴建立定位坐标系，根据传感器扫描速度、测量角度和分辨力等信息，从原始测量数据中解析获得矩阵a，其中，矩阵元素a(yk,xk)的取值zk为扫描区域内被扫描点k到x轴和y轴相交平面的距离，(xk,yk)为被扫描点k在x轴和y轴相交平面的投影位置；

s23：对矩阵a的元素作行差分运算得到矩阵b，从b的首行向下查找特定行yup，使得yup开始的连续若干行的元素取值均小于给定阈值thedy，同时从b的末行向上查找特定行ydown，使得ydown开始的连续若干行的元素取值均小于给定阈值thedy；

s24：对矩阵a的元素作列差分运算得到矩阵c，从c的首列向右查找特定列xleft，使得xleft开始的连续若干列的元素取值均小于给定阈值thedx，同时从c的末列向左查找特定列xright，使得xright开始的连续若干列的元素取值均小于给定阈值thedx；

s25：按照上述定位方法，灯具出光表面四个角点在x轴和y轴相交平面内的位置坐标为：左上(xleft，yup)、左下(xleft，ydown)、右上(xright，yup)和右下(xright，ydown)；

s26：根据a(ydown,xleft:xright)平均值与a(yup,xleft:xright)平均值的差值绝对值以及激光扫描测距传感器测量角度等，计算得到灯具出光表面与竖直方向的夹角。

进一步，步骤s2基于机器视觉+激光测距的定位方法包括以下步骤：

s21：将激光测距模块紧贴于工业相机镜头上方安装，使其发射轴与相机光轴基本平行；

s22：由工业相机正面采集包含灯具出光表面的原始图像，并利用激光测距模块测量前方灯具出光表面的距离d；

s23：对原始图像依次进行预处理、边缘检测、二值化、hough变换及直线提取，获得灯具出光表面上、下、左、右轮廓线在图像坐标系中的表达函数，进而计算出灯具出光表面四个角点在图像中的位置坐标；

s24：以激光测距模块的发射孔为原点、发射轴为z轴、行车方向为x轴、垂直于x轴和z轴相交平面的轴为y轴建立定位坐标系，根据图像中每个像素代表实际长度与d之间的关系，将灯具出光表面四个角点在图像中的位置坐标转换为x轴和y轴相交平面内的位置坐标：左上(x1，y1)、左下(x2，y2)、右上(x3，y3)和右下(x4，y4)，实现灯具准确定位；

s25：根据(x2-x1)的绝对值、(x4-x3)的绝对值以及工业相机拍摄角度等，计算灯具出光表面与竖直方向的夹角。

进一步，步骤s3包括以下步骤：

s31：以平台车上某固定点为原点、竖直向上为z轴、行车方向为x轴、垂直于x轴和z轴相交平面的轴为y轴建立平台坐标系，将定位坐标系中灯具出光表面四个角点的位置坐标转换为平台坐标系中的位置坐标；

s32：由灯具、清洁装置在平台坐标系中的当前位置和灯具出光表面与竖直方向的夹角，以及车辆位移数据，实时计算清洁装置对位到垂直灯具出光表面时需要在平台坐标系中沿x、y和z轴进行的相对位移；

s33：根据清洁装置的相对位移需求，求解各机械臂的运动控制策略；

s34：控制各机械臂运动，当且仅当清洁液喷射装置、高压净水冲洗装置以一定距离正对灯具出光表面或者清扫刷以一定压力紧贴于灯具出光表面时，判定清洁装置的自动移动对位操作成功；

s35：低空操作人员通过视频监视系统观察清洁装置的自动移动对位情况，一旦发现多次对位失败或者对位累积误差过大，则给出复位信号，各机械臂将在自动控制策略下执行复位操作并返回步骤s31。

本发明的有益效果在于：本发明具有设计合理，结构简单、移动流水作业的特点，作业车在移动过程中完成灯具清洗作业，在确保清洁程度高的同时，清洁一个灯具只需1-3秒，大大节约了清洁时间；本发明仅需一人在驾驶室即可操作，操作方便，能有效节约劳动力，不仅降低了操作人员劳动强度，而且能有效消除登高作业的安全隐患。

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为本发明所述隧道灯具自动清洗装置结构示意图；

图2为本发明所述隧道灯具自动清洗方法流程图。

附图标记：自行底盘1、清洁液箱2、储水箱3、污物收集处理箱4、发电机5、多关节机械臂6、干式清扫刷7、灰尘收集装置8、清洁液喷射装置9、湿式清扫刷10、高压净水冲洗装置11、污水收集装置12、摄像机13、灯具定位系统14、显示器15。

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。

请参阅图1，一方面，本发明提供一种隧道灯具自动清洗装置，包括自行底盘1，所述自行底盘1包括升降平台车、发电机5和储水箱3，所述升降平台车包括驾驶室和升降平台，所述升降平台上设置有灯具定位系统14和灯具清洗系统；

所述灯具定位系统14用于对灯具进行定位，包括前端传感装置和处理系统，所述前端传感装置用于实时采集灯具出光表面及附近区域到前端传感装置的距离信息，所述处理系统用于根据采集的数据对灯具进行准确定位；

所述灯具清洗系统包括设置在升降平台上的多关节机械臂6，所述多关节机械臂6连接有清洁装置对位系统，用于根据灯具定位系统14的定位结果控制多关节机械臂6移动对位，所述多关节机械臂6顶部设有清洁装置，所述清洁装置与储水箱连接，用于清洁灯具；

还包括视频监控系统，用于监控灯具位置及灯具清洗系统对位情况。

考虑到自动清洗系统包含的部件较多，且几道工序间需要留有一定的空间和时间间隔，因此自行底盘1拟选用升降平台车，车上还需设计配置发电机5、干净水储水箱3和污物收集处理箱4。车载升降平台上升上限高度不得低于7m，平台长度方向不得低于2m。自动清洗系统安装在升降平台上。发电机5、干净水储水箱3和污物收集处理箱4设置在车上。发电机5主要为视频监视系统、灯具自动定位系统和灯具自动清洗系统供电。干净水储水箱3主要为高压净水冲洗提供水源，由于用水量相对较大，需要一定的容积。污物收集处理箱4主要用于收集自动清洗系统收集的灰尘和污水，并将收集到的污物排放到路侧地面。

可选地，自行底盘还包括清洁液箱2和污物收集处理箱4，其中清洁装置可以包括沿自行底盘1运行方向依次向后设置有干式清扫刷7、清洁液喷射装置9、湿式清扫刷10和高压净水冲洗装置11，所述干式清扫刷7的下方设置有灰尘收集装置8，所述高压净水冲洗装置11下方设有污水收集装置12，所述灰尘收集装置8和污水收集装置12通过连接管连接污物收集处理箱4；所述干式清扫刷7和湿式清扫刷10用于对灯具出光表面进行清扫工作，所述清洁液喷射装置9连接有清洁液箱2，用于向灯具出光表面喷射清洁液，所述高压净水冲洗装置11与储水箱3连接，用于对灯具出光表面进行高压水冲洗。

清洁装置还可以是高压热水冲洗装置，在储水箱内安装加热器，对水进行加热，再通过高压热水冲洗装置对灯具出光表面进行高温高压水冲洗，省去了清洁液和多次刷洗的阶段，利用热水和高压的去油污灰尘作用清洗灯具。

可选地，清洁装置还可以是高温蒸汽清洗机，利用饱和蒸汽的高温和外加高压，清洗零件表面的油渍污物，并将其汽化蒸发的一种清洗设备。还可以清洗任何细小的间隙和孔洞，剥离并去除油渍和残留物，可以达到高效、节水、洁净、干燥、低成本的要求，减少了各种清洁剂的使用，环保安全。

清洁装置自动移动对位装置拟采用目前市场上比较成熟的多关节机械臂6作为执行机构，再经过相应的感知器件及控制软件的二次开发以实现自动对位的功能。

清洁装置与车载升降平台间通过多关节机械臂6连接，各机械臂均能独立受控运动。其中，与升降平台连接的机械臂底端应能在升降平台所在平面内旋转，其余机械臂则应能在垂直于升降平台的平面内旋转。

为感知对位过程中清洁装置与灯具出光表面间的接触压力，需在清洁装置的旋转清扫刷中安装压力传感器。同时，考虑到灯具定位到清洁装置对位期间平台车仍在低速行驶，还需在平台车车轮上安装旋转编码器来给清洁装置自动定位过程提供车辆位移数据。

可选地，所述视频监控系统包括设置在灯具清洗装置上的摄像头和设置在驾驶室内的显示器15。

可选地，所述干式清扫刷7与湿式清扫刷10均为旋转式清扫刷，包括旋转底盘和设置在旋转底盘上的刷体，所述旋转底盘通过电动机带动刷体旋转，所述旋转底盘与多关节机械臂6顶部固定连接。

另一方面，如图2所示，本发明还提供一种隧道灯具自动清洗方法，包括以下步骤：

s1：启动自行底盘1匀速前进；

s2：对灯具进行定位；

s3：根据灯具定位结果，控制多关节机械臂6移动，使清洁装置对位到灯具出光表面；

s4：通过干式清扫刷7对灯具出光表面进行第一道灰尘清扫工作，初步扫除灯具出光表面粘附不太牢固的浮灰，并通过灰尘收集装置8将灰尘收集到污物处理收集箱中；

s5：通过清洁液喷射装置9向灯具出光表面喷射清洁液；

s6：通过湿式清扫刷10对带有清洁液的灯具出光表面进一步清扫；

s7：通过高压净水冲洗装置11对灯具出光表面进行冲洗，并通过污水收集装置12将污水收集到污物处理收集箱中。

可选地，步骤s2中根据前端传感装置的不同，可分为基于激光扫描测距的定位和基于机器视觉+激光测距的定位，其中，基于激光扫描测距的定位方法包括以下步骤：

s21：采用激光扫描测距传感器沿隧道行车方向扫描灯具出光表面及其附近区域，得到包含区域内各被扫描点到传感器距离信息的原始测量数据；

s22：以激光扫描测距传感器的发光点为原点、发光轴为z轴、行车方向为x轴、垂直于x轴和z轴相交平面的轴为y轴建立定位坐标系，根据传感器扫描速度、测量角度和分辨力等信息，从原始测量数据中解析获得矩阵a，其中，矩阵元素a(yk,xk)的取值zk为扫描区域内被扫描点k到x轴和y轴相交平面的距离，(xk,yk)为被扫描点k在x轴和y轴相交平面的投影位置；

s23：对矩阵a的元素作行差分运算得到矩阵b，从b的首行向下查找特定行yup，使得yup开始的连续若干行的元素取值均小于给定阈值thedy，同时从b的末行向上查找特定行ydown，使得ydown开始的连续若干行的元素取值均小于给定阈值thedy；

s24：对矩阵a的元素作列差分运算得到矩阵c，从c的首列向右查找特定列xleft，使得xleft开始的连续若干列的元素取值均小于给定阈值thedx，同时从c的末列向左查找特定列xright，使得xright开始的连续若干列的元素取值均小于给定阈值thedx；

s25：按照上述定位方法，灯具出光表面四个角点在x轴和y轴相交平面内的位置坐标为：左上(xleft，yup)、左下(xleft，ydown)、右上(xright，yup)和右下(xright，ydown)；

s26：根据a(ydown,xleft:xright)平均值与a(yup,xleft:xright)平均值的差值绝对值以及激光扫描测距传感器测量角度等，计算得到灯具出光表面与竖直方向的夹角。

可选地，步骤s2基于机器视觉+激光测距的定位方法包括以下步骤：

s21：将激光测距模块紧贴于工业相机镜头上方安装，使其发射轴与相机光轴基本平行；

s22：由工业相机正面采集包含灯具出光表面的原始图像，并利用激光测距模块测量前方灯具出光表面的距离d；

s23：对原始图像依次进行预处理、边缘检测、二值化、hough变换及直线提取，获得灯具出光表面上、下、左、右轮廓线在图像坐标系中的表达函数，进而计算出灯具出光表面四个角点在图像中的位置坐标；

s24：以激光测距模块的发射孔为原点、发射轴为z轴、行车方向为x轴、垂直于x轴和z轴相交平面的轴为y轴建立定位坐标系，根据图像中每个像素代表实际长度与d之间的关系，将灯具出光表面四个角点在图像中的位置坐标转换为x轴和y轴相交平面内的位置坐标：左上(x1，y1)、左下(x2，y2)、右上(x3，y3)和右下(x4，y4)，实现灯具准确定位；

s25：根据(x2-x1)的绝对值、(x4-x3)的绝对值以及工业相机拍摄角度等，计算灯具出光表面与竖直方向的夹角。

可选地，步骤s3包括以下步骤：

s31：以平台车上某固定点为原点、竖直向上为z轴、行车方向为x轴、垂直于x轴和z轴相交平面的轴为y轴建立平台坐标系，将定位坐标系中灯具出光表面四个角点的位置坐标转换为平台坐标系中的位置坐标；

s32：由灯具、清洁装置在平台坐标系中的当前位置和灯具出光表面与竖直方向的夹角，以及车辆位移数据，实时计算清洁装置对位到垂直灯具出光表面时需要在平台坐标系中沿x、y和z轴进行的相对位移；

s33：根据清洁装置的相对位移需求，求解各机械臂的运动控制策略；

s34：控制各机械臂运动，当且仅当清洁液喷射装置、高压净水冲洗装置以一定距离正对灯具出光表面或者清扫刷以一定压力紧贴于灯具出光表面时，判定清洁装置的自动移动对位操作成功；

s35：低空操作人员通过视频监视系统观察清洁装置的自动移动对位情况，一旦发现多次对位失败或者对位累积误差过大，则给出复位信号，各机械臂将在自动控制策略下执行复位操作并返回步骤s31。

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。