基于激光和视觉的道路自主清扫车的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种基于激光和视觉的道路自主清扫车，属于智能环卫机械技术领域，包括车体，车体外部的前方设有激光扫描测距雷达和摄像头，车体的上方设有GPS定位模块，车体的下方设有至少一个清扫盘刷、转向轮和驱动轮，清扫盘刷位于转向轮和驱动轮之间，车体的内部设有车载电脑主板和整车控制系统，车载电脑主板连接激光扫描测距雷达、摄像头、GPS定位模块和整车控制系统，并通过无线数据传输基站网络与人机交互平台实现数据通讯，在无人驾驶的情况下能够自主进行路径规划和导航定位，真正做到无需人员再次干预即可完成路径规划道路的清扫作业，适于在园区和公共道路上推广应用，降低城市环卫工人的劳动强度。
【专利说明】
基于激光和视觉的道路自主清扫车
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种基于激光和视觉的道路自主清扫车，属于智能环卫机械技术领域。
【背景技术】
[0002]目前清扫车无论是室内还是城市街道环卫，基本上都需要人工操作，而随着城市规模的发展，人力成本的不断提高，对于智能化无人驾驶自主行驶清扫车的需求，显现的尤为迫切。目前，在全自动无人驾驶方面，国内已经有相关企业和机构进行了研究，通常采用三种方法实现:(I)基于3G/4G或GPRS网络，通过终端设备进行路径的规划，并对设备状态进行实时监控；(2)基于机器视觉的图像识别技术；(3)采用在地面铺设导轨、磁轨，车辆在固定轨道上行驶，即轨道式全自动无人驾驶车。虽然无人驾驶领域已经有相关的技术，但是在无人清扫车方面技术还未成熟，在现有技术中没有得到推广应用。
[0003]例如，授权公开号为:CN204644936U公开的一种无人驾驶式自动商用洗/扫地机，在技术上存在一定的不足，当遇到障碍物后，需将激光传感器、超声或防撞条信息送至导航模块，导航模块根据具体情况，发送停止指令于控制模块，并需人工再次干预，重新规划路径，费时且不能做到整个过程完全无人干涉，不适于在大型路面进行清扫作业。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于激光和视觉的道路自主清扫车，在无人驾驶的情况下能够自主进行路径规划和导航定位，实现路面的清扫作业，降低城市环卫工人的劳动强度、减少城市二氧化碳排放和环境污染、优化能源结构。
[0005]本实用新型所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，包括车体，车体外部的前方设有激光扫描测距雷达和摄像头，车体的上方设有GPS定位模块，车体的下方设有至少一个清扫盘刷，清扫盘刷的前后两侧分别设有转向轮和驱动轮，车体的内部设有车载电脑主板和整车控制系统，车载电脑主板连接激光扫描测距雷达、摄像头、GPS定位模块和整车控制系统，并通过无线数据传输基站网络与人机交互平台实现数据通讯。
[0006]激光扫描测距雷达用于检测前方道路两侧路沿石边沿，提取并拟合道路边沿的直线段，为相应清扫车沿道路平行前进和道路定位提供传感数据，并利用前方180度范围内的激光检测数据，辅助完成自主避障;摄像头为网络高清摄像头，用于采集前方图像信息，在无路沿石的路段，通过图像处理算法，与激光扫描测距雷达互补完成道路边沿识别；车载电脑主板主要承载上位机智能算法处理软件，通过接收整车控制系统上传的数据，利用传感器融合算法、图像处理算法、自动避障算法、自主定位与导航算法等各种智能控制算法，实现自主驾驶，无线数据传输基站网络用于实现数据的传输，具有3G、4G、WIFI及专用无线数传网络等多种可选通信方式，实现位置和状态数据通信传输，人机交互平台用于接收无线数据传输基站网络传输的信息，在清扫和运动的过程中工作人员通过人机交互平台实动作操控，以及远程监控。
[0007]所述的整车控制系统包括电源管理系统、运动控制系统、超声波自动避障系统、清扫控制系统和无线数据传输模块，上述各个系统和部件之间通过CAN总线进行数据通信，无线数据传输模块与遥控器实现数据通讯，电源管理系统用于实现电源管理，运动控制系统用于实现前进、后退、左转、右转、加速、减速、停车、刹车等运动的控制，超声波自动避障系统用于实现自动避障，清扫控制系统用于实现抬放清扫盘刷完成清扫动作。
[0008]通过遥控器和人机交互平台使控制模式分为手动控制和自主控制，在手动控制模式下通过遥控器或者智能手机客户端软件，实现前进、后退、左转、右转、加速、减速、停车、刹车、抬放清扫盘刷等一系列动作的操控;在自主控制模式下，利用超声波测距传感器、激光扫描测距雷达、摄像头通过智能控制算法如障碍物识别与避障算法、自动避障算法、路肩识别算法、清扫路径规划算法，实现沿着应用场所道路自主定位和无人清扫，人机交互平台通过无线数据传输基站网络与清扫车本体传输数据，实时监控运行状态、在园区的精确位置，并通过摄像头实现前方视频监控。
[0009]所述的超声波自动避障系统包括超声波测距传感器，超声波测距传感器包括若干个，分别位于车体的前面和侧面;左右两侧的超声波测距传感器对称分布，超声波测距传感器利用超声波的特性研制而成的传感器，测量清扫车周边障碍物距离，并根据距离信息作出报警、避让、停车等动作。
[0010]所述的激光扫描测距雷达位于车体的前方，激光扫描测距雷达包括2个，一个激光扫描测距雷达位于车体前方的下端贴近地面，用于检测前方道路两侧路沿石边沿及较矮的障碍物，另一个激光扫描测距雷达位于车体前方的中央，用于检测高于路沿石的障碍物。[0011 ]在导航定位方面，针对不同工况采用两种方式:(I)采用激光扫描测距雷达和摄像头相结合的方式，在有路沿石的路段，用激光扫描测距雷达识别，在没有路沿石的路段，采用摄像头识别标记线，由图像处理与GPS定位相结合，实现路径规划与自主导航功能。(2)利用摄像头和地标，结合GPS定位模块，对路口进行识别和定位，实现路口检测和路段定位，完成清扫路段路径规划和自主导航。通过导入园区离线测绘地图，结合道路的GPS信息和机器视觉，确定相应的清扫运动方向、运动轨迹和在地图中的具体位置。
[0012]在自动避障方面，当遇到障碍物时，采用超声波测距传感器和激光扫描测距雷达采集数据，利用智能控制算法，实现避障，前方障碍物检测距离范围?30m，检测角度:0_180度，左右侧障碍物检测报警距离范围:0-3m，后方障碍物检测报警距离范围:0-6m，自动避障响应距离可在检测范围内自由设定，当障碍物进入报警距离区域时，进行声光报警，并减速行驶;当障碍物进入避障响应距离区域时，进行自动转向，通过左右空闲车道自动绕行避障。
[0013]所述的车体的前方和侧面均设有检修口，前方的检修口内设有转向控制装置和自动升降装置，转向控制装置连接整车控制系统和转向轮，自动升降装置连接整车控制系统、清扫盘刷和激光扫描测距雷达，侧面的检修口内设有充电接口且与前方检修口配合对车体内的系统进行检修与更换。
[0014]当打开清扫功能时，通过前端检修口内部的自动升降装置，清扫盘刷与车体前方下端的激光扫描测距雷达同步下落，当下落至最低高度时，清扫电机启动，清扫盘刷旋转，开始清扫，同时下部的激光扫描测距雷达开始工作，当关闭清扫功能时，下端激光扫描测距雷达与清扫盘刷通过自动升降装置自动升起。
[0015]所述的转向控制装置包括转向电机和控制器，转向电机连接控制器和转向轮，控制器连接整车控制系统，控制器通过程序控制转向电机，转向电机控制转向轮实现左右各60度范围的转向。
[0016]所述的车载电脑主板与整车控制系统之间通过USBCAN适配器实现数据协议转换。
[0017]所述的车体的上方设有警示灯和检修口上盖，警示灯位于检修口上盖的上方，检修口上盖内设有钥匙开关、手自动切换旋钮开关、照明灯开关、洒水开关、遥控器接口和电量表，检修口上盖的一侧设有无线通信天线和洒水箱注入口，无线通信天线连接无线数据传输基站网络。
[0018]所述的转向轮的数量为I个，位于车体下方的前端，驱动轮的数量为2个，位于车体下方的后端呈左右对称分布，清扫盘刷的数量为2个，位于转向轮和驱动轮之间呈左右对称分布O
[0019]所述的车体的后方设有垃圾箱和其下方的垃圾滤芯清洁口挡板，垃圾滤芯清洁口挡板的左右两侧分别设有至少一个刹车灯和转向灯，垃圾滤芯清洁口挡板的上方设有急停开关，车体的前方还设有至少一个转向灯和照明灯。
[0020]急停开关用于实现紧急制动，照明灯用于在现场环境光线较暗时，可以手动或自动开启，照亮前方道路，并为摄像头补光。
[0021]本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果:
[0022]提供一种基于激光和视觉的道路自主清扫车，在无人驾驶的情况下能够自主进行路径规划和导航定位，在自动控制模式下真正做到无需人员再次干预即可完成路径规划道路的清扫作业，通过远程监控界面可监控清扫车本体的各个运动状态，适于在园区和公共道路上推广应用，降低城市环卫工人的劳动强度、减少城市二氧化碳排放和环境污染、优化能源结构，促进建设建设智能型城市、打造智慧园区。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型实施例的主视图；
[0024]图2为本实用新型实施例的后视图；
[0025]图3为本实用新型实施例的电路连接示意图
[0026]图中:1、车体;2、检修口；3、摄像头;4、超声波测距传感器;5、转向灯;6、激光扫描测距雷达;7、照明灯;8、转向轮;9、清扫盘刷；10、驱动轮;11、垃圾箱;12、洒水箱注入口； 13、无线通信天线；14、GPS定位模块;15、警示灯;16、检修口上盖;17、垃圾滤芯清洁口挡板;18、刹车灯;19、急停开关。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明:
[0028]实施例
[0029]如图1-3所示，本实用新型所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，包括车体I，车体I外部的前方设有激光扫描测距雷达6和摄像头3，车体I的上方设有GPS定位模块14，车体I的下方设有至少一个清扫盘刷9，清扫盘刷9的前后两侧分别设有转向轮8和驱动轮10，车体I的内部设有车载电脑主板和整车控制系统，车载电脑主板连接激光扫描测距雷达6、摄像头3、GPS定位模块14和整车控制系统，并通过无线数据传输基站网络与人机交互平台实现数据通讯。
[0030]为了进一步说明上述实施例，整车控制系统包括电源管理系统、运动控制系统、超声波自动避障系统、清扫控制系统和无线数据传输模块，上述各个系统和部件之间通过CAN总线进行数据通信，无线数据传输模块与遥控器实现数据通讯。
[0031]为了进一步说明上述实施例，超声波自动避障系统包括超声波测距传感器4，超声波测距传感器4包括若干个，分别位于车体I的前面和侧面;左右两侧的超声波测距传感器4对称分布。
[0032]为了进一步说明上述实施例，激光扫描测距雷达6位于车体I的前方，激光扫描测距雷达6包括2个，一个激光扫描测距雷达6位于车体I前方的下端贴近地面，用于检测前方道路两侧路沿石边沿及较矮的障碍物，另一个激光扫描测距雷达6位于车体I前方的中央，用于检测高于路沿石的障碍物。
[0033]为了进一步说明上述实施例，车体I的前方和侧面均设有检修口2，前方的检修口 2内设有转向控制装置和自动升降装置，转向控制装置连接整车控制系统和转向轮8，自动升降装置连接整车控制系统、清扫盘刷9和激光扫描测距雷达6，侧面的检修口 2内设有充电接口且与前方检修口 2配合对车体I内的系统进行检修与更换。
[0034]为了进一步说明上述实施例，转向控制装置包括转向电机和控制器，转向电机连接控制器和转向轮8，控制器连接整车控制系统。
[0035]为了进一步说明上述实施例，车载电脑主板与整车控制系统之间通过USBCAN适配器实现数据协议转换。
[0036]为了进一步说明上述实施例，车体I的上方设有警示灯15和检修口上盖16，警示灯15位于检修口上盖16的上方，检修口上盖16内设有钥匙开关、手自动切换旋钮开关、照明灯开关、洒水开关、遥控器接口和电量表，检修口上盖16的一侧设有无线通信天线13和洒水箱注入口 12，无线通信天线13连接无线数据传输基站网络。
[0037]为了进一步说明上述实施例，转向轮8的数量为I个，位于车体I下方的前端，驱动轮10的数量为2个，位于车体I下方的后端呈左右对称分布，清扫盘刷9的数量为2个，位于转向轮8和驱动轮10之间呈左右对称分布。
[0038]为了进一步说明上述实施例，车体I的后方设有垃圾箱11和其下方的垃圾滤芯清洁口挡板17，垃圾滤芯清洁口挡板17的左右两侧分别设有至少一个刹车灯18和转向灯5，垃圾滤芯清洁口挡板17的上方设有急停开关19，车体I的前方还设有至少一个转向灯5和照明灯7。
[0039]本实施例的工作原理为:根据需要外部人员在手动控制模式下通过遥控器实现清扫车的运动和清扫动作，在自主控制模式下，打开清扫功能，前方检修口 2内的自动升降装置启动，使清扫盘刷9与车体I前方下端的激光扫描测距雷达6同步下落，当下落至最低高度时，清扫电机启动，清扫盘刷9旋转，开始清扫，同时下部的激光扫描测距雷达6开始工作，利用激光扫描测距雷达6和摄像头3相结合的方式，在有路沿石的路段，用激光扫描测距雷达6识别，在没有路沿石的路段，采用摄像头3识别标记线，由图像处理与GPS定位相结合，实现路径规划与自主导航；当遇到掉头路口时，利用摄像头3和地标，结合GPS定位模块14，对掉头路口进行识别和定位，实现掉头路口检测和路段定位，完成掉头动作;通过导入清扫区域的离线测绘地图，结合道路的GPS定位信息和摄像头3拍摄的图像信息，确定清扫车的运动方向、运动轨迹和在地图中的具体位置;当遇到障碍物时，采用超声波测距传感器4和激光扫描测距雷达6采集数据，利用智能控制算法，实现清扫车的避障;清扫车前方障碍物检测距离范围:O?30m，检测角度:0-180度，左右侧障碍物检测报警距离范围:0-3m，后方障碍物检测报警距离范围:0-6m;自动避障响应距离可在检测范围内自由设定；当障碍物进入报警距离区域时，警示灯15声光报警，并减速行驶;当障碍物进入避障响应距离区域时，转向轮8自动转向，通过左右空闲车道自动绕行避障，避障完成后继续进入正常行驶模式，直至完成所有规划路径的清扫作业，在清扫的过程中工作人员利用人机交互平台，通过无线数据传输基站网络传输数据，可以远程监视清扫车的电量、开关信息等各种参数的运行状态，实时显示清扫车在后台地图模型上的位置，以及清扫车前方的视频图像信息。
[0040]采用以上结合附图描述的本实用新型的实施例的基于激光和视觉的道路自主清扫车，在无人驾驶的情况下能够自主控制进行路径规划和导航定位，在自动模式下真正做到无需人员再次干预即可完成清扫作业，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种基于激光和视觉的道路自主清扫车，包括车体(I)，其特征在于:所述的车体(I)外部的前方设有激光扫描测距雷达(6)和摄像头(3)，车体(I)的上方设有GPS定位模块(14)，车体(I)的下方设有至少一个清扫盘刷(9)，清扫盘刷(9)的前后两侧分别设有转向轮(8)和驱动轮(10)，车体(I)的内部设有车载电脑主板和整车控制系统，车载电脑主板连接激光扫描测距雷达(6)、摄像头(3)、GPS定位模块(14)和整车控制系统，并通过无线数据传输基站网络与人机交互平台实现数据通讯。2.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的整车控制系统包括电源管理系统、运动控制系统、超声波自动避障系统、清扫控制系统和无线数据传输模块，上述各个系统和部件之间通过CAN总线进行数据通信，无线数据传输模块与遥控器实现数据通讯。3.根据权利要求2所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的超声波自动避障系统包括超声波测距传感器(4)，超声波测距传感器(4)包括若干个，分别位于车体(I)的前面和侧面;左右两侧的超声波测距传感器(4)对称分布。4.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的激光扫描测距雷达(6)位于车体(I)的前方，激光扫描测距雷达(6)包括2个，一个激光扫描测距雷达(6)位于车体(I)前方的下端贴近地面，用于检测前方道路两侧路沿石边沿及较矮的障碍物，另一个激光扫描测距雷达(6)位于车体(I)前方的中央，用于检测高于路沿石的障碍物。5.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的车体(I)的前方和侧面均设有检修口(2)，前方的检修口(2)内设有转向控制装置和自动升降装置，转向控制装置连接整车控制系统和转向轮(8)，自动升降装置连接整车控制系统、清扫盘刷(9)和激光扫描测距雷达(6)，侧面的检修口( 2)内设有充电接口且与前方检修口(2)配合对车体(I)内的系统进行检修与更换。6.根据权利要求5所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的转向控制装置包括转向电机和控制器，转向电机连接控制器和转向轮(8)，控制器连接整车控制系统。7.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的车载电脑主板与整车控制系统之间通过USBCAN适配器实现数据协议转换。8.根据权利要求1或5所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的车体(I)的上方设有警示灯(15)和检修口上盖(16)，警示灯(15)位于检修口上盖(16)的上方，检修口上盖(16)内设有钥匙开关、手自动切换旋钮开关、照明灯开关、洒水开关、遥控器接口和电量表，检修口上盖(16)的一侧设有无线通信天线(13)和洒水箱注入口(I2)，无线通信天线(13)连接无线数据传输基站网络。9.根据权利要求1所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的转向轮(8)的数量为I个，位于车体(I)下方的前端，驱动轮(10)的数量为2个，位于车体(I)下方的后端呈左右对称分布，清扫盘刷(9)的数量为2个，位于转向轮(8)和驱动轮(10)之间呈左右对称分布。10.根据权利要求1或5所述的基于激光和视觉的道路自主清扫车，其特征在于:所述的车体(I)的后方设有垃圾箱(11)和其下方的垃圾滤芯清洁口挡板(17)，垃圾滤芯清洁口挡板(17)的左右两侧分别设有至少一个刹车灯(18)和转向灯(5)，垃圾滤芯清洁口挡板(17)的上方设有急停开关(19)，车体(I)的前方还设有至少一个转向灯(5)和照明灯(7)。
【文档编号】G05D1/02GK205530067SQ201620293245
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】李卫民, 孟庆志, 任传德, 闫怀仁, 刘国庆
【申请人】济宁中科先进技术研究院有限公司