基于北斗的輪履復合式清掃車(chē)*

*基金項目：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目（X202210143008）

1   前言

現有智能垃圾車(chē)一般沒(méi)有配備衛星導航裝置，不能實(shí)現全自主行進(jìn)功能，是智能化垃圾車(chē)難以實(shí)際應用的重要因素之一。

北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行的衛星導航定位系統，系統能提供時(shí)間和空間基準，以及與位置相關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，將北斗系統導入垃圾清掃機器車(chē)中，符合國家將北斗衛星全行業(yè)植入發(fā)展的科技戰略和保護環(huán)境的基本宗旨，也是改善社會(huì )公共服務(wù)和提高人民生活環(huán)境水平的重要舉措。

表1 基于北斗的輪履復合式清掃車(chē)各功能模塊概述

2   系統總體方案設計

系統功能模塊包括：中心控制模塊、北斗路況檢測模塊、北斗導航定位模塊、自主動(dòng)態(tài)避障模塊、工作行進(jìn)模塊、垃圾撿取模塊，各模塊功能簡(jiǎn)介見(jiàn)表1。

根據上述分析，本項目主要實(shí)現功能如下：

1）本車(chē)采用北斗導航定位彌補不足，規劃出多種線(xiàn)路，進(jìn)行擇優(yōu)選擇；

2）采用自主避障模式保證人員與車(chē)輛安全，利用北斗衛星對周?chē)h(huán)境人員密集度的實(shí)時(shí)檢測，避免大規模人群；

3）用輪履復合結構有效應對多種復雜環(huán)境，3 種工作模式的適時(shí)切換，可通過(guò)絕大部分復雜地形。

3   主要功能模塊設計

3.1 清掃車(chē)中心控制模塊

清掃車(chē)硬件組成框圖如圖1 所示，圖中的中心控制模塊對北斗和3D 相機傳遞回來(lái)的信息分析處理，之后對工作行進(jìn)模塊以及垃圾撿拾模塊進(jìn)行控制。

基于功能需求、成本和資源豐富性考慮，清掃車(chē)中心控制模塊采用Atmega 為核心控制器。Atmega 具有高性能、低功耗的8 位AVR 微處理器，兩個(gè)具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器、比較器，使得其在圖像處理上有更大優(yōu)勢，便于基于VSLAM 技術(shù)構建清掃車(chē)所在區域的三維地圖。

3.2 北斗路況檢測模塊

北斗衛星可以采集一定范圍內的路況信息，通過(guò)ATK -S1216F8-BD 北斗模塊將數據傳輸到Atmega 控制器中。系統在其與北斗導航系統信號傳輸的同時(shí)將地理位置傳輸到中心控制模塊，并通過(guò)數據存儲相關(guān)模塊進(jìn)行短期的地理位置的數據存儲，最終將實(shí)時(shí)的地理位置數據傳輸到控制中心的數據處理系統終端。

后Atmega 控制器采用圓算法的光伏陣列、標點(diǎn)定位、視覺(jué)的高壓方法檢測識別不同的路況信息。路況信息檢測識別過(guò)程如圖2所示。

1）檢測道路分布情況

使用圓算法的光伏陣列法，首先建立道路模型、城市模型和定位子系統，掃描大致路況，然后構建數學(xué)模型，采用圓算法對道路的分布情況進(jìn)行檢測，使清掃車(chē)可以得到可行進(jìn)的道路，避免清掃車(chē)在道路上亂行。

2）檢測識別建筑物

使用標點(diǎn)定位法，首先用柵格法建立路況的模型，其中用小方格代表所檢測的環(huán)境，并對環(huán)境矩形建模。接著(zhù)建立道路上高大建筑物、樹(shù)木等數學(xué)模型，根據模型進(jìn)行訓練，檢測識別出建筑物，避免發(fā)生危險。

3）檢測車(chē)、人流量

使用視覺(jué)高壓法，北斗衛星具有自動(dòng)化視覺(jué)檢測定位子系統，根據全局搜索與區域細分檢驗相結合的原理，進(jìn)行投影變換?？蓪?chē)流量、人流量密集的道路進(jìn)行檢測，當一些車(chē)流量、人流量密集的時(shí)候，清掃車(chē)可以暫時(shí)排除此道路。

3.3 導航定位模塊

導航定位模塊分為兩個(gè)部分：北斗定位和自主規劃最優(yōu)路線(xiàn)。

1）北斗定位

利用北斗衛星的定位技術(shù)將清掃車(chē)出發(fā)點(diǎn)的地理位置、終點(diǎn)的地理位置、清掃車(chē)實(shí)時(shí)位置相比較，通過(guò)北斗導航定位中的二維定位法，確定位置信息的經(jīng)緯度。同時(shí)采用圓算法的光伏陣列法，將從出發(fā)點(diǎn)到終點(diǎn)的所有路徑進(jìn)行整合，為下一步進(jìn)行路線(xiàn)規劃打好基礎。

2）自主動(dòng)態(tài)地規劃最優(yōu)清掃路線(xiàn)

采用柵格法構建清掃車(chē)行進(jìn)的路線(xiàn)模擬圖，從所有由出發(fā)點(diǎn)到終點(diǎn)的清掃路線(xiàn)中，結合實(shí)時(shí)路況擁堵情況，選擇出清掃時(shí)間最短的最優(yōu)路線(xiàn)。

如圖3 所示，假設清掃車(chē)要清掃A 位置到B 位置的所有道路，圖中白色區域為要清掃的道路，黑色區域為建筑物、圓環(huán)區域為紅燈、斜杠區域為擁擠路段, 其中一個(gè)小格代表的實(shí)際距離為500 m。由于清掃車(chē)在建筑物拐角處要進(jìn)行拐彎，可根據清掃車(chē)要拐彎的數量計算出所有可能的路線(xiàn)數量S 為：

式中n 為拐點(diǎn)數。清掃車(chē)由A走向B要經(jīng)過(guò)14 個(gè)拐點(diǎn)( 經(jīng)過(guò)建筑物的數量)，所以清掃車(chē)有S = 105 條路線(xiàn)可供選擇。理想情況下，即當沒(méi)有紅燈、道路并不擁擠的情況下，經(jīng)過(guò)拐點(diǎn)數量最少的道路即為最短路線(xiàn)，清掃用時(shí)最短。但是若出現道路擁堵等特殊情況，按理想路線(xiàn)行駛并不能省時(shí)節能。因此本項目在規劃路徑時(shí)，結合北斗衛星檢測到的實(shí)時(shí)路況，自主動(dòng)態(tài)的調整行駛路線(xiàn)。

如圖4 可知，當存在紅燈和擁擠時(shí)，清掃車(chē)在建筑物②左上角處拐彎然后在建筑物⑧右下角處拐彎再在建筑物?右上角處拐彎，最后在建筑物?左下角處拐彎，共需要經(jīng)過(guò)27 個(gè)小格，為最優(yōu)路線(xiàn)。采用柵格法將城市道路轉化為數學(xué)模型，通過(guò)計算，分析清掃車(chē)的工作時(shí)的車(chē)速。清掃車(chē)的行駛速度應在3~20 km/h，清掃車(chē)根據路面的實(shí)際情況來(lái)調整車(chē)速。清掃路線(xiàn)模擬圖如圖6 所示。圖中深黑色箭頭，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)紅燈和人群路段時(shí)會(huì )加快車(chē)速。例如，箭頭經(jīng)過(guò)路線(xiàn)為27 小格，代表實(shí)際距離為13.5 km。此時(shí)為節約時(shí)間保證清掃干凈，車(chē)速將控制在15~20 km/h。所以所需要的時(shí)間為0.675~0.9 h。在工作途中遇到行人、車(chē)輛會(huì )停止避免發(fā)生危險。例如，圖6 灰色箭頭所示，途中經(jīng)過(guò)紅燈、人群擁堵路段，清掃車(chē)會(huì )降低車(chē)速。箭頭經(jīng)過(guò)路線(xiàn)為31 小格，代表實(shí)際距離為15.5 km。車(chē)速應保持在8~15 km/h，避免發(fā)生意外。其中等待紅燈的時(shí)間為30 s、經(jīng)過(guò)人群車(chē)速為3~8 km/h。所以所需時(shí)間為2.66~5.225 h。

圖3 清掃路線(xiàn)示意圖

圖4 清掃路線(xiàn)模擬圖

3.4 自主動(dòng)態(tài)避障模塊

在清掃車(chē)工作過(guò)程中，清掃車(chē)應對隨時(shí)出現的人或物體采取及時(shí)、精確、自主的避讓措施，這就要求清掃車(chē)能夠對位姿實(shí)時(shí)改變的人或物體進(jìn)行分析，并進(jìn)行自主動(dòng)態(tài)避障，為清掃車(chē)在所處實(shí)時(shí)變化的環(huán)境下的工作安全提供保障。

對比幾種在二維平面中進(jìn)行測距實(shí)現避障的策略，本設計選用3D 相機作為采集信息的視覺(jué)傳感器，利用3D 相帶有的測距功能，采用VSLAM 技術(shù)，通過(guò)構建三維地圖的方式搭建清掃車(chē)周邊的環(huán)境地圖，相比其它距離傳感器而言，應用3D 視覺(jué)傳感器更能獲取足夠豐富的圖像信息。

VSLAM 處理流程如圖5 所示。通過(guò)VSLAM 處理相機采集的多幀圖像來(lái)估計自身的位姿變化，而后通過(guò)累計位姿的變化計算出清掃車(chē)與人或物體的距離，并進(jìn)行地圖構建與全局定位；采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)檢測，即采用邊緣描述法和體積描述法描述VSLAM 構建地圖中的人或物體的幾何特性，并對目標位姿進(jìn)行數據標注；對經(jīng)由閉環(huán)檢測得到的信息，由核心控制器對所構建的三維地圖中的物體的幾何特性信息、位姿信息進(jìn)行分析比對和優(yōu)化處理，完成全局軌跡和地圖的構建；最后進(jìn)行自主動(dòng)態(tài)避障決策，實(shí)現清掃車(chē)的自主動(dòng)態(tài)避障。

3.5 面對復雜地形的行走模式自主切換

1）履帶模式

履帶模式采用履帶接觸地面，車(chē)輪附著(zhù)在履帶兩側。履帶模式特點(diǎn)為行進(jìn)平穩，行進(jìn)速度較為緩慢，重心低，附著(zhù)系數大，具有良好的抗側翻和抗滑坡性能，同時(shí)還具有轉彎半徑小的機動(dòng)性，爬坡能力強等優(yōu)越的越野性能，屬于全地形的作業(yè)機械。

2）車(chē)輪模式

車(chē)輪模式采用車(chē)輪接觸地面，傳動(dòng)桿伸長(cháng)以抬高車(chē)體。車(chē)輪模式特點(diǎn)為行進(jìn)速度較快，效率高，車(chē)輪可180 度調節故其方向調整靈活度高，機動(dòng)性強。適用于較為平坦的路面以及水洼等需要抬高車(chē)體的情況，因其高機動(dòng)性能也適用于人員較為密集的場(chǎng)所。

3）輪履復合模式

輪履復合模式采用車(chē)輪與履帶的同時(shí)作用，傳動(dòng)桿伸縮自身長(cháng)度以改變車(chē)輪與履帶間距。輪履復合模式特點(diǎn)為可實(shí)時(shí)調節車(chē)輛重心，保持車(chē)身穩定性，車(chē)輪履帶相互作用，可彌補各自缺點(diǎn)。適用于臺階、樓梯等復雜路況。

4   結束語(yǔ)

本文針對垃圾清掃車(chē)自主規劃清掃路線(xiàn)這一特殊要求，在自主避障研究的基礎上與北斗衛星相結合，提高了自主清掃能力。并且對復雜地形進(jìn)行了分析，對車(chē)體結構進(jìn)行改良，效果良好。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）