基于激光雷達檢測的智能樓梯清潔作業系統研究

張歲寒 陳凱 張斌

摘要：本文提出一種基于單線激光雷達的環衛機器人智能樓梯清潔作業系統及方法，根據單線激光雷達點云掃描的樓梯幾何特性及數據分布，主激光雷達進行樓梯角點檢測及識別，左右激光雷達同時對邊界進行檢測，能快速檢測樓梯形狀及樓梯邊界。通過識別結果對環衛機器人進行作業速度控制，可以有效提升樓道清潔的作業效率。本研究魯棒性高，不受限于環境因素，檢測識別結果準確，所需算力小，能有效解決當前樓梯清潔人工作業強度大的問題，實現智慧樓宇的無人化清潔運營。

關鍵詞：樓梯；角點檢測；邊界檢測；清潔

DOI：10.12433/zgkjtz.20240709

目前，室內清潔機器人大多基于平面進行清潔作業，例如，展廳、高鐵、機場、辦公樓，針對不同樓層的清潔作業大多使用電梯聯動技術進行清潔機器人轉場，但對于樓道清潔主要還是以人工為主。李天慶提出一種基于多傳感器融合自主爬樓梯的控制系統及結構，將單目CCD得到的圖像進行邊緣提取、線段擬合和臺階判別處理，修正D－S證據的融合算法，通過多傳感器融合后的感知參數控制移動機器人自主爬樓梯控制，自主爬樓梯控制可以分成單層樓梯的自主爬行和多層樓梯的自主爬行。謝春波等提出基于雙目視覺獲取樓梯的三維點云數據，研究了對三維點云數據的處理方法，實現對樓梯參數的特征提取，使機器人獲取樓梯的多種參數，為機器人自主爬樓梯做準備。魏宏明等提出了輪腿式機器人攀爬樓梯的控制策略，通過對比實驗驗證了輪腿式機器人在攀爬樓梯方面具有明顯的優勢，同時針對移動機器人在未知環境下無法對樓梯可通過性進行判斷的問題，通過分析激光雷達掃描樓梯圖像，建立線性回歸模型得到樓梯的坡度。

一、智能樓梯清潔作業系統

智能樓梯清潔作業整體系統由以下部分組成：主傳感單元1、主傳感單元2、主傳感單元3、停障單元、主控制單元、整車控制系統，具體如圖1所示。停障單元在非樓梯清潔作業時查看機器人四周障礙物情況，在障礙物離機器人過近時發出停障信號，機器人進行自動停障。整車控制系統包含轉向系統、制動系統、傳動系統及機器人上裝作業裝置。

主控制單元作為核心控制器接收主傳感單元1、主傳感單元2、主傳感單元3信息，并進行傳感器融合檢測，通過檢測信息進行智能樓梯清潔機器人制動、轉向及對應上裝作業控制。如圖2所示，采用1個單線激光雷達作為主傳感單元1對樓梯進行幾何形態檢測，返回樓梯檢測結果；采用兩個單線激光雷達作為主傳感單元2對樓梯邊界進行檢測，返回邊界檢測結果。主傳感單元3檢測機器人四周障礙物情況，在障礙物離機器人過近時發出停障信號，機器人進行自動停障。主控制單元通過對樓梯及樓梯邊界的檢測結果控制清潔機器人進行清潔作業，主傳感單元1單線激光雷達安裝于環衛清潔機器人前側，采用固定安裝支架用于防震，離地高度hm，掃描面與樓梯垂直，掃描角度升序掃描；主傳感單元2、主傳感單元3單線激光雷達安裝于環衛清潔機器人左右兩側邊界，采用固定安裝支架，安裝角度ε，掃描面與樓梯垂直面夾角ε；主傳感單元1、主傳感單元2、主傳感單元3中3個激光雷達頂部的菱形標志安裝在同一水平面。

二、基于單線激光雷達的樓梯檢測方法

（一）樓梯識別

將單線激光雷達點云數據首先進行數據預處理，剔除噪聲點、異常點數據，獲得點云數據集A，并對集合A中數據按角度進行升序排序，得到索引id。

如圖3所示，對點云集A中任一點云ξ分解到XY平面，得到每一個點云的X、Y分量分別為ξ_X、ξ_Y。將ξ_Y按id順序存儲至點云集合B中。

如圖4所示，在點云集合B中自id=1開始，獲取id≤20的數據，計算點云檢測距離標準差σ，如果σ≤a，再次獲取n個數據，直至a＜ε＜b；將獲取的所有點云ξ保存至集合C中（其中a、b、n為設定閾值）；做這一步的目的是保證集合C中只有一層完整的樓梯信息。

針對集合C中所有點云ξc，計算任一點云ξcn與初值ξc1組成線段的斜率，將依次獲得的斜率保存在集合k中，求取集合k中最大值kmax，找到對應的ξci，從而獲得ξci的id，令ID=id；且ξci為第一個樓梯角點，后續樓梯角點檢測方式相同，如圖5所示；通過ξci的角度angle及距離distance，主控制單元控制整車行進到dt＜distance開啟作業裝置作業。在初期，關閉主傳感單元1樓梯檢測。

（二）樓梯邊界識別

左單線激光雷達識別樓梯邊界方式如圖6所示，對點云數據使用角度直通濾波方式獲得v＜angle＜w中所有點云ξ并存入集合（v、w為設定角度閾值），計算點云檢測距離d的標準差σ及距離平均值avg，如果（ε＞n）&（avg＞u），表示環衛清潔機器人即將到達左邊界，主控制單元控制整車降速。

右單線激光雷達識別樓梯邊界方式如圖7所示，使用角度直通濾波方式獲得c＜angle＜d中所有點云ξ并存入集合，計算點云檢測距離d的標準差σ，如果σ＜m，表示環衛清潔機器人即將到達右邊界，主控制單元控制整車降速。

三、智能樓梯清潔作業系統控制方法

智能環衛機器人在作業中根據剩余樓梯級數進行速度控制，保證樓梯清潔效率：主控制器通過獲得左右單線激光雷達點云檢測邊界控制環衛清潔機器人上臺階，并在count中進行計數。如果count＜12，主控制器控制作業系統按η1速度進行左右往返作業（根據國家標準，樓梯階梯級數不得超過18級）；如果count≥12，開啟主傳感單元1進行樓梯角點檢測，并按η2速度進行左右往返作業，直至所有樓梯全部清掃完成（η1、η2為設定作業速度，η1＞η2）。

四、結語

不同于一般室內清潔機器人只能在平面進行清掃保潔作業，本文設計了一種基于點云檢測的智能清潔作業系統，在智慧環衛機器人的基礎上，可實現自主樓梯清潔。通過單線激光雷達進行樓梯掃描，依據樓梯的幾何特性，檢測樓梯角點及樓梯邊界，并實現來回清掃控制，以智能化機器人替代人工，減少了清潔人員作業保潔范圍，有效提升了樓梯清潔的無人化保潔效率，實現了室內清掃作業場景的無人化運營。

參考文獻：

[1]李天慶.基于多傳感器融合的機器人自主爬樓梯研究[D].合肥：合肥工業大學，2008.

[2]謝春波，張偉軍，馮家波.基于雙目視覺的越障機器人樓梯參數感知技術研究[J].機電一體化，2018，24（02）：3-7.

[3]魏宏明，宋愛國，宋子墨，等.基于激光雷達的輪腿式機器人爬樓可通過性研究[J].電子測量技術，2018，41（01）：1-6.

[4]深圳犀牛智行科技有限公司，長沙中聯重科環境產業有限公司.清潔機器人的作業方法和清潔機器人[P].中國，CN202211364829.0，2023-02-03.

作者簡介：張歲寒（1988），女，湖南省長沙市人，

研究生，副高級工程師，主要研究方向為電氣自控；陳凱（1977），男，湖南省益陽市人，研究生，副高級工程師，主要研究方向為電氣自控；張斌（1983），男，江西省上饒市人，博士，正高級工程師，主要研究方向智能環衛機械。