本項目已獲得中國專利（實用新型，專利號：201320166457.0）

摘要：本文提出了一種智能機(jī)器人道路清理系統(tǒng)及清理方法，主要解決現(xiàn)有道路環(huán)境衛(wèi)生的清潔系統(tǒng)對交通影響大，易引起環(huán)衛(wèi)人員事故頻發(fā)的問題。該系統(tǒng)包括控制器 、雙目攝像頭 、中央處理器 、超聲測距單元 、清理機(jī)構(gòu) 和移動機(jī)構(gòu) 。控制器 讀取超聲測距單元 的數(shù)據(jù)，編碼后上傳給中央處理器 ，中央處理器 讀取雙目攝像頭 所攝圖像、所在路段信號燈狀態(tài)和超聲測距單元 數(shù)據(jù)，并進(jìn)行識別處理后，確定系統(tǒng)的移動方向及清理動作，下達(dá)給控制器 ，由控制器 先控制移動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動整個系統(tǒng)向垃圾方向移動，再控制清理機(jī)構(gòu) 清理垃圾。本發(fā)明可自動并主動地對道路進(jìn)行清理，可用于替代或輔助環(huán)衛(wèi)工人在交通繁忙或車速較高的危險路段，巡邏并深入道路進(jìn)行清理工作。

關(guān)鍵詞： 智能機(jī)器人關(guān)鍵字 體感 環(huán)衛(wèi)

引言

室外道路街道的清掃，歷來是一項繁重、危險、又臟又累的工作，要消耗大量的人力物力。特別是在清掃過程中如果會有垃圾出現(xiàn)在公路上，環(huán)衛(wèi)工人清掃時會與高速行駛的車輛產(chǎn)生近距離接觸，容易發(fā)生被撞事故，對道路清潔人員的生命安全造成了嚴(yán)重威脅。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計：2006年-2009年，發(fā)生在呼和浩特市環(huán)衛(wèi)工人群體中的大大小小的交通事故共有52起[1]。2002年-2007年，成都有18名環(huán)衛(wèi)工人在路面作業(yè)時遭遇車禍身亡 [2]。2011年以來，哈爾濱市涉及環(huán)衛(wèi)工人的交通事故有18起，6人死亡。 [3]2009年4月西安市發(fā)生了10起環(huán)衛(wèi)工人交通事故 [4]。

在人均車輛不斷增加的情況下，如何在道路清潔的同時保證道路清潔人員的生命安全是一個急需解決的問題。盡管現(xiàn)在的快車道清理是由專門的垃圾清理車清理。但是其清理頻率是固定的，難以保證隨時拋出的垃圾的清理。針對家庭環(huán)境設(shè)計的此類機(jī)器人，無法勝任道路清理工作。

現(xiàn)行的方案主要有以下三種：

第一種方案如中國專利發(fā)明200910111960.4。該方案是一種大型垃圾清理車。該方案的優(yōu)點是：道路清理效率高，清理速度較快，可以儲存大量清理上來的垃圾，是現(xiàn)行方案中最常見的一種。但該方案存在的缺點是：所使用的裝置需要人工操作，自動化程度低；所用裝置體積大，行動慢，容易造成交通堵塞，不便于進(jìn)入交通繁忙地帶清掃，限制了它的使用時間和使用場合，因此對同一路段清理次數(shù)較少，難以應(yīng)對不時出現(xiàn)的道路垃圾。為了保持路面整潔，環(huán)衛(wèi)工人仍需要不時冒險步入公路進(jìn)行垃圾清掃。

第二種方案如中國實用新型專利201120517848。該方案是一種微型道路清掃車，這種方案可以看做是普通道路清掃車的小型化版本。該方案的優(yōu)點是：有一定垃圾存儲量，清理效率較高，所用裝置體積相比第一種方案有所縮小，轉(zhuǎn)彎半徑小，使用場合有所擴(kuò)展，可以作為第一種方案的補(bǔ)充使用，在特大型城市中有所使用。但該方案存在的缺點是：仍是以有人駕駛的車輛為主體，仍舊存在影響道路交通，使用場所與時間受限，清理頻率難以保障的問題，且成本較高，不適合大規(guī)模使用，仍需環(huán)衛(wèi)工人冒險進(jìn)行人工清理。

系統(tǒng)原理

本文提出了一種智能機(jī)器人道路清理系統(tǒng)及方法，以在不對道路本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動的情況下，對道路實施主動穩(wěn)定的反復(fù)清理，而不需要人工操作。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的智能機(jī)器人道路清理系統(tǒng)，包括

超聲測距單元，用于采集傳感器前方障礙或道路垃圾的距離，并將該數(shù)據(jù)上傳至控制器；

控制器，用于接收超聲測距單元數(shù)據(jù)和采集道路清理系統(tǒng)所處方向數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳給中央處理器；

雙目攝像頭，固定在控制器前端，用于采集攝像頭前方圖像，并上傳至中央處理器；

中央處理器，固定在控制器的下部，其前端與超聲測距單元相連，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，識別出前方障礙及道路垃圾位置及距離，確定系統(tǒng)的移動及清理動作，并將動作指令傳達(dá)至控制器，由控制器控制移動機(jī)構(gòu)和清理機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)整體移動并清理道路垃圾；

清理機(jī)構(gòu)，固定在中央處理器下部，在控制器的控制下，進(jìn)行垃圾收集和暫存；

移動機(jī)構(gòu)，固定在清理機(jī)構(gòu)的下部，在控制器的控制下，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的有向運動。

作為優(yōu)選，所述的測距單元是由三個傳感器構(gòu)成，這三個傳感器并排固定在中央處理器的前端。

作為優(yōu)選，所述的控制器內(nèi)固定有兩塊控制板、兩個電機(jī)驅(qū)動板、攝像頭支架和攝像頭固定板，兩塊控制板并排固定在控制器內(nèi)的后部，兩個電機(jī)驅(qū)動板并排固定在控制器中的前部，攝像頭支架固定在控制器內(nèi)的前端，攝像頭固定板與攝像頭支架連接，攝像頭固定板可用于固定雙目攝像頭。

作為優(yōu)選，所述的中央處理器包括： 

通訊模塊，用于與系統(tǒng)外部進(jìn)行通信，獲取道路清理系統(tǒng)所在路段的信號燈狀態(tài)和該路段車流量數(shù)據(jù)，并將其編碼為控制指令數(shù)據(jù)，傳輸給決策模塊；

視覺模塊，用于接收雙目攝像頭所得的圖像數(shù)據(jù)，同時接收控制器傳來的超聲測距單元數(shù)據(jù)，依據(jù)超聲測距單元數(shù)據(jù)判斷感興趣區(qū)域，由該感興趣區(qū)域和圖像數(shù)據(jù)生成深度圖像數(shù)據(jù)，由該深度圖像數(shù)據(jù)識別出障礙物及垃圾位置數(shù)據(jù)，并分別傳輸給決策模塊、自動駕駛模塊和垃圾清理模塊；

決策模塊，用于依據(jù)控制指令數(shù)據(jù)和障礙物及垃圾位置數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)的移動模式及清理模式，并將其編碼為決策指令數(shù)據(jù)，同時傳輸給自動駕駛模塊和垃圾清理模塊；

自動駕駛模塊，用于接收控制器傳來的道路清理系統(tǒng)所處方向的數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)、決策指令數(shù)據(jù)及視覺模塊發(fā)送的障礙物及垃圾位置數(shù)據(jù)，確定移動方向數(shù)據(jù)，并將該方向數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件控制模塊；

垃圾清理模塊，用于根據(jù)決策指令和視覺模塊發(fā)送的障礙物及垃圾位置數(shù)據(jù)確定清理機(jī)構(gòu)的動作數(shù)據(jù)，并將該動作數(shù)據(jù)發(fā)送給硬件控制模塊；

硬件控制模塊，用于將移動方向數(shù)據(jù)及清理機(jī)構(gòu)的動作數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，發(fā)送給控制器。

作為優(yōu)選，所述的清理機(jī)構(gòu)內(nèi)固定有電池、電機(jī)、絲桿、推板、滑板和一對機(jī)械臂，電池固定在清理機(jī)構(gòu)后部，電機(jī)固定在電池的外殼上，并與絲桿連接；絲桿與推板連接，該推板的前端與滑板連接；一對機(jī)械臂分別固定在清理機(jī)構(gòu)外部兩側(cè)；該電機(jī)的軸上設(shè)有凸起，絲桿的后端面設(shè)有凹槽，通過凸起與凹槽相咬合實現(xiàn)電機(jī)與絲桿兩者之間的連接。該絲桿的圓柱面上設(shè)有螺紋，推板上設(shè)有對應(yīng)螺紋孔，通過螺紋與螺紋孔嚙合，實現(xiàn)內(nèi)絲桿與推板的連接。

    作為優(yōu)選，所述的移動機(jī)構(gòu)內(nèi)固定有4個全向輪，4個電機(jī)及對應(yīng)的電機(jī)固定器；所述4個電機(jī)固定在所述電機(jī)固定器上，固定器固定在移動機(jī)構(gòu)的底板上；每個電機(jī)軸上設(shè)有凸起，每個全向輪設(shè)有對應(yīng)凹槽，通過凸起與凹槽相咬合實現(xiàn)電機(jī)與全向輪的對應(yīng)連接。

 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用上述智能機(jī)器人道路清理系統(tǒng)進(jìn)行道路清理的方法，包括如下步驟：

1) 中央處理器通過路段十字路口的信號燈獲取道路清理系統(tǒng)所在路段的信號燈指示狀態(tài)，并根據(jù)信號燈指示狀態(tài)確定移動機(jī)構(gòu)的工作方向：

2) 若信號燈為紅，則中央處理器下達(dá)指令給控制器，以控制移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動道路清理系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)向所在道路中央方向；

若信號燈為綠，則央處理器下達(dá)指令給控制器，以控制移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動道路清理系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)向所在道路邊側(cè)方向；

3) 轉(zhuǎn)向完成后，超聲測距單元的三個傳感器同時向前方發(fā)射超聲波，采集各自的回波信號，并將各自采集到的信號上傳給控制器；

4) 控制器接收到超聲測距單元三個傳感器傳來的三個信號后，分別測量這三個傳感器的高電平信號持續(xù)時間 ，依據(jù)公式 ，其中， 為聲速，取值為 ，計算三個傳感器發(fā)射超聲波到達(dá)的最遠(yuǎn)距離的距離數(shù)據(jù) ，并將其上傳給中央處理器；

5) 中央處理器先建立一個顏色全為黑的圖像數(shù)據(jù)，作為感興趣區(qū)域，再對3個傳感器發(fā)射超聲波到達(dá)的最遠(yuǎn)距離 依次進(jìn)行判定，以填充該感興趣區(qū)域：

    若 >20,則將感興趣區(qū)域中橫坐標(biāo)小于感興趣區(qū)域?qū)挾?/3的點填充為白色；

    若 >20,則將感興趣區(qū)域中橫坐標(biāo)小于感興趣區(qū)域?qū)挾?/3并大于感興趣區(qū)域?qū)挾?/3的點填充為白色；

    若 >20,則將感興趣區(qū)域中橫坐標(biāo)大于感興趣區(qū)域?qū)挾?/3的點填充為白色；

6) 中央處理器從雙目攝像頭中讀取其當(dāng)前所攝圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)該圖像和感興趣區(qū)域生成一張含有實際物體三維信息的圖像，作為深度圖數(shù)據(jù)，并對該深度圖進(jìn)行掃描，檢測出每一個物體，確定道路上的障礙及垃圾的位置：

7) 若深度圖中某一物體，其尺寸小于 cm，則判定為垃圾，反之判定為障礙，分別記錄其坐標(biāo)；

8) 全圖掃描完畢后，若檢測到的垃圾數(shù)量不為0，則執(zhí)行下一步；若檢測到的垃圾數(shù)量為0，則中央處理器下達(dá)指令給控制器，控制移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動道路清理系統(tǒng)整體先轉(zhuǎn)向平行于所在道路邊側(cè)方向，再向前行駛2秒；返回步驟（1）；

9) 中央處理器依據(jù)障礙及垃圾位置數(shù)據(jù)確定最佳行駛方向，并將該最佳行駛方向下達(dá)給控制器；由控制器控制移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動道路清理系統(tǒng)整體向該方向行駛0.5秒后，再依據(jù)深度圖像判定距離最近的垃圾是否小于15厘米，若是，則控制器先控制移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)整體移向正對該垃圾處，再控制清理機(jī)構(gòu)清理并收集垃圾，之后執(zhí)行下一步，否則返回步驟（2）；

10) 中央處理器從雙目攝像頭中讀取其當(dāng)前所攝圖像數(shù)據(jù)，依據(jù)該圖像識別出倒垃圾的位置，并向控制器下達(dá)指令控制移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動道路清理系統(tǒng)整體移動至垃圾箱位置處，再控制清理機(jī)構(gòu)倒出垃圾，返回步驟（1）。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1）本發(fā)明由于設(shè)有清理機(jī)構(gòu)，可以在機(jī)體較小的情況下清理較大的垃圾；同時由于體積小，故能駛?cè)胗捎趥鹘y(tǒng)技術(shù)方案難以清理的車流量較大和道路較窄路段進(jìn)行工作。

本發(fā)明由于設(shè)有具有較高處理性能的中央處理器和控制器，可以通過信號燈狀態(tài)、雙目攝像頭和超聲測距單元的數(shù)據(jù)，為不同道路情況規(guī)劃不同路線，主動尋找垃圾，并避開各種障礙，其間不需要人工干預(yù)，因此較傳統(tǒng)技術(shù)方案可以降低人力成本，同時清理次數(shù)可以滿足道路需要。

2）本發(fā)明具有可以全向行駛的移動機(jī)構(gòu)，使得本發(fā)明機(jī)動性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)方案，可以更好地避開車輛和行人，因此對交通秩序的影響遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)技術(shù)方案。

與市面上見到的家用清掃機(jī)器人不同，我們的智能化道路清掃機(jī)器人更加針對復(fù)雜多變的室外環(huán)境，使用手勢控制機(jī)器動作，可以做到“隔空取物”的效果。首先，在信息采集模塊的設(shè)計上采用雙目攝像頭搭配超聲測距模塊，為雙目視覺技術(shù)和手勢識別技術(shù)奠定了基石；其次，采用以Atom為核心的x86架構(gòu)，保證了實時處理所需的計算能力；最后，在清掃流程的設(shè)計上，充分發(fā)揮視覺技術(shù)的優(yōu)點，擺脫了傳統(tǒng)機(jī)器人被動避障的束縛，把機(jī)器視覺技術(shù)做到了真正可行、實用。我們要做的工作就是做到這樣一種理念－－以人為本，能最大化的減少人的干預(yù)，最大化的改善人機(jī)交互流程，高效地完成垃圾清理工作。我們相信，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的機(jī)器人將是智能和人工的高度結(jié)合。我們希望通過這樣的嘗試為和諧社會的建設(shè)作出自己的一份貢獻(xiàn)，表達(dá)我們對清潔工人和其它勞動者的感謝和敬意，代表了我們對人文式創(chuàng)新的不斷追求。 

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