基于激光雷达检测的智能楼梯清洁作业系统研究

张岁寒 陈凯 张斌

摘要：本文提出一种基于单线激光雷达的环卫机器人智能楼梯清洁作业系统及方法，根据单线激光雷达点云扫描的楼梯几何特性及数据分布，主激光雷达进行楼梯角点检测及识别，左右激光雷达同时对边界进行检测，能快速检测楼梯形状及楼梯边界。通过识别结果对环卫机器人进行作业速度控制，可以有效提升楼道清洁的作业效率。本研究鲁棒性高，不受限于环境因素，检测识别结果准确，所需算力小，能有效解决当前楼梯清洁人工作业强度大的问题，实现智慧楼宇的无人化清洁运营。

关键词：楼梯；角点检测；边界检测；清洁

DOI：10.12433/zgkjtz.20240709

目前，室内清洁机器人大多基于平面进行清洁作业，例如，展厅、高铁、机场、办公楼，针对不同楼层的清洁作业大多使用电梯联动技术进行清洁机器人转场，但对于楼道清洁主要还是以人工为主。李天庆提出一种基于多传感器融合自主爬楼梯的控制系统及结构，将单目CCD得到的图像进行边缘提取、线段拟合和台阶判别处理，修正D－S证据的融合算法，通过多传感器融合后的感知参数控制移动机器人自主爬楼梯控制，自主爬楼梯控制可以分成单层楼梯的自主爬行和多层楼梯的自主爬行。谢春波等提出基于双目视觉获取楼梯的三维点云数据，研究了对三维点云数据的处理方法，实现对楼梯参数的特征提取，使机器人获取楼梯的多种参数，为机器人自主爬楼梯做准备。魏宏明等提出了轮腿式机器人攀爬楼梯的控制策略，通过对比实验验证了轮腿式机器人在攀爬楼梯方面具有明显的优势，同时针对移动机器人在未知环境下无法对楼梯可通过性进行判断的问题，通过分析激光雷达扫描楼梯图像，建立线性回归模型得到楼梯的坡度。

一、智能楼梯清洁作业系统

智能楼梯清洁作业整体系统由以下部分组成：主传感单元1、主传感单元2、主传感单元3、停障单元、主控制单元、整车控制系统，具体如图1所示。停障单元在非楼梯清洁作业时查看机器人四周障碍物情况，在障碍物离机器人过近时发出停障信号，机器人进行自动停障。整车控制系统包含转向系统、制动系统、传动系统及机器人上装作业装置。

主控制单元作为核心控制器接收主传感單元1、主传感单元2、主传感单元3信息，并进行传感器融合检测，通过检测信息进行智能楼梯清洁机器人制动、转向及对应上装作业控制。如图2所示，采用1个单线激光雷达作为主传感单元1对楼梯进行几何形态检测，返回楼梯检测结果；采用两个单线激光雷达作为主传感单元2对楼梯边界进行检测，返回边界检测结果。主传感单元3检测机器人四周障碍物情况，在障碍物离机器人过近时发出停障信号，机器人进行自动停障。主控制单元通过对楼梯及楼梯边界的检测结果控制清洁机器人进行清洁作业，主传感单元1单线激光雷达安装于环卫清洁机器人前侧，采用固定安装支架用于防震，离地高度hm，扫描面与楼梯垂直，扫描角度升序扫描；主传感单元2、主传感单元3单线激光雷达安装于环卫清洁机器人左右两侧边界，采用固定安装支架，安装角度ε，扫描面与楼梯垂直面夹角ε；主传感单元1、主传感单元2、主传感单元3中3个激光雷达顶部的菱形标志安装在同一水平面。

二、基于单线激光雷达的楼梯检测方法

（一）楼梯识别

将单线激光雷达点云数据首先进行数据预处理，剔除噪声点、异常点数据，获得点云数据集A，并对集合A中数据按角度进行升序排序，得到索引id。

如图3所示，对点云集A中任一点云ξ分解到XY平面，得到每一个点云的X、Y分量分别为ξ_X、ξ_Y。将ξ_Y按id顺序存储至点云集合B中。

如图4所示，在点云集合B中自id=1开始，获取id≤20的数据，计算点云检测距离标准差σ，如果σ≤a，再次获取n个数据，直至a＜ε＜b；将获取的所有点云ξ保存至集合C中（其中a、b、n为设定阈值）；做这一步的目的是保证集合C中只有一层完整的楼梯信息。

针对集合C中所有点云ξc，计算任一点云ξcn与初值ξc1组成线段的斜率，将依次获得的斜率保存在集合k中，求取集合k中最大值kmax，找到对应的ξci，从而获得ξci的id，令ID=id；且ξci为第一个楼梯角点，后续楼梯角点检测方式相同，如图5所示；通过ξci的角度angle及距离distance，主控制单元控制整车行进到dt＜distance开启作业装置作业。在初期，关闭主传感单元1楼梯检测。

（二）楼梯边界识别

左单线激光雷达识别楼梯边界方式如图6所示，对点云数据使用角度直通滤波方式获得v＜angle＜w中所有点云ξ并存入集合（v、w为设定角度阈值），计算点云检测距离d的标准差σ及距离平均值avg，如果（ε＞n）&（avg＞u），表示环卫清洁机器人即将到达左边界，主控制单元控制整车降速。

右单线激光雷达识别楼梯边界方式如图7所示，使用角度直通滤波方式获得c＜angle＜d中所有点云ξ并存入集合，计算点云检测距离d的标准差σ，如果σ＜m，表示环卫清洁机器人即将到达右边界，主控制单元控制整车降速。

三、智能楼梯清洁作业系统控制方法

智能环卫机器人在作业中根据剩余楼梯级数进行速度控制，保证楼梯清洁效率：主控制器通过获得左右单线激光雷达点云检测边界控制环卫清洁机器人上台阶，并在count中进行计数。如果count＜12，主控制器控制作业系统按η1速度进行左右往返作业（根据国家标准，楼梯阶梯级数不得超过18级）；如果count≥12，开启主传感单元1进行楼梯角点检测，并按η2速度进行左右往返作业，直至所有楼梯全部清扫完成（η1、η2为设定作业速度，η1＞η2）。

四、结语

不同于一般室内清洁机器人只能在平面进行清扫保洁作业，本文设计了一种基于点云检测的智能清洁作业系统，在智慧环卫机器人的基础上，可实现自主楼梯清洁。通过单线激光雷达进行楼梯扫描，依据楼梯的几何特性，检测楼梯角点及楼梯边界，并实现来回清扫控制，以智能化机器人替代人工，减少了清洁人员作业保洁范围，有效提升了楼梯清洁的无人化保洁效率，实现了室内清扫作业场景的无人化运营。

参考文献：

[1]李天庆.基于多传感器融合的机器人自主爬楼梯研究[D].合肥：合肥工业大学，2008.

[2]谢春波，张伟军，冯家波.基于双目视觉的越障机器人楼梯参数感知技术研究[J].机电一体化，2018，24（02）：3-7.

[3]魏宏明，宋爱国，宋子墨，等.基于激光雷达的轮腿式机器人爬楼可通过性研究[J].电子测量技术，2018，41（01）：1-6.

[4]深圳犀牛智行科技有限公司，长沙中联重科环境产业有限公司.清洁机器人的作业方法和清洁机器人[P].中国，CN202211364829.0，2023-02-03.

作者简介：张岁寒（1988），女，湖南省长沙市人，

研究生，副高级工程师，主要研究方向为电气自控；陈凯（1977），男，湖南省益阳市人，研究生，副高级工程师，主要研究方向为电气自控；张斌（1983），男，江西省上饶市人，博士，正高级工程师，主要研究方向智能环卫机械。