一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置，包括摄像头、速度传感器、GPS定位装置、工控机、车载直流电源、控制器。本发明专利技术还公开了一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算方法，根据视觉感知方法获取路面垃圾物种类及覆盖率；基于视觉感知方法建立扫盘功率拟合模型及制定风机挡位选取规则；结合步骤一获取的垃圾物种类及覆盖率，以及步骤二建立的扫盘功率拟合模型及风机挡位选取规则，预测实际作业工况下清扫车扫盘、风机功率。本发明专利技术基于能源耗损问题对清扫车进行功率优化，使得清扫车能够根据实际作业工况智能选取最优作业功率，提高清扫车智能化程度的同时，达到了节约能源降低功率损耗的目的。

A Power Calculating Device and Method for Cleaning Vehicle Operation Based on Visual Perception Technology

The invention discloses a power calculating device for cleaning vehicle operation based on visual perception technology, which comprises a camera, a speed sensor, a GPS positioning device, an industrial computer, an on-board DC power supply and a controller. The invention also discloses a method for calculating the working power of a sweeper based on visual perception technology, which obtains the types and coverage of rubbish on the road surface according to the visual perception method; establishes the sweeper power fitting model based on the visual perception method and formulates the rules for selecting the blower gear; and combines the types and coverage of rubbish obtained in step 1 with the sweeper power fitting model established in step 2. And the selection rules of blower gear, predict the power of sweeper plate and blower under actual working conditions. The invention optimizes the power of the sweeper based on the problem of energy consumption, enables the sweeper to select the optimal operation power intelligently according to the actual operation conditions, improves the intelligent degree of the sweeper, and achieves the purpose of saving energy and reducing power loss.

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置及方法
本专利技术属于智能清扫车
，具体涉及一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置及方法。
技术介绍
随着生活水平的提高，城市环卫工作逐渐由清扫车承担，在一定程度上解放了人工劳动力，但是现阶段清扫车智能化水平不高，并且由于其作业工况特殊，传统道路清扫车在作业期间人工选取作业功率，无法根据路面实际作业工况选取最优作业功率，容易出现功率不匹配的现象，势必造成一定程度的能源损失。如图1所示，传统清扫车进行道路清扫时，驾驶员根据路面状态在操作面板上进行风机、扫盘以及高压水泵挡位的选取，控制各执行器的清扫挡位，根据大多数驾驶员操作习惯，选取的清扫挡位往往比所需挡位高，而相邻挡位扫盘转速相差20～40r/min，高一挡位风机功率大约为低一档位风机功率的一倍，挡位选取不合理会造成很大的能量损失，此外由于水泵不同挡位之间损耗功率差别较小，故本专利技术针对风机、扫盘挡位/功率进行智能控制，基于能源耗损问题对清扫车进行功率优化，使得清扫车能够根据实际作业工况智能选取最优作业功率，提高清扫车智能化程度的同时，达到了节约能源降低功率损耗的目的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置，基于能源耗损问题对清扫车进行功率优化，使得清扫车能够根据实际作业工况智能选取最优作业功率，提高清扫车智能化程度的同时，达到了节约能源降低功率损耗的目的。为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置，包括摄像头、速度传感器、GPS定位装置、工控机、车载直流电源、控制器；摄像头通过GigE接口与工控机连接，车载直流电源分别给工控机及摄像头供电，工控机通过CAN接口与上装集成控制器连接，上装集成控制器通过数字I/O接口与扫盘、风机以及高压水泵连接；摄像头共有两个，分别安装在车头处以及车尾处，车头处摄像头可以看到前方是否有垃圾物；车尾摄像头实时拍摄清扫后的路面状态，并通过工控机将信息传送至环卫队；速度传感器用于实时获取清扫车作业车速；工控机中存有视觉感知模型以及执行器功率拟合模型，能够接收摄像头传递的视频流信息，识别路面垃圾物种类、覆盖率，预测作业工况下所需最佳执行器功率/挡位，同时工控机可将摄像头拍摄的视频流信息以及GPS定位装置的清扫车位置信息实时传送至环卫部门，对道路清扫情况的实时监控；控制器包括底盘集成控制器以及上装集成控制器，通过CAN接口接收工控机指令，并输出数字I/O以调节执行器作业功率。本专利技术同时提供了一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算方法，包括以下步骤：步骤一、根据视觉感知方法获取路面垃圾物种类及覆盖率；步骤二、基于视觉感知方法建立扫盘功率拟合模型及制定风机挡位选取规则；步骤三、结合步骤一获取的垃圾物种类及覆盖率，以及步骤二建立的扫盘功率拟合模型及风机挡位选取规则，预测实际作业工况下清扫车扫盘、风机功率。进一步地，所述步骤二中基于视觉感知方法建立扫盘功率拟合模型包括以下过程：1)实验获取多组不同工况下的扫盘功率；2)采用主成分分析算法对输入变量进行降维处理；3)采用线性回归算法拟合主成分与扫盘功率之间的函数关系；4)得到扫盘功率拟合模型。更进一步地，所述步骤2)采用主成分分析算法对输入变量进行降维处理的具体过程为：在建模过程中，将样本数据划分为拟合数据和验证数据，给定数据集D＝{(x1,p11,p21),(x2,p12,p22),…,(xm,p1m,p2m)}，其中xi＝(xi1,xi2,xi3,xi4,xi5)表示一个样本中对应的五个属性，分别为垃圾覆盖率、垃圾种类、垃圾物的亲水性、路面状态以及天气状态；输入矩阵为(1)计算输入矩阵X1的协方差矩阵；(2)计算协方差矩阵的特征值和特征向量；(3)利用MATLAB软件对各个变量进行主成分分析，获得各成分的特征值、贡献率和累计贡献率，确定主成分个数及其贡献率；系统主成分为垃圾覆盖率、垃圾种类以及路面状态，输入矩阵变为X′：所述步骤3)采用线性回归算法拟合主成分与扫盘功率之间的函数关系的具体过程为：此时数据集变为D＝{(x1,p11,p21),(x2,p12,p22),…,(xm,p1m,p2m)}，其中xi＝(xi1,xi2,xi3)表示一个样本中对应的三个主成分；采用线性回归算法，试图学得：其中，为预测的盘扫功率；P1为该工况下对应的最优盘扫功率，该值由实验测得；令化输入矩阵为其中，m表示输入样例个数，输入矩阵每一行即表示一个样例；xm1、xm2、xm3分别表示输入的三个属性，即垃圾覆盖率、垃圾种类以及垃圾亲水性；由最小二乘算法估计误差可知，误差为：定义损失函数为：找到一个使得最小，即进一步地，所述步骤二中基于视觉感知方法制定风机挡位选取规则包括以下过程：1)实验获取各个组合某一覆盖率j下单类垃圾质量mi、体积Vi，其中，下标表示第i类垃圾，i＝1，2，3，4，5，由此可得到单类垃圾覆盖率与质量、体积对应表；2)采用盘扫将垃圾扫成一长条状，计算可得第i类垃圾盘扫后的堆状垃圾长Li：式中，w为堆状垃圾宽度，h为堆状垃圾高度；3)计算第i类垃圾对应的上装系数：定义单类垃圾上装系数θi为：式中，vc为清扫车清扫车速；4)得到n类垃圾混合后的等效上装系数θn：由此可得到风机挡位-等效上装系数θn关系表。进一步地，所述步骤三结合步骤一获取的垃圾物种类及覆盖率，以及步骤二建立的扫盘功率拟合模型及风机挡位选取规则，预测实际作业工况下清扫车扫盘、风机功率，包括以下过程：3.1)摄像头实时获取作业路面图像，根据视觉感知获取路面垃圾物种类i及覆盖率j，自带速度传感器获取当前作业车速vc；3.2)获取作业工况所需扫盘功率：将垃圾物种类i及覆盖率j输入至所述步骤二建立的扫盘功率拟合模型中，得到当前作业工况下的最低扫盘功率3.2)获取作业工况所需风机挡位：根据步骤二建立的单类垃圾覆盖率-质量-体积对应表以及摄像头识别得到的垃圾种类i、覆盖率j查找得到单类垃圾质量体积计算当前工况下混合垃圾等效上装系数根据所述步骤二建立的风机挡位-等效上装系数θn关系表，将所得与风机各档位对应系数做比较，采取向上选取原则得出当前工况所需风机挡位。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：1.根据实际作业工况主动选取最优最低工作功率，达到相同清扫程度的前提下能够有效节能，有效解决了传统清扫车功率不匹配的现象；2.由于清扫车实际作业时，采用先扫盘后风机来清扫垃圾物，且扫盘和风机采用的功率也不尽相同，故将模型构建过程分为两部分进行，如此一来能够排除两个执行器间的功率干扰，提高拟合精度；3.在构建扫盘功率控制模型时，由于影响扫盘功率的因素众多，首先采用主成分分析法提取出影响权重较大的自变量，有利于排除弱相关因素带来的误差；4.由于路面垃圾物覆盖率与风机功率没有直接的函数联系，无法建立两者的拟合函数，而在一定吸风功率下风机能够吸附的混合垃圾质量是确定、有限的，故通过实验构建类垃圾覆盖率-质量-体积对应表、风机挡位-等效上装系数θn关系表，制定风机挡位选取规则，更贴近实际作业。附图说明图1为传统清扫车功率挡位选取原理图；图2为本专利技术一种基于视觉感知技术的清扫车本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置，其特征在于，包括摄像头、速度传感器、GPS定位装置、工控机、车载直流电源、控制器；摄像头通过GigE接口与工控机连接，车载直流电源分别给工控机及摄像头供电，工控机通过CAN接口与上装集成控制器连接，上装集成控制器通过数字I/O接口与扫盘、风机以及高压水泵连接；摄像头共有两个，分别安装在车头处以及车尾处，车头处摄像头可以看到前方是否有垃圾物；车尾摄像头实时拍摄清扫后的路面状态，并通过工控机将信息传送至环卫队；速度传感器用于实时获取清扫车作业车速；工控机中存有视觉感知模型以及执行器功率拟合模型，能够接收摄像头传递的视频流信息，识别路面垃圾物种类、覆盖率，预测作业工况下所需最佳执行器功率/挡位，同时工控机可将摄像头拍摄的视频流信息以及GPS定位装置的清扫车位置信息实时传送至环卫部门，对道路清扫情况的实时监控；控制器包括底盘集成控制器以及上装集成控制器，通过CAN接口接收工控机指令，并输出数字I/O以调节执行器作业功率。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算装置，其特征在于，包括摄像头、速度传感器、GPS定位装置、工控机、车载直流电源、控制器；摄像头通过GigE接口与工控机连接，车载直流电源分别给工控机及摄像头供电，工控机通过CAN接口与上装集成控制器连接，上装集成控制器通过数字I/O接口与扫盘、风机以及高压水泵连接；摄像头共有两个，分别安装在车头处以及车尾处，车头处摄像头可以看到前方是否有垃圾物；车尾摄像头实时拍摄清扫后的路面状态，并通过工控机将信息传送至环卫队；速度传感器用于实时获取清扫车作业车速；工控机中存有视觉感知模型以及执行器功率拟合模型，能够接收摄像头传递的视频流信息，识别路面垃圾物种类、覆盖率，预测作业工况下所需最佳执行器功率/挡位，同时工控机可将摄像头拍摄的视频流信息以及GPS定位装置的清扫车位置信息实时传送至环卫部门，对道路清扫情况的实时监控；控制器包括底盘集成控制器以及上装集成控制器，通过CAN接口接收工控机指令，并输出数字I/O以调节执行器作业功率。2.一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据视觉感知方法获取路面垃圾物种类及覆盖率；步骤二、基于视觉感知方法建立扫盘功率拟合模型及制定风机挡位选取规则；步骤三、结合步骤一获取的垃圾物种类及覆盖率，以及步骤二建立的扫盘功率拟合模型及风机挡位选取规则，预测实际作业工况下清扫车扫盘、风机功率。3.如权利要求2所述的一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算方法，其特征在于，所述步骤二中基于视觉感知方法建立扫盘功率拟合模型包括以下过程：1)实验获取多组不同工况下的扫盘功率；2)采用主成分分析算法对输入变量进行降维处理；3)采用线性回归算法拟合主成分与扫盘功率之间的函数关系；4)得到扫盘功率拟合模型。4.如权利要求3所述的一种基于视觉感知技术的清扫车作业功率计算方法，其特征在于，所述步骤2)采用主成分分析算法对输入变量进行降维处理的具体过程为：在建模过程中，将样本数据划分为拟合数据和验证数据，给定数据集D＝{(x1,p11,p21),(x2,p12,p22),…,(xm,p1m,p2m)}，其中xi＝(xi1,xi2,xi3,xi4,xi5)表示一个样本中对应的五个属性，分别为垃圾覆盖率、垃圾种类、垃圾物的亲水性、路面状态以及天气状态；输入矩阵为(1)计算输入矩阵X1的协方差矩阵；(2)计算协方差矩阵的特征值和特征向量；(3)利用MATLAB软件对各个变量进行主成分分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：于远彬，唐志诚，闵海涛，宋琪，张周平，张明智，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22