[发明专利]一种镜面清洁机器人进行三维重构与定位的系统及方法

说明书

发明领域

本发明一般涉及太阳能热发电领域，具体涉及一种镜面清洁机器人三维重构与定位的系统及方法。

背景技术

太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power，简称CSP)，通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，蒸汽驱动汽轮机发电。

太阳能镜场主要由大量的衍架和安装在上面的平面反光镜组成，为提高单位土地面积的光热利用率，相邻衍架排列紧凑。镜场所在的高原地区全年温差较大，整个镜场地面平整度可能会发生变化。镜面清洁机器人(或称镜面车)用于高海拔地区太阳能光热发电镜场的镜面清洁。

镜面车需要在相邻衍架之间的间隙穿行，并利用安装在车上的清洗机构清洁平面反光镜。为保证镜场设施的安全，需要一种比较精确的定位方案来确定车体和衍架的相对位置关系，进而使镜面车稳定可靠的执行任务。

传统的室内外定位方式主要有：依靠激光测距传感器的相对定位，依靠里程计航位推算定位，通过接收GPS信号的绝对定位，也有采用以上几种方式的组合导航方案。以上方式都有各自独特优势，激光测距传感器应用于室内定位可以获得稳定的环境轮廓，里程计是一种简单有效的定位方式，GPS更是一种通用性极强的解决方案。

然而在本项目的应用中，对以上定位方式提出了新的挑战。GPS民用信号定位精度依然不能满足本应用的要求，并且GPS定位信号存在比较大的跳变，对于高频应用尚力不从心，此外还存在GPS信号丢失的风险。里程计只提供载体前进方向的位移变化量，对于平整度差的路面会存在较大误差，在单独应用时存在空转和滑行的故障风险。2D激光测距传感器在室外的应用一是受限于传感器本身的测距量程，二是室外环境轮廓特征不显著，尤其是本项目的环境是结构复杂的衍架，大大增加了不确定性。

总之，由于本应用中复杂的环境结构，以及平整度差的路面条件，常用的定位方式均不能满足要求，需要一种特殊的定位方案。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种镜面清洁机器人进行三维重构与定位的系统，以解决现有技术中在平整度差的路面条件定位不能满足精度要求的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种镜面清洁机器人进行三维重构与定位的方法，以解决现有技术中在平整度差的路面条件定位不能满足精度要求的技术问题。

一种镜面清洁机器人进行三维重构与定位的系统，用于安装在所述镜面清洁机器人的车头部分，其进一步包括激光测距传感器、电机、偏心轮、摇摆支架、绝对值编码器、MEMS惯性传感器、上位机及里程计，其中，

偏心轮固定在电机上，并传动在所述摇摆支架上，用于将电机的旋转运动转化为支架的摇摆运动；

所述激光测距传感器，固定连接摇摆支架，用于随摇摆支架的摇摆运动而运动，并获得激光扫描数据；

所述绝对值编码器，设置在激光测距传感器的摇摆轴上，用于直接测量相对于车体的摇摆角度；

MEMS惯性传感器，用于测量车体在不平整地面运动时相对于地理水平面的横滚角和俯仰角；

里程计：安装在镜面清洁机器人上；

上位机：分别连接激光测距传感器、绝对值编码器、MEMS惯性传感器和里程计，用于接收包括激光测距传感器在内发送的传送数据，构建一3D轮廓图，提取三维数据点中的共面数据点，确定出衍架位置。

所述MEMS惯性传感器包括陀螺仪和加速度计，所述上位机进一步包括：

车体姿态测量计算单元，用于根据陀螺仪和加速度计的输出，计算出镜面清洁机器人这个载体的姿态；

车体姿态融合计算单元，用于将镜面清洁机器人这个载体的姿态，再考虑绝对值编码器获取摇摆云台的俯仰角α，最终计算出激光扫描器相对于当地地理水平面的实际姿态的横滚角γ和俯仰角θ；

激光数据姿态投投影修正计算单元，用于计算激光数据点在地理水平面的投影坐标信息；

激光数据平移修正计算单元，用于通用测量时间间隔内里程仪的增量进行修正，并将修正后的数据描绘到一三绘坐标系中，形成一扫描点云图；

定位计算单元，用于在该扫描点云图上定位上预设定的点。

一种镜面清洁机器人进行三维重构与定位的方法，包括：

接收陀螺仪和加速度计的输出，计算出镜面清洁机器人这个载体的姿态；

将镜面清洁机器人这个载体的姿态，再考虑绝对值编码器获取摇摆云台的俯仰角α，最终计算出激光扫描器相对于当地地理水平面的实际姿态的横滚角γ和俯仰角θ；

计算激光数据点在地理水平面的投影坐标信息；