一种侧装式垃圾车清运装置及其控制方法与流程

本发明涉及垃圾清运设备领域，特别是涉及一种侧装式垃圾车清运装置及其控制方法。

背景技术：

1、随着城市环卫作业体系的完善，侧装式垃圾收集车凭借车身窄、巷道通过性佳、作业时人员无需绕行车辆等特点，已成为市政道路、居民小区、背街小巷等场景下垃圾清运的主流装备。现有侧装式垃圾车普遍采用直线导轨式举升臂结构，抓取夹爪安装于导轨滑座上，沿固定导轨完成水平伸缩与竖直举升动作，进而实现垃圾桶的抱夹、提升、倾倒与放回全流程作业。

2、在实际作业过程中，上述结构的侧装式垃圾车存在显著的作业局限性：由于夹爪的运动轨迹被导轨约束为固定直线路径，仅能在车辆侧方的固定作业平面内完成抓取动作，因此必须保证车辆停靠后夹爪与垃圾桶精准对位，方可顺利完成抱夹作业。早期作业模式完全依赖驾驶员人工观察，在停靠车辆时反复调整前后、左右位置，通过人工判断相对位置关系完成对准操作。该纯人工对位模式存在多方面的技术缺陷：1、对驾驶员的驾驶精度与操作经验要求较高；若遇狭窄街巷、路侧存在障碍物或路面条件复杂的场景，车辆可调整空间有限，对位难度将大幅提升，甚至无法停靠至有效作业位置。2、人工反复对位停靠会显著延长作业时长，导致垃圾清运效率低下，难以满足高效作业的需求。3、人工对位易出现位置偏差，轻则导致夹爪抓偏、刮擦磨损垃圾桶，造成桶具使用寿命缩短，重则出现抱夹失效、垃圾桶倾倒，引发垃圾撒漏，影响作业质量与路面整洁度。

3、为降低人工对位的操作难度，现有技术中出现了基于车载视觉的辅助对位方案，通过车身侧方安装的摄像头实时采集路侧图像，识别垃圾桶并获取其相对位置，进而通过显示或提示装置引导驾驶员驾驶车辆前后移动，调整车辆纵向位置以完成夹爪与垃圾桶的对准。但该类方案仍存在明显的不足：一方面，摄像头仅起到位置提示作用，对位调整仍依赖车辆整体的移动实现，并未从根本上摆脱对车辆精准停靠的依赖；另一方面，车辆频繁启停调整位置会增加行驶能耗与作业耗时，在垃圾桶点位密集、排布不规则的场景下，对位效率的提升十分有限，且无法解决狭窄空间内车辆难以挪车对位的问题。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种无需人工精准对位且清运效率高的侧装式垃圾车清运装置。

2、本发明的第二目的在于提供一种无需人工精准对位且清运效率高的侧装式垃圾车清运装置的控制方法。

3、为解决上述技术问题，本发明揭示了一种侧装式垃圾车清运装置，设置在垃圾车本体上，所述垃圾车本体包括作业平台和驾驶室，定义所述垃圾车本体的左右方向为x轴、前后方向为y轴、高度方向为z轴，包括夹抱机构、视觉采集计算单元、交互操控单元、控制单元和机构状态检测组件；

4、所述夹抱机构包括x轴平移机构、z轴升降机构、y轴平移机构、翻转机构、夹爪机构、调平油缸和角度传感器，所述x轴平移机构设置在所述作业平台上，所述z轴升降机构设置在所述x轴平移机构上，所述y轴平移机构设置在所述翻转机构上，所述翻转机构设置在所述z轴升降机构的升降移动部上，并与所述z轴升降机构的z轴导轨导向配合，所述夹爪机构设置在所述y轴平移机构上；所述调平油缸的一端与所述翻转机构铰接，另一端与所述y轴平移机构铰接，所述y轴平移机构与所述翻转机构铰接，所述角度传感器设置在所述夹爪机构上，用于实时采集所述夹爪机构与水平面之间的夹角；

5、所述x轴平移机构、z轴升降机构、y轴平移机构、翻转机构、夹爪机构、调平油缸和角度传感器分别与所述控制单元连接，所述控制单元用于分别控制所述夹抱机构执行x轴伸缩、z轴升降、y轴位置调节、翻转、夹抱及调平动作，并根据所述角度传感器反馈的实时夹角控制所述调平油缸伸缩，使所述夹爪机构在执行对位和夹抱动作时保持预设夹取姿态；

6、所述机构状态检测组件包括用于检测所述x轴平移机构实时位置的x轴位置检测件、用于检测所述y轴平移机构实时位置的y轴位置检测件以及用于检测所述z轴升降机构实时位置的z轴位置检测件，所述x轴位置检测件、y轴位置检测件和z轴位置检测件分别与控制单元连接；

7、所述视觉采集计算单元包括深度相机和计算模块，所述深度相机设置在固定支架上，所述固定支架固定设置在所述作业平台上，所述深度相机位于作业区域的上方，以从上方或斜上方向下俯视所述作业区域，并用于按照预设采样周期采集所述作业区域的rgb二维图像和深度图像；

8、所述计算模块用于识别所述rgb二维图像中的垃圾桶目标区域和夹爪目标区域，根据所述垃圾桶目标区域对应的深度信息确定垃圾桶的垃圾桶抓取基准点在深度相机坐标系下的实时三维坐标，并根据所述夹爪目标区域对应的深度信息确定所述夹爪机构的夹爪抓取中心点在所述深度相机坐标系下的实时三维坐标；

9、所述计算模块还用于比较所述垃圾桶抓取基准点和所述夹爪抓取中心点在所述深度相机坐标系下的实时三维坐标，得到所述垃圾桶抓取基准点相对于所述夹爪抓取中心点的位置偏移量；所述计算模块中预设有所述深度相机坐标系与所述垃圾车本体的x轴、y轴和z轴之间的固定坐标映射关系，以及所述x轴平移机构、y轴平移机构和z轴升降机构的位移与所述夹爪抓取中心点的空间位移之间的预设对应关系，所述计算模块用于根据所述固定坐标映射关系将所述位置偏移量转换为沿x轴、y轴和/或z轴的控制偏移量，并根据所述预设对应关系将所述控制偏移量转换为所述x轴平移机构、y轴平移机构和/或z轴升降机构的目标移动量；

10、所述计算模块还用于根据所述x轴位置检测件、y轴位置检测件和z轴位置检测件所反馈的实时位置以及对应的目标移动量，确定所述x轴平移机构、y轴平移机构和/或z轴升降机构的目标位置，并将所述目标位置发送至所述控制单元；

11、所述交互操控单元设于所述驾驶室内，包括显示屏和操控件，所述显示屏用于显示由所述深度相机采集的作业区域图像，并在所述作业区域图像上叠加显示有效作业框，所述有效作业框对应所述夹抱机构在初始取桶姿态下的可达抓取区域，以供驾驶员将所述垃圾车本体调整至所述垃圾桶位于所述有效作业框内的位置；

12、所述控制单元用于在接收到所述操控件输入的启动指令后，根据所述目标位置以及所述x轴位置检测件、y轴位置检测件和z轴位置检测件反馈的实时位置，控制所述x轴平移机构、y轴平移机构和z轴升降机构移动至对应的目标位置；在所述夹爪机构运动过程中，所述计算模块按照所述预设采样周期重新确定所述垃圾桶抓取基准点和夹爪抓取中心点在所述深度相机坐标系下的实时三维坐标，并更新所述位置偏移量、目标移动量及目标位置，所述控制单元根据更新后的目标位置对所述夹爪机构的位置进行闭环修正，同时根据所述角度传感器反馈的实时夹角控制所述调平油缸对所述夹爪机构的姿态进行闭环调节，直至所述垃圾桶抓取基准点与所述夹爪抓取中心点之间的位置偏差满足预设位置对位条件，且所述夹爪机构的实时夹角满足预设姿态条件，再控制所述夹爪机构夹抱所述垃圾桶；

13、在夹抱所述垃圾桶后，所述控制单元控制所述z轴升降机构将所述垃圾桶抬离地面预设距离，控制所述y轴平移机构带动所述夹爪机构沿y轴回位至收桶位置，并控制所述x轴平移机构、z轴升降机构和翻转机构依次执行回缩、举升、倾倒和复位动作。

14、本发明还提供一种侧装式垃圾车清运装置的控制方法，采用如上所述的侧装式垃圾车清运装置，包括以下步骤：

15、（1）操作人员驾驶垃圾车靠近垃圾桶所在的作业区域，当所述垃圾桶进入显示屏中的有效作业框内时停车，并输入启动指令；

16、（2）深度相机按照预设采样周期采集所述作业区域的rgb二维图像和深度图像，计算模块识别所述rgb二维图像中的垃圾桶目标区域和夹爪目标区域，根据所述垃圾桶目标区域对应的深度信息确定垃圾桶抓取基准点在深度相机坐标系下的实时三维坐标，并根据所述夹爪目标区域对应的深度信息确定夹爪抓取中心点在所述深度相机坐标系下的实时三维坐标；

17、（3）所述计算模块比较所述垃圾桶抓取基准点和所述夹爪抓取中心点在所述深度相机坐标系下的实时三维坐标，得到所述垃圾桶抓取基准点相对于所述夹爪抓取中心点的位置偏移量，根据所述深度相机坐标系与垃圾车本体的x轴、y轴和z轴之间的固定坐标映射关系将所述位置偏移量转换为沿x轴、y轴和/或z轴的控制偏移量，并根据所述x轴平移机构、y轴平移机构和z轴升降机构的位移与所述夹爪抓取中心点的空间位移之间的预设对应关系，将所述控制偏移量转换为各轴机构的目标移动量；

18、（4）x轴位置检测件、y轴位置检测件和z轴位置检测件分别采集所述x轴平移机构、y轴平移机构和z轴升降机构的实时位置，所述计算模块根据所述实时位置和对应的目标移动量确定各轴机构的目标位置；

19、（5）控制单元根据所述目标位置和各轴机构的实时位置，控制所述x轴平移机构、y轴平移机构和/或z轴升降机构移动，并根据角度传感器反馈的实时夹角控制调平油缸伸缩，使夹爪机构保持预设夹取姿态；在所述夹爪机构运动过程中重复执行步骤至步骤（4），根据更新后的目标位置对所述夹爪机构的位置进行视觉闭环修正，并根据更新后的实时夹角对所述夹爪机构的姿态进行闭环调节；

20、（6）当所述垃圾桶抓取基准点与所述夹爪抓取中心点之间的位置偏差满足预设位置对位条件，且所述夹爪机构的实时夹角满足预设姿态条件时，所述控制单元控制所述夹爪机构夹抱所述垃圾桶，再控制所述z轴升降机构将所述垃圾桶抬离地面预设距离，控制所述y轴平移机构带动所述夹爪机构沿y轴回位至收桶位置，并控制所述x轴平移机构、z轴升降机构和翻转机构依次执行回缩、举升、倾倒和复位动作。

21、通过视觉采集计算单元采集作业区域内的图像信息，再计算转换得到各轴机构的目标移动量，由控制单元根据目标位置和各轴机构的实时位置，控制x轴平移机构、y轴平移机构和/或z轴升降机构动作，使所述夹爪机构与垃圾桶对位，从而节省了驾驶人员驾驶垃圾车进行对位的步骤，一方面摆脱了对驾驶人员驾驶精度和操作经验的依赖，规避了人工对位出现的偏差，节省了对位停靠的时间和能耗，有利于提高清运效率；另一方面适用于各种复杂路况的作业场景，特别是在狭窄空间内车辆难以挪动对位的情况下，仅需将车辆停靠至垃圾桶进入显示屏上的有效作业框，通过该装置自动调整夹爪机构在x轴、y轴和/或z轴的位置，即可实现精准夹抱垃圾桶。