技术领域
[0001] 本发明涉及建筑机器人技术领域，具体地，涉及一种墙面抹灰机器人行走施工控制系统。
相关背景技术
[0002] 墙面抹灰机器人为地面全向移动机器人，底盘具有x、y、yaw三个方向自由度，其中，x方向为横向，y方向为纵向，yaw方向为角度方向。墙面抹灰机器人在房间内以顺时针顺序进行作业，即从机器人本体看向施工墙面时机器人始终向右移动完成施工任务。现有的抹灰机器人采用SLAM(Simultaneous localization and mapping，同步定位与建图)定位进行行走控制，其存在以下问题：
[0003] 1、墙面抹灰机器人需要在半开放式的环境中移动施工，其特点是移动轨迹简单、施工工艺精度要求高。
[0004] 2、在现有SLAM方案中，单线激光雷达SLAM精度高、对算力要求低，能够满足上述要求，然而所处施工环境常常伴随地面起伏大的情况，进而引发里程计失真和特征突变的问题，容易导致SLAM定位不准，甚至定位丢失的情况。
[0005] 3、在工厂、办公楼等非住宅场景，常常还伴随着施工场景的SLAM定位基准缺失的问题，SLAM的定位难度高，且在大尺度场景下对激光雷达的测距范围提出了更高的要求。
[0006] 4、为保证抹灰垂平度，抹灰工艺的施工基准为人工布置的激光标线仪，而SLAM技术以墙面为基准进行定位导航，容易因地图模型相较于环境的偏差导致定位偏差，进而引发自动施工流程断开。
[0007] 5、墙面施工机器人通常工作在相似但不相同的环境中，为了保证导航精度，需要针对每个房间建模和离线规划，机器人操作人员需要确认房间和导入相应地图，且对操作人员提出了进行机器人初始化定位的技术要求，对于墙面抹灰机器人的自动化施工推广造成障碍。
[0008] 6、墙面抹灰机器人因为需要时常改变工作的场景且地面环境伴随有灰尘和积水等，无法采用预埋轨道、铺设反光条带、粘贴地面二维码等形式引导AGV机器人进行施工。
[0009] 针对上述技术问题，相关技术中并没有提出有效的解决方案。
具体实施方式
[0070] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0071] 本发明实施例提供一种墙面抹灰机器人行走施工控制系统，包括施工和移动基准确定模块、站点基准确定模块、横梁/天花板高度获取模块、横梁边界获取模块和抹灰规划模块，其中：施工和移动基准确定模块用于确定抹灰机器人的施工基准和移动基准，其中，移动基准为机器人纵向运动和旋转运动的控制基准；站点基准确定模块用于以左/右墙作为站点基准，获取抹灰机器人距左/右墙的距离，其中，左/右墙可以为自然墙面，即机器人面向待施工墙面站立时与待施工墙面垂直的左/右侧墙面，也可以为人工布置墙面，例如采用人工布置挡板，示例性地，根据施工需要，在抹灰机器人左/右侧布置一长度大于1m的幕布或挡板；横梁/天花板高度获取模块用于获取在机器人当前位置处，机器人宽度投影范围内与待施工墙面垂直的顶部横梁/天花板的高度信息；横梁边界获取模块用于获取左/右移一个机器人宽度的位置处，机器人宽度投影范围内顶部横梁的左边界和右边界位置信息；抹灰规划模块根据顶部横梁/天花板的高度信息控制当前抹灰高度，并根据抹灰机器人距左/右墙的距离、顶部横梁的左边界和右边界的位置信息进行下一抹的规划。
[0072] 由于自动抹灰机器人需要以激光标线仪的激光线为基准，通过面相机识别激光线作为高精度墙面施工基准，机器人移动同样以此为基准，以统一抹灰机器人的施工和移动基准。参照图1‑图4，在一些实施方式中，以面相机感知激光标线仪发射的激光线进行沿待施工墙面的控制，施工和移动基准确定模块确定抹灰机器人的施工基准和移动基准的过程包括：通过面相机感知激光标线仪发射的激光线获取RGB图像；将采集的RGB图像转换为HSV图像；依据激光线成像绿色、高亮、高饱和度的特点，在H、S、V三个维度对HSV图像进行图片二值化；通过直线拟合获取激光线在图片上的位置和角度；以激光线在纵向上相对于图片中心的偏移量δ作为抹灰机器人的纵向运动控制(前后位置控制)基准；以激光线相对于图片横向(x轴)的角度θ作为抹灰机器人的旋转运动控制基准，如图5所示。抹灰机机器人以激光线与抹灰机的位置和角度关系控制抹头(末端执行器)的前推距离和角度。通过激光线确定的施工基准限制了机器人与待施工墙面的位姿关系。
[0073] 本发明实施例中，以激光标线仪为基准进行机器人的纵向和角度控制，墙面抹灰机器人能始终以激光标线仪为基准进行移动，可以解决因地图模型相较于环境的偏差导致定位偏差进而引发自动施工流程断开的问题。
[0074] 对于接触式作业的墙面抹灰机器人，其有平行于墙面的高精度末端执行器定位基准，可以将该已有基准作为墙面施工机器人移动的基准。
[0075] 墙面抹灰机器人需要停在一个位置完成宽度为w的抹灰作业，受材料供应和墙面变化影响，抹灰边缘可能不整齐，在该位置完成该抹作业后，底盘需要移动w‑s距离并停住再继续进行施工作业，s为保证两抹之间能够稳定重合的容错距离，即接茬宽度，故需要对机器人横移位置进行控制。由于墙面抹灰机器人在房间内以逆时针/顺时针顺序进行作业，站点基准为左/右侧墙面，站点基准(左/右侧墙面)限制了机器人的横移位置，机器人向左/右移动过程中，其离左/右墙距离的变化就是其横移距离，因此，以机器人左/右侧的墙为基准进行横向移动控制。
[0076] 墙面施工机器人有站点的需求，机器人在沿平行于墙面方向的横向移动过程中，需要感知横向移动距离，轮式里程计因精度不足，且无法感知待施工墙面的长度提前进行规划而无法作为站点基准。在一些实施方式中，以激光雷达进行垂直于待施工墙面的基准的规划、控制，站点基准确定模块确定抹灰机器人的站点基准的过程包括：获取左/右墙的激光雷达点云数据；对点云数据进行直通滤波；对滤波后的点云数据进行直线拟合；基于在激光雷达传感器坐标系下的左/右侧墙面的理论斜率设定一误差允许范围，误差与传感器数据偏差、直线拟合偏差、传感器安装误差、墙面搭建误差和机器人与待施工墙面的夹角偏差等有关，判断拟合后的直线斜率是否在误差允许范围内与机器人x轴平行；若在误差允许范围之内，则输出抹灰机器人距左/右墙的距离；若不在误差允许范围之内，则排除所用过的拟合点并继续进行拟合，直到点云数量小于设置的最小拟合点数仍无法拟合满足要求的直线，则报警站点基准提取失败。
[0077] 在一些实施方式中，抹灰机器人在站点间移动过程中，进行机器人到站点基准的绝对距离防撞和距离突变异常检测，绝对距离防撞是指离左/右墙距离小于阈值则停止运动；距离突变异常是指在拟合墙面规程中，连续两帧之间，可能由于物理环境变化或者提取异常导致到左/右侧墙面的距离变化大于阈值，需停止运动，由此，可以进一步提高安全性。
[0078] 站点基准为垂直于待施工墙面的左/右侧墙面(自然墙面和人工布置墙面)，在一些实施方式中，根据场景需求，采用包括但不限于激光雷达、点激光、毫米波雷达和超声波传感器中的任意一种可进行距离测量的传感器，获得机器人到左/右墙的距离dwall。
[0079] 本发明上述实施例，统一了墙面施工机器人的施工基准和移动基准，避免了底盘基于施工基准的二次调整；以确定的基准作为墙面施工机器人的移动基准，避免了SLAM算法定位因场景不可控导致的丢失、场景类似导致误匹配等带来的碰撞风险；利用已有施工基准作为机器人移动循迹控制基准，不必特意布置底盘循迹移动基准，更加灵活快捷；不必进行建图和规划的前置作业，缩短了施工流程，减少了施工确认项；相比于SLAM导航的方式，本发明实施例中的系统操作难度更低，更利于抹灰自动化作业的推广。
[0080] 墙面抹灰机器人在一面墙内施工的抹灰高度通常是固定的，但在商业楼、地下室等大场景环境下顶部都会有垂直横梁与待施工墙面干涉，垂直横梁离地高度会低于待施工墙面的高度，故需要对顶部横梁进行测量，并以此更新抹头的抹灰高度。
[0081] 抹灰高度决定于待施工墙面的高度并受限于与待施工墙面垂直的横梁，根据该项需求可选用激光雷达或深度相机进行横梁/天花板的高度识别。
[0082] 在一些实施方式中，以激光雷达/深度相机进行横梁检测，横梁/天花板高度获取模块获取与待施工墙面垂直的顶部横梁/天花板的高度信息的过程包括：获取与待施工墙面垂直的顶部横梁点云数据；在笛卡尔坐标系下，对顶部横梁点云数据在机器人当前位置处，机器人宽度投影范围进行直通滤波；利用滤波后的数据进行直线/平面拟合，其中，若传感器为单线激光雷达则为直线拟合，若传感器为多线激光雷达或者深度相机则为平面拟合，所拟合直线/平面的法向量与重力方向在误差范围内平行；重复直线/平面拟合的步骤，直到无法再拟合新的直线/平面，横梁的高度低于天花板且在测量范围内仅有天花板和横梁，故取其中高度最小的直线/平面作为顶部横梁/天花板的高度即当前抹的抹灰高度。
[0083] 在一些实施方式中，横梁边界获取模块获取与待施工墙面垂直的顶部横梁边界信息的过程包括：获取与待施工墙面垂直的顶部横梁点云数据；在笛卡尔坐标系下，对顶部横梁点云数据在左/右移一个机器人宽度的位置处，机器人宽度投影范围内进行直通滤波；利用滤波后的数据进行直线/平面拟合，所拟合直线/平面的法向量与重力方向在误差范围内平行；重复直线/平面拟合的步骤，直到无法再拟合新的直线/平面，取其中高度最小的直线/平面作为顶部横梁/天花板的高度，根据高度最小的直线/平面，确定顶部横梁的左边界和右边界的位置信息，即在传感器坐标系下横梁宽度方向左边界和右边界的坐标。
[0084] 上述实施例中，重复测量n次(n≥2)，在n次测量中，抹灰高度和左右边界的波动小于阈值则认为提取成功。
[0085] 在顶部无横梁的情况下，抹灰规划模块以左/右墙为基准进行抹灰规划，在每次更换墙面时，结合在每个站点下的最大墙面施工宽度dmax、最小墙面施工宽度dmin、且dmin
[0086] 设定ntemp＝floor(dwall/(dmax‑s))；
[0087] 抹数n＝dwall‑dmax*ntemp>dmin？ntemp+2:ntemp+1；
[0088] 若n>2，则前n‑2抹的宽度为dmax，横移距离为dmax‑s，最后两抹宽度为(dwall‑(n‑3)*(dmax‑s))/2，横移距离为(dwall‑(n‑3)*(dmax‑s))/2‑s；
[0089] 若n＝2，则第一抹宽度为dmax，第二抹宽度为dwall，横移距离为dwall‑s；
[0090] 若n＝1，则以dmax完成第一抹任务，不再横移。
[0091] 受机械尺寸和物理环境影响，墙面抹灰机器人的最小抹灰宽度为dmin，最大抹灰宽度为dmax，规定横梁的左右极限分别为dleft和dright，当横梁左侧出现在以机器人左/右侧面为基准的右侧位置且满足(dleftdmax)时，若以机器人距离左/右侧墙面为基准进行机器人横移位置规划会出现连续两抹都无法到顶的情况，如图6所示。
[0092] 为提高抹灰覆盖率，避免连续两抹不到顶的情况，进行横梁/天花板的高度识别的同时反馈横梁左右边界的位置dleft、dright，并根据反馈的横梁左边界dleft和距离左/右侧墙面的距离dwall进行下一抹的规划。
[0093] 在一些实施方式中，抹灰规划模块以左/右墙和横梁位置信息为基准进行抹灰规划，根据当前横梁/天花高度规划当前位置的抹灰高度，在每个站点处，结合在每个站点下的最大墙面施工宽度dmax、最小墙面施工宽度dmin、且dmin
[0094] 如果dwall
[0095] 如果dwall>＝dmin&&dwall
[0096] 如果dwall>＝dmax&&dwall<2*dmin，则下一抹的抹灰宽度为min(dwall,dmax)；
[0097] 如果dwall>＝2*dmin&&dwall<2*dmax，则下一抹的抹灰宽度为min(max(dleft,dmin),dwall/2)；
[0098] 如果dwall>＝2*dmax&&dleft
[0099] 如果dwall>＝2*dmax&&dleft>＝dmin，则下一抹的抹灰宽度为dleft。
[0100] 需要说明的是，以左侧墙面作为站点基准进行抹灰规划以及下一工作站点规划等，具体过程可参照上述以右侧墙面作为站点基准的实施过程，此处不再详述。
[0101] 本发明实施例中，抹灰高度随墙面和顶部障碍高度变化，不需要时常停下设备更改抹灰高度，施工连续性好，相比于传统人工测量的方式，精度高，测量便捷；本发明实施例根据顶部障碍物位置和机器人距左/右墙距离进行当前抹灰高度控制和下一抹抹灰宽度规划，更加柔性，能够提高抹灰覆盖率，减少抹灰后的人员修补工作。
[0102] 本发明上述实施例，不必进行建图和离线规划的前置作业，缩短了自动化施工流程，减少了施工确认项，操作难度更低，更利于抹灰自动化作业的推广；本发明上述实施例可以提升半结构化环境中墙面施工移动机器人的自动化程度和稳定性，降低对于操作人员的操作要求，减少规划人员与施工人员的沟通成本。
[0103] 在本发明上述的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0104] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
