基于二維激光雷達(dá)的定日鏡清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)的研究

薛剛強(qiáng)，宓霄凌，李曉波

(浙江可勝技術(shù)股份有限公司，杭州 310053)

0 引言

定日鏡作為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中聚光集熱系統(tǒng)的核心部件，其光學(xué)效率會(huì)直接影響整個(gè)電站的性能。由于定日鏡運(yùn)行在戶外環(huán)境，空氣中的粉塵及其他污染物會(huì)逐漸堆積在其表面，使其表面的光學(xué)反射率下降。因此，必須設(shè)計(jì)高效的定日鏡清洗方式，對(duì)定日鏡進(jìn)行周期性清洗，以提升整個(gè)電站的發(fā)電量。

目前，在世界范圍內(nèi)，已有大量針對(duì)已投運(yùn)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡清洗方式的研究和試驗(yàn)。西班牙的Sener公司和Torresol Energy公司針對(duì)該國(guó)已投運(yùn)的19.9 MW Gemasolar塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的定日鏡聯(lián)合開發(fā)了一款智能清洗機(jī)器人[1]，該機(jī)器人被放置在水平鏡面上，可自動(dòng)行走完成清掃。以色列的BrightSource公司針對(duì)其2014年2月投運(yùn)的392 MW Ivanpah塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的定日鏡設(shè)計(jì)了一款基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)定位的自動(dòng)清洗車[2]，該清洗車的本體為一臺(tái)起重機(jī)，清洗刷輥通過1根長(zhǎng)24.5 m的可伸縮機(jī)械臂固定在本體上，在同一個(gè)位置可清洗約24.5 m范圍內(nèi)的定日鏡，并可通過增加機(jī)械臂的長(zhǎng)度來減少清洗車在鏡場(chǎng)內(nèi)的行進(jìn)里程。2015年3月投運(yùn)的位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的新月沙丘110 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的定日鏡清洗時(shí)采用的清洗車是在重型車輛本體上搭載水箱，然后由人工操縱定日鏡來清洗。

雖然上述清洗方式可實(shí)現(xiàn)清洗設(shè)備對(duì)局部定日鏡半自動(dòng)化清洗導(dǎo)航，但對(duì)于整個(gè)鏡場(chǎng)的定日鏡清洗，仍需要人工干預(yù)，這主要是由于存在定日鏡因故障而轉(zhuǎn)角未到位的工況。浙江可勝技術(shù)股份有限公司以德令哈50 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站為背景，設(shè)計(jì)了一款可全自主執(zhí)行定日鏡清洗任務(wù)的清洗車。該清洗車通過在本體上搭載清洗水箱，并結(jié)合高壓噴嘴、刷輥及精密的距離傳感器來控制清洗車主動(dòng)靠近鏡面，以完成清洗任務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 浙江可勝技術(shù)股份有限公司設(shè)計(jì)的定日鏡清洗車的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of heliostat cleaning vehicle designed by Cosin Solar Technology Co.，Ltd.

由于該清洗車的行進(jìn)和清洗任務(wù)均是在無人工干預(yù)的情況下自主完成的，因此可將清洗任務(wù)安排在鏡場(chǎng)關(guān)場(chǎng)后的非日間時(shí)段，避免了日間清洗時(shí)因定日鏡處于待清洗狀態(tài)而造成的能量損失，有效提高了鏡場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率，降低了運(yùn)維成本。

由于該清洗車采用跨越式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其執(zhí)行清洗任務(wù)時(shí)需要從水平放置的定日鏡鏡面上跨過去，因此，定日鏡需轉(zhuǎn)角至清洗車需要的清洗姿態(tài)。只有當(dāng)定日鏡處于設(shè)計(jì)的清洗姿態(tài)時(shí)，清洗車才能正常進(jìn)行跨越清洗作業(yè)而不發(fā)生碰撞事故；而當(dāng)定日鏡不處于設(shè)計(jì)的清洗姿態(tài)時(shí)，如果清洗車不能檢測(cè)到這種異常工況，則會(huì)發(fā)生清洗車與定日鏡相撞的事故，輕則造成定日鏡鏡面玻璃破損，重則造成定日鏡反射體不可逆的破壞，甚至清洗車車體都可能因此而被撞毀。對(duì)于采用半自動(dòng)化導(dǎo)航系統(tǒng)的清洗車的駕駛員，除了日常保養(yǎng)、維護(hù)清洗車之外，其每天的大部分工作內(nèi)容是跟車，即跟著清洗車行走，使用人眼觀察清洗車是否會(huì)和障礙物碰撞，當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，可及時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)。很顯然，這樣的工作內(nèi)容是對(duì)人力資源的極大浪費(fèi)。因此，亟待研發(fā)一套智能避障系統(tǒng)，使定日鏡清洗車實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)導(dǎo)航，全面解決清洗車駕駛員的跟車任務(wù)，解放生產(chǎn)力，同時(shí)降低清洗車及太陽(yáng)能熱發(fā)電站的整體運(yùn)維成本。

需要說明的是：任何避障系統(tǒng)都不可能依靠單一設(shè)備(比如激光雷達(dá))來達(dá)到100%的避障效果。整個(gè)避障系統(tǒng)還應(yīng)該包括紅外相機(jī)、超聲波傳感器、拉線開關(guān)等其他與激光雷達(dá)同級(jí)別的子系統(tǒng)。其中：紅外相機(jī)和激光雷達(dá)屬于中遠(yuǎn)距離避障系統(tǒng)；超聲波傳感器屬于近距離制動(dòng)系統(tǒng)；拉線開關(guān)作為接觸式制動(dòng)系統(tǒng)，是整個(gè)避障系統(tǒng)的最后一道防線，由于拉線開關(guān)的物理性質(zhì)，決定了其不能經(jīng)常被觸發(fā)，否則可能存在因開關(guān)老化而制動(dòng)失靈的風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出了一種基于二維激光雷達(dá)(下文簡(jiǎn)稱為“激光雷達(dá)”)的定日鏡清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)由清洗車導(dǎo)航系統(tǒng)和激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合而成，利用激光雷達(dá)來測(cè)量前方定日鏡的姿態(tài)，并結(jié)合清洗車導(dǎo)航系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)清洗車對(duì)定日鏡的全自動(dòng)化清洗。但需要說明的是，并非所有的異常姿態(tài)定日鏡都需要避障系統(tǒng)來制動(dòng)，大部分定日鏡都具備電機(jī)角度反饋功能，當(dāng)反饋功能正常運(yùn)行時(shí)，鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)可以檢測(cè)到異常的定日鏡，并通知清洗車導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)。避障系統(tǒng)真正要解決的是那些因定日鏡存在故障而導(dǎo)致其角度反饋功能異常的情況。比如：大部分定日鏡的角度反饋功能在電機(jī)側(cè)，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和鏡體脫離時(shí)，就會(huì)存在電機(jī)空轉(zhuǎn)但鏡體不動(dòng)的故障，而此時(shí)，定日鏡反饋的角度卻是正常的，也就是說定日鏡并不知其轉(zhuǎn)角未到位，而本文提出的定日鏡清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)主要用于解決此類問題。

1 WGS84坐標(biāo)系與西安80坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

清洗車的激光雷達(dá)檢測(cè)到前方障礙物后需要將檢測(cè)到的障礙物的坐標(biāo)和前方定日鏡的坐標(biāo)在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，但由于二者的坐標(biāo)形式不同，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

定日鏡的坐標(biāo)直接取自鏡場(chǎng)的坐標(biāo)序列，其一般由橢球坐標(biāo)系體現(xiàn)，而在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站范圍內(nèi)，一般可將其放入局部直角坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行分析。在中國(guó)境內(nèi)，橢球坐標(biāo)系通常采用西安80坐標(biāo)系，坐標(biāo)點(diǎn)一般記為 (x,y,h)，其中：x為橢球坐標(biāo)系的北坐標(biāo)；y為橢球坐標(biāo)系的東坐標(biāo)；h為高程。

常見的3種橢球坐標(biāo)系的相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中：a為橢球長(zhǎng)半軸；b為橢球短半軸；f為橢球扁率；e為第一偏心率；et為第二偏心率。

表1 常見的3種橢球坐標(biāo)系的相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of three common ellipsoidal coordinate systems

障礙物坐標(biāo)的初始形式采用的是激光雷達(dá)局部坐標(biāo)系，根據(jù)激光雷達(dá)的安裝參數(shù)可將障礙物坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到以車輛中心為原點(diǎn)的車輛坐標(biāo)系內(nèi)，再將車輛中心在鏡場(chǎng)坐標(biāo)系(即“世界坐標(biāo)系”)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到鏡場(chǎng)坐標(biāo)系。而車輛中心坐標(biāo)一般是通過采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(RTK)技術(shù)的GNSS設(shè)備獲取(下文簡(jiǎn)稱為“RTK設(shè)備”)，其坐標(biāo)形式為WGS84坐標(biāo)系的經(jīng)度與緯度，坐標(biāo)點(diǎn)一般記為(B,L,H)，其中：B為經(jīng)度；L為緯度；H為經(jīng)緯度坐標(biāo)系下的高程，通常H=h。假設(shè)WGS84坐標(biāo)系記為O1、西安80坐標(biāo)系記為O2，但通常由RTK設(shè)備輸出的WGS84坐標(biāo)系O1和西安80坐標(biāo)系O2根本不是一個(gè)橢球坐標(biāo)系，因此，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。完整的轉(zhuǎn)換鏈為：綜上可知，任何一個(gè)三維坐標(biāo)均存在以下兩種形式：(x,y,h)和 (B,L,H)。

同一個(gè)橢球坐標(biāo)系內(nèi)，坐標(biāo)(B,L,H)轉(zhuǎn)換到(x,y,h)的方法是采用Gauss-Kruger正向投影，具體的轉(zhuǎn)換公式為[3]：

式中：X為子午線弧長(zhǎng)。

其中：

式中：L0為中央子午線經(jīng)度[1]。

通過式(1)～式(12)實(shí)現(xiàn)了將坐標(biāo)(B,L,H)向(x,y,h)的轉(zhuǎn)換。

需要利用Bursa-Wolf模型將O1(x,y,h)轉(zhuǎn)換到O2(x,y,h)。Bursa-Wolf模型可表示為：

式中：Rx、Ry、Rz分別為繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的歐拉旋轉(zhuǎn)運(yùn)算符號(hào)；α、β、γ分別為x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角度；m為坐標(biāo)軸縮放量；BWce為Bursa-Wolf模型的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。

采集多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)作為標(biāo)定值，可以完成式(13)中參數(shù)的標(biāo)定。至此，所有從O1(B,L,H)轉(zhuǎn)換到O2(x,y,h)所需的信息都已完備。

2 清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)檢測(cè)方案

2.1 清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)的工作原理

安裝有導(dǎo)航避障系統(tǒng)的清洗車在沿著清洗軌跡(圖中的黑色虛線)清洗時(shí)的俯視圖如圖2所示。

圖2 安裝有導(dǎo)航避障系統(tǒng)的清洗車在沿著清洗軌跡清洗時(shí)的俯視圖Fig. 2 Top view of cleaning vehicle equipped with navigation and obstacle avoidance system when cleaning along cleaning track

安裝在清洗車前端的激光雷達(dá)不斷掃描障礙物，并將掃描后獲取的數(shù)據(jù)傳輸至安裝在清洗車上的工控機(jī)，工控機(jī)中的激光雷達(dá)避障系統(tǒng)通過分析來確定哪些掃描點(diǎn)是屬于定日鏡的，然后將屬于定日鏡的這些掃描點(diǎn)擬合成一條直線。由于通過安裝在清洗車左右兩側(cè)的激光雷達(dá)掃描障礙物而得到的兩條定日鏡掃描點(diǎn)擬合線在設(shè)計(jì)上是必然相交的，激光雷達(dá)避障系統(tǒng)將兩條擬合線的坐標(biāo)從激光雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到鏡場(chǎng)坐標(biāo)系，具體步驟為：1)根據(jù)激光雷達(dá)安裝參數(shù)將位于激光雷達(dá)坐標(biāo)系的兩條定日鏡掃描點(diǎn)擬合線的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到車輛坐標(biāo)系；2)將從RTK設(shè)備獲取的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到鏡場(chǎng)坐標(biāo)系。利用上述兩條相交的擬合線推算出目標(biāo)檢測(cè)平面(即定日鏡鏡面所在的平面)的法向位置，從而確定被測(cè)定日鏡的實(shí)際傾角。當(dāng)檢測(cè)到的定日鏡傾角大于預(yù)設(shè)的傾角閾值上限時(shí)，制動(dòng)清洗車。

安裝有導(dǎo)航避障系統(tǒng)的清洗車行駛時(shí)，激光雷達(dá)掃描過程的仿真圖如圖3所示。圖中：綠色四邊形為仿真的定日鏡鏡面位置，紅色和黑色區(qū)域均為激光雷達(dá)掃描的平面，平面與定日鏡鏡面形成的截線就是導(dǎo)航避障系統(tǒng)想要提取的結(jié)果。

圖3 激光雷達(dá)掃描過程的仿真圖Fig. 3 Simulation diagram of laser radar scanning process

2.2 激光雷達(dá)的工作原理及設(shè)備選型

2.2.1 工作原理

二維激光雷達(dá)可沿其安裝平面掃描預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)的某一區(qū)域，并根據(jù)該區(qū)域內(nèi)被測(cè)物體與掃描儀的相對(duì)位置，得到相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)標(biāo)記為極坐標(biāo)(θ,r)的形式。其中：θ為被測(cè)物體與掃描儀的相對(duì)角度；r為被測(cè)物體與掃描儀之間的距離。采用飛行時(shí)間差(ToF)測(cè)量方法時(shí)激光雷達(dá)的工作原理如圖4所示。圖中：t為脈沖發(fā)送和接收的時(shí)間差。

圖4 采用ToF測(cè)量方法時(shí)激光雷達(dá)的工作原理Fig. 4 Working principle of laser radar using ToF measurement method

2.2.2 設(shè)備選型

本文采用的激光雷達(dá)為德國(guó)西克(SICK)公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)MS111的激光雷達(dá)。LMS1xx系列激光雷達(dá)的測(cè)量距離和檢測(cè)角度范圍如圖5所示。

圖5 LMS1xx系列激光雷達(dá)的測(cè)量距離和檢測(cè)角度范圍Fig. 5 Measuring range and detection angle range of LMS1xx serial laser radar

該激光雷達(dá)的檢測(cè)角度范圍為270°，在0.5～18.0 m測(cè)量距離內(nèi)可保證測(cè)量結(jié)果的精度，最大探測(cè)點(diǎn)達(dá)20～50 m。上述參數(shù)數(shù)值基本滿足清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)的需求。

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

激光雷達(dá)得到的原始測(cè)量數(shù)據(jù)為激光雷達(dá)坐標(biāo)系OL下的坐標(biāo)，而檢測(cè)定日鏡姿態(tài)所需的擬合線需為鏡場(chǎng)坐標(biāo)系OW下的坐標(biāo)。二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系即本節(jié)所闡述的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。

由于激光雷達(dá)坐標(biāo)系無法直接轉(zhuǎn)換到鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下，但激光雷達(dá)安裝在清洗車上，因此二者之間的轉(zhuǎn)換需要通過清洗車坐標(biāo)系OV來進(jìn)行。

2.3.1通用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

在不拉伸和彎曲的直角坐標(biāo)系內(nèi)，假設(shè)存在某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)P(x,y,z)，其在任意2個(gè)直角坐標(biāo)系O1和O2中的坐標(biāo)分別為P1和P2，則將P1轉(zhuǎn)換為P2的方式為：

式中：R*i為歐拉旋轉(zhuǎn)的自由組合，i=1, 2, 3，可根據(jù)實(shí)際的建模方式選擇最易調(diào)試和理解的模型；T為轉(zhuǎn)換函數(shù)；Ce1為P1的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。

根據(jù)式(14)可得到P2轉(zhuǎn)換為P1的方式為：

假設(shè)：TL2V為激光雷達(dá)坐標(biāo)系向清洗車坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換函數(shù)；TV2W為清洗車坐標(biāo)系向鏡場(chǎng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換函數(shù)；CL2V為TL2V對(duì)應(yīng)的中心坐標(biāo)點(diǎn)；CV2W為TV2W對(duì)應(yīng)的中心坐標(biāo)點(diǎn)。

對(duì)于激光雷達(dá)坐標(biāo)系向清洗車坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換函數(shù)，根據(jù)激光雷達(dá)的實(shí)際安裝姿態(tài)，R*i分別取Rz、Rx、Rz，這樣更加符合一般的建模思路。

對(duì)于清洗車坐標(biāo)系向鏡場(chǎng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換函數(shù)，考慮到清洗車上安裝的RTK設(shè)備可直接輸出航向角Ah、橫滾角Ar、俯仰角Ap的值，R*i分別取Rx、Ry、Rz后，可直接得到α=-Ar、β=-Ap、γ=-Ah的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這顯然是最便捷和最直觀的建模方案。

綜上，任意點(diǎn)P在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PL和在鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PW的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：

2.3.2 坐標(biāo)系的定義

在鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下，將正南方向、正東方向、天頂方向分別定義為坐標(biāo)系x、y、z的3個(gè)正方向。

在清洗車坐標(biāo)系下，將車輛后退方向、車輛正右方向、天頂方向分別定義為坐標(biāo)系x、y、z的3個(gè)正方向。

在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下，將激光雷達(dá)的0°掃描光線、激光雷達(dá)的90°掃描光線、右手系垂直于掃描面方向分別定義為坐標(biāo)系x、y、z的3個(gè)正方向。

2.3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定

通過獲取激光雷達(dá)坐標(biāo)系向清洗車坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和清洗車坐標(biāo)系向鏡場(chǎng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換涉及到的所有參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)坐標(biāo)系到鏡場(chǎng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。而將激光雷達(dá)坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到清洗車坐標(biāo)系時(shí)，可通過截取定日鏡在不同姿態(tài)下的測(cè)量結(jié)果，按照運(yùn)動(dòng)學(xué)模型聯(lián)立等式，從而求解激光雷達(dá)的安裝參數(shù)，具體方法如下文所述。

對(duì)于清洗車坐標(biāo)系向鏡場(chǎng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換而言，CV2W就是RTK設(shè)備反饋的鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下車輛的中心坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)上文所述的建模關(guān)系，x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角度也可以直接由RTK設(shè)備輸出的航向角、橫滾角、俯仰角換算得到。綜上可知，清洗車坐標(biāo)系向鏡場(chǎng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換涉及到的所有參數(shù)都是已知的，無需標(biāo)定。

對(duì)于激光雷達(dá)坐標(biāo)系向清洗車坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換而言，CL2V是激光雷達(dá)的安裝位置相對(duì)于車輛中心的坐標(biāo)，可以從車輛的結(jié)構(gòu)圖紙及激光雷達(dá)的實(shí)際安裝位置得到。激光雷達(dá)坐標(biāo)系向清洗車坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)涉及到的航向角、橫滾角、俯仰角(即x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ)的取值由RTK設(shè)備安裝時(shí)的精度決定，是導(dǎo)航避障系統(tǒng)中實(shí)際需要進(jìn)行標(biāo)定的參數(shù)。

將清洗車和定日鏡放置在幾種不同的相對(duì)位置關(guān)系下，組合定日鏡不同的鏡面角度，可采集多組定日鏡實(shí)際姿態(tài)和激光雷達(dá)反饋的原始數(shù)據(jù)，用于激光雷達(dá)安裝角度的標(biāo)定。

假設(shè)：Ah,k為第k個(gè)標(biāo)定的定日鏡姿態(tài)樣本，其同鏡場(chǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PW序列擬合成一條直線；Ah=L2A(LL,LR)為清洗車上左右兩側(cè)的激光雷達(dá)擬合得到的直線LL和LR轉(zhuǎn)換到定日鏡實(shí)際角度的算法。當(dāng)標(biāo)定樣本個(gè)數(shù)為p時(shí)，激光雷達(dá)的標(biāo)定模型為：

式中：k為第i個(gè)定日鏡姿態(tài)，即車輛位置的第k次標(biāo)定，k=1,…,p；Lfit為直線擬合函數(shù)；PLn為左側(cè)激光雷達(dá)的第n個(gè)點(diǎn)；PRn為右側(cè)激光雷達(dá)的第n個(gè)點(diǎn)。

通過數(shù)組標(biāo)定樣本，可以擬合得到激光雷達(dá)坐標(biāo)系向清洗車坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)激光雷達(dá)的安裝角度值。

綜上可知，激光雷達(dá)坐標(biāo)系到鏡場(chǎng)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過程已完全確定。

2.4 擬合線算法

本文的擬合線算法采用由Fischler和Bolles提出的隨機(jī)樣本共識(shí)(RANSAC)算法，其原理是在集合Pts中隨機(jī)選取若干個(gè)點(diǎn)構(gòu)成子集S；然后計(jì)算余集中誤差小于預(yù)設(shè)值的點(diǎn)的數(shù)量，若數(shù)量大于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為取得一致；若數(shù)量小于預(yù)設(shè)值，則需重新選擇子集，并重復(fù)上述步驟，直到數(shù)量大于預(yù)設(shè)值。

本文中得到擬合線的具體步驟為：1)在目標(biāo)點(diǎn)群中隨機(jī)選擇2個(gè)點(diǎn)；2)計(jì)算過這兩個(gè)點(diǎn)的直線的公式；3)統(tǒng)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)群與這條直線的距離在一定閾值范圍內(nèi)的點(diǎn)的數(shù)量；4)多次重復(fù)上述步驟，然后選擇范圍內(nèi)點(diǎn)數(shù)最多的2個(gè)點(diǎn)所在的直線作為擬合結(jié)果。

由于激光雷達(dá)的測(cè)量精度較高，定日鏡鏡面上大部分測(cè)量點(diǎn)的波動(dòng)可控制在5 mm以內(nèi)(該值根據(jù)實(shí)際執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)得到)，這也是該算法能在本方案中順利采用的重要原因。

3 測(cè)試結(jié)果分析及測(cè)試中存在的問題

3.1 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試前的設(shè)備狀態(tài)為：激光雷達(dá)工作正常，清洗車及其導(dǎo)航系統(tǒng)工作正常，鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)和與測(cè)試相關(guān)的定日鏡工作正常。測(cè)試條件為：環(huán)境風(fēng)速不超過定日鏡工作風(fēng)速，無大雨、大雪等極端天氣。測(cè)試地點(diǎn)為：青海省海西州德令哈市50MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目(二期)所在地。激光雷達(dá)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝后的照片和清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片分別如圖6、圖7所示。圖7中的紅圈為激光雷達(dá)設(shè)備安裝位置。

圖6 激光雷達(dá)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝后的照片F(xiàn)ig. 6 Photo of laser radar equipment after on-site installation

圖7 清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片F(xiàn)ig. 7 Field test photo of navigation and obstacle avoidance system of cleaning vehicle

實(shí)測(cè)得到的典型幀測(cè)量數(shù)據(jù)在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下的結(jié)果如圖8所示。圖中：藍(lán)色和黑色分別表示左右側(cè)激光雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)；空心圓點(diǎn)為標(biāo)定參數(shù)下仿真檢測(cè)到的鏡面位置；實(shí)心圓點(diǎn)為非檢測(cè)范圍內(nèi)(地面、天空等)的掃描點(diǎn)；棱形點(diǎn)為檢測(cè)范圍內(nèi)的掃描點(diǎn)；虛線為根據(jù)棱形點(diǎn)擬合的直線。

對(duì)于圖8而言，當(dāng)定日鏡姿態(tài)沒有異常時(shí)，虛線和空心圓點(diǎn)形成的直線越接近，說明標(biāo)定參數(shù)越準(zhǔn)確。當(dāng)清洗車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，通過觀察虛線和空心圓點(diǎn)形成的直線的接近程度可以推測(cè)定日鏡的轉(zhuǎn)角異常情況。

當(dāng)定日鏡姿態(tài)明顯為異常姿態(tài) (定日鏡高度角大于20°)時(shí)，導(dǎo)航避障系統(tǒng)能夠非常容易檢出，并觸發(fā)制動(dòng)；但當(dāng)定日鏡姿態(tài)和正常姿態(tài)較為接近時(shí)，檢測(cè)難度相對(duì)較大。對(duì)異常姿態(tài)非常接近正常姿態(tài)的定日鏡測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表2所示。表中：電機(jī)角度指控制系統(tǒng)從定日鏡電機(jī)編碼器處讀取的角度。區(qū)別于定日鏡實(shí)際姿態(tài)，電機(jī)角度以電機(jī)零位為標(biāo)準(zhǔn)，例如定日鏡存在2°的高度角初始安裝偏差時(shí)，電機(jī)角度為3°，則定日鏡的實(shí)際傾角為5°。對(duì)于跨越式清洗車，在設(shè)備無安裝偏差的情況下，當(dāng)保持定日鏡的水平角不動(dòng)，即使方位角旋轉(zhuǎn)180°，定日鏡的姿態(tài)未發(fā)生改變，仍然處于清洗姿態(tài)。

表2 異常姿態(tài)接近正常姿態(tài)的定日鏡的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of heliostat with abnormal attitude close to normal attitude

從表2可以看出：當(dāng)電機(jī)角度為正向9°工況下，所有定日鏡都能觸發(fā)制動(dòng)；當(dāng)電機(jī)角度為正向6°時(shí)，只有1面定日鏡觸發(fā)制動(dòng)；而電機(jī)角度為反向6°時(shí)，所有定日鏡都能觸發(fā)制動(dòng)。同時(shí)，根據(jù)導(dǎo)航避障系統(tǒng)提示的檢測(cè)值，電機(jī)角度為正向6°時(shí)，未觸發(fā)制動(dòng)的3面定日鏡，導(dǎo)航避障系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果為3°～4°；而電機(jī)角度為反向6°時(shí)，識(shí)別結(jié)果為8°～9°。由上述現(xiàn)象可知，電機(jī)角度為正向6°時(shí)，3面未觸發(fā)制動(dòng)的定日鏡是由于存在初始-2°～-3°的安裝偏角所導(dǎo)致，當(dāng)真實(shí)定日鏡姿態(tài)大于6°時(shí)，則可以觸發(fā)制動(dòng)。

3.2 測(cè)試過程中存在的問題

3.2.1 誤檢測(cè)問題

清洗車在啟用導(dǎo)航避障系統(tǒng)后，于2020年11月23日～12月8日期間進(jìn)行測(cè)試，由于11月28日和12月1日存在天氣(如下雨)等影響因素，清洗車未作業(yè)，導(dǎo)致這兩天無相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)14天的跟蹤測(cè)試結(jié)果，日均誤報(bào)次數(shù)為3.2次，需要人工確認(rèn)后才會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到導(dǎo)航模式。清洗車一天清洗的定日鏡數(shù)量在1000面左右，相當(dāng)于誤報(bào)率為0.32%。若目標(biāo)是導(dǎo)航避障系統(tǒng)每日或數(shù)日只發(fā)生1次誤報(bào)，則需進(jìn)一步將誤報(bào)率優(yōu)化到0.1%以下。測(cè)試期間導(dǎo)航避障系統(tǒng)的誤報(bào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 測(cè)試期間導(dǎo)航避障系統(tǒng)的誤報(bào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of number of false positives of navigation obstacle avoidance system during the test

3.2.2 定日鏡鏡面問題

在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)定日鏡鏡面玻璃極為干凈，且鏡面法向完全和激光雷達(dá)掃描面垂直時(shí)，激光雷達(dá)不能很好地反射測(cè)量結(jié)果，這是由激光雷達(dá)設(shè)備的基本特性決定的，暫時(shí)無法解決。這種工況下，目前只能由紅外相機(jī)等其他避障子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。由于清洗任務(wù)調(diào)度模塊一般會(huì)優(yōu)先安排清洗車清洗清潔度較差的定日鏡，所以定日鏡鏡面極為干凈的工況在非測(cè)試條件下的實(shí)際工程項(xiàng)目中遇到的概率較低。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于二維激光雷達(dá)的定日鏡清洗車導(dǎo)航避障系統(tǒng)，并在50 MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目上實(shí)測(cè)投用。測(cè)試結(jié)果顯示：定日鏡電機(jī)角度超過6°時(shí)，定日鏡都可以觸發(fā)制動(dòng)；在14天的測(cè)試周期內(nèi)，導(dǎo)航避障系統(tǒng)的日均誤報(bào)次數(shù)為3.2次。初步達(dá)到可檢測(cè)異常定日鏡且誤報(bào)次數(shù)在可接受范圍內(nèi)的要求。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)航避障系統(tǒng)的測(cè)量精度敏感性和激光雷達(dá)的安裝角度有關(guān)，當(dāng)掃描面完全垂直于車輛行進(jìn)方向時(shí)，激光雷達(dá)對(duì)鏡面水平傾角變化最為敏感，但掃描距離最短，只有當(dāng)激光雷達(dá)抵達(dá)待檢測(cè)鏡面下方時(shí)才能獲取檢測(cè)結(jié)果；當(dāng)掃描面和車輛行進(jìn)方向完全平行時(shí)，測(cè)量距離最遠(yuǎn)，但測(cè)量精度敏感性最差。如何在測(cè)量精度敏感性和測(cè)量距離之間取得平衡，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。