基于觸覺傳感器的中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人路徑智能控制

摘要：在管道內(nèi)移動時，機(jī)器人容易偏離預(yù)定的清潔路徑，導(dǎo)致清潔效果不佳甚至錯過一些關(guān)鍵區(qū)域。為此，文章提出基于觸覺傳感器的中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人路徑智能控制方法。該方法通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將清潔目標(biāo)的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人能夠理解的具體位置；建立機(jī)器人移動路徑的網(wǎng)格分布，規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡。在清潔過程中，文章利用觸覺傳感器實(shí)時檢測周圍障礙物，使機(jī)器人尋找最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)路徑的智能控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該研究方法能夠指導(dǎo)機(jī)器人找到清潔最短路徑，從而實(shí)現(xiàn)高效的清潔任務(wù)。

關(guān)鍵詞：觸覺傳感器；中央空調(diào)管道；清潔機(jī)器人；移動軌跡；路徑智能控制

中圖分類號：TN249" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

機(jī)器人可以幫助人們對中央空調(diào)管道進(jìn)行清潔。在清潔過程中，機(jī)器人須要進(jìn)行智能路徑規(guī)劃來保證對管道的全面清潔。通過使用觸覺傳感器，機(jī)器人能夠根據(jù)管道的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳感器數(shù)據(jù)，自動計算出最佳路徑，并實(shí)時調(diào)整移動方向和速度，以確保每個區(qū)域都得到適當(dāng)?shù)那鍧崱Ｒ虼?，對路徑智能控制的研究具有重要意義。

李強(qiáng)等［1］提出一種針對智能機(jī)器人的路徑跟蹤控制，建立智能機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，設(shè)計能夠應(yīng)對這種隨機(jī)延遲的路徑跟蹤控制算法。但在該方法下清潔機(jī)器人無法及時感知管道內(nèi)部的環(huán)境變化和障礙物位置，從而影響了路徑跟蹤的精準(zhǔn)性和實(shí)時性。黃正旭等［2］建立了一個移動機(jī)器人的動態(tài)模型，設(shè)計模糊邏輯系統(tǒng)來適應(yīng)模型中的不確定性，并將此模糊邏輯與模型預(yù)測控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了路徑跟蹤。在該方法中，由于缺乏實(shí)時物理接觸信息，機(jī)器人難以精確控制其運(yùn)動軌跡，導(dǎo)致清潔效果不佳或遺漏關(guān)鍵區(qū)域。

為了解決上述問題，本文提出基于觸覺傳感器的中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人路徑智能控制方法。在中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人中，觸覺傳感器主要用于識別管道內(nèi)部的形狀、障礙物以及污漬情況等。通過與智能控制算法相結(jié)合，機(jī)器人可以根據(jù)傳感器的反饋實(shí)時調(diào)整運(yùn)動軌跡、清潔速度和力度，從而實(shí)現(xiàn)高效、安全的清潔。

1 觸覺傳感器下機(jī)器人路徑智能控制

1.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與定位

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的作用在于將全局或外部坐標(biāo)系與機(jī)器人本地坐標(biāo)系進(jìn)行準(zhǔn)確映射。機(jī)器人在獲知清潔目標(biāo)的準(zhǔn)確位置后，有助于降低與障礙物或潛在危險之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險，從而提高整個清潔過程的安全性和可靠性。

本文將被處理的清潔目標(biāo)看作f（x，y），此矩陣中含有M×N個點(diǎn)，通過元素量化獲得新的矩陣f（x，y）來代替原來的矩陣。這個過程的描述如式（1）所示。

f（x，y）=f（x0，y0）f（x0，y1）…f（x0，yN-1）

f（x1，y0）f（x1，y1）…f（x1，yN-1）

f（xM-1，y0）f（xM-1，y1）…f（xM-1，yN-1）（1）

本文以管道需要清潔的位置為對象，采用多目標(biāo)點(diǎn)模型以及最小二乘法求解清潔目標(biāo)的三維空間幾何模型，如式（2）所示。

R=（x-a）2+（y-b）2+（z-c）2（2）

其中，（a，b，c）代表中央空調(diào)管道需要清潔的位置的三維坐標(biāo)，（x，y，z）代表空間中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)。

為了減少誤差，提高算法的準(zhǔn)確性，本文在確定中央空調(diào)管道需要清潔的位置時，對坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行立體匹配，用形體對其進(jìn)行擬合，再用最小二乘法求出清潔目標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果，如式（3）所示。

ZSD=R×f（x，y）（3）

為了優(yōu)化機(jī)器人的移動路徑，使其能夠高效地覆蓋整個清潔區(qū)域，本文建立機(jī)器人移動路徑的網(wǎng)格分布。

1.2 建立機(jī)器人移動路徑的網(wǎng)格分布

為了更好地實(shí)現(xiàn)路徑控制，在完成清潔目標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，本文建立機(jī)器人移動路徑的網(wǎng)格分布。將清潔區(qū)域細(xì)致地劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，這些網(wǎng)格的大小根據(jù)清潔目標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果確定。通過這一模型，機(jī)器人在清潔過程中能夠根據(jù)實(shí)際的環(huán)境情況，自動調(diào)整移動路徑，從而達(dá)到最優(yōu)的清潔效果。

本研究采用有向圖模型描述機(jī)器人清潔路徑的有向分布，如式（4）所示。

D=（t）v×E（t） t≥0（4）

其中，（t）v代表機(jī)器人清潔路徑尋優(yōu)智能控制的路徑特性，E（t）代表機(jī)器人清潔移動的中央空調(diào)管道的特性。

基于這些網(wǎng)格分布，本文規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，使其能夠高效地覆蓋整個清潔區(qū)域，確保機(jī)器人能夠有效遍歷整個清潔區(qū)域，而不是盲目移動。

1.3 利用觸覺傳感器進(jìn)行障礙檢測

本研究利用觸覺傳感器檢測機(jī)器人與周圍環(huán)境之間的相互作用力，從而判斷機(jī)器人是否接觸到障礙物。在機(jī)器人的清潔路徑上采用智能控制避障方法的流程如下。

步驟1：障礙邊界擬合及障礙判斷。本文將獲取的各組可用數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到障礙隱式方程S、中心坐標(biāo)（xe，ye）和特征尺寸te。

步驟2：計算動力學(xué)的障礙物速率。假設(shè)障礙Om和障礙On都是同一類型的障礙，本文將障礙Om的中心坐標(biāo)（xe+E，ye+E）變換為（xe+E，ye+E），則有：

xe+E=yesinηe+xecosηe

ye+E=yecosηe-xesinηe（5）

其中，ηe代表e時刻機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度。

步驟3：確定不可行區(qū)域。本文設(shè)機(jī)器人清潔路徑半徑為rk，檢測到的障礙物范圍為［φm，φn］，并用qm、qn分別表示機(jī)器人中心到φm、φn的距離。為了避免機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞沖突［3］，本文在障礙物的兩側(cè)分別設(shè)定一個擴(kuò)展角度θm、θn，使得障礙物的不可行區(qū)域?yàn)椋?/p>

Φ=［φm-θm，φm+θm］（6）

機(jī)器人在預(yù)先規(guī)劃好的移動路徑上靈活地運(yùn)動，并在面臨障礙時迅速作出反應(yīng)，保障自身的安全。最終得到的最優(yōu)路徑即為中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的移動路徑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證該方法的效果，本文進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將某中央空調(diào)管道作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并設(shè)置相應(yīng)的測試區(qū)域，如圖1所示。

在上述環(huán)境的基礎(chǔ)上，本文對所使用的清潔機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)配置，具體參數(shù)如表1所示。

在實(shí)驗(yàn)過程中，本文將清潔機(jī)器人與控制計算機(jī)連接，并將其設(shè)置在中央空調(diào)管道模擬系統(tǒng)中。通過控制計算機(jī)，本文設(shè)置了清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法，并啟動機(jī)器人；仔細(xì)觀察清潔機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和清潔效果，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整了傳感器精度、移動速度等參數(shù)，以優(yōu)化清潔效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文利用所提方法創(chuàng)建中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人路徑的柵格模型后，預(yù)先規(guī)劃出中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的最優(yōu)參考路徑，如圖2所示。圖中，圓形代表中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人的初始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)。

由圖可知：利用本文方法能夠有效地預(yù)規(guī)劃出最優(yōu)參考路徑。在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將基于觸覺傳感器實(shí)時感知的數(shù)據(jù)與蟻群算法相結(jié)合，本文獲得了清潔機(jī)器人的最優(yōu)避障路徑，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，本文方法在智能控制中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人路徑方面表現(xiàn)出較為理想的效果。該方法能夠有效應(yīng)對管道內(nèi)部環(huán)境的各種障礙物，實(shí)現(xiàn)高效清潔。本文方法的優(yōu)勢在于：將清潔目標(biāo)的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人能夠理解的具體位置，建立機(jī)器人移動路徑的網(wǎng)格分布。利用觸覺傳感器實(shí)時檢測周圍" 障礙物；借助智能控制算法，根據(jù)環(huán)境信息和機(jī)器人狀態(tài)實(shí)時調(diào)整控制策略，實(shí)現(xiàn)高效的路徑控制。智能控制算法的運(yùn)用使得機(jī)器人能夠在復(fù)雜的管道環(huán)境中高效地完成清潔任務(wù)，并應(yīng)對各種不可預(yù)見的情況。

3 結(jié)語

針對中央空調(diào)管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、障礙物繁多的問題，本文提出了一種基于觸覺傳感器的管道清潔機(jī)器人路徑智能控制方法。通過實(shí)時感知管道內(nèi)部環(huán)境，結(jié)合特定的路徑規(guī)劃算法，該方法成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對管道的高效清潔。機(jī)器人不僅能夠準(zhǔn)確定位清潔目標(biāo)，還能智能選擇最佳清潔路徑，有效應(yīng)對管道內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性和多變性。

參考文獻(xiàn)

［1］李強(qiáng)，李斌，李春明，等.考慮隨機(jī)延遲的智能機(jī)器人路徑跟蹤控制［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2023（10）：36-39，43.

［2］黃正旭，周坤，王斌銳.基于模糊自適應(yīng)模型預(yù)測控制的移動機(jī)器人路徑跟蹤控制［J］.中國計量大學(xué)學(xué)報，2023（3）：405-411.

［3］白金柯.采摘機(jī)器人多視覺目標(biāo)的快速識別算法設(shè)計［J］.傳感器世界，2023（10）：28-33.

（編輯 王雪芬）

Intelligent path control of central air conditioning pipeline cleaning robot based on tactile sensors

XU" Hongfei， QI Yuhong， LU" Junhao， QIAN" Zhan

（College of Information and Mechanical and Electrical Engineering， Zhengzhou Business

University， Gongyi 451200， China）

Abstract： When moving in the pipeline， the robot easily deviates from the predetermined cleaning path， resulting in poor cleaning effect or even missing the cleaning requirements of some key areas. Therefore， an intelligent path control method of central air conditioning pipeline cleaning robot based on tactile sensor is proposed. Through coordinate transformation， the position coordinates of the cleaning target are transformed into specific positions that the robot can understand. The grid distribution of the robot’s moving path is established and the robot’s moving trajectory is planned. In the cleaning process， the tactile sensor is used to detect the surrounding obstacles in real time， and the robot finds the optimal path to realize the intelligent control of the path. The experimental results show that the research method can guide the robot to find the shortest path of cleaning，thus achieving efficient cleaning tasks.

Key words： tactile sensors; central air conditioning pipeline; cleaning robots; movement trajectory; path intelligent control

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃；項(xiàng)目名稱：中央空調(diào)管道清潔機(jī)器人；項(xiàng)目編號：202314040003。

作者簡介：許鴻飛（2001— ），男，本科生；研究方向：機(jī)電一體化。