基于觸覺傳感器的中央空調管道清潔機器人路徑智能控制

摘要：在管道內移動時，機器人容易偏離預定的清潔路徑，導致清潔效果不佳甚至錯過一些關鍵區(qū)域。為此，文章提出基于觸覺傳感器的中央空調管道清潔機器人路徑智能控制方法。該方法通過坐標轉換將清潔目標的位置坐標轉換為機器人能夠理解的具體位置；建立機器人移動路徑的網格分布，規(guī)劃機器人的運動軌跡。在清潔過程中，文章利用觸覺傳感器實時檢測周圍障礙物，使機器人尋找最優(yōu)路徑，實現路徑的智能控制。實驗結果表明，該研究方法能夠指導機器人找到清潔最短路徑，從而實現高效的清潔任務。

關鍵詞：觸覺傳感器；中央空調管道；清潔機器人；移動軌跡；路徑智能控制

中圖分類號：TN249" 文獻標志碼：A

0 引言

機器人可以幫助人們對中央空調管道進行清潔。在清潔過程中，機器人須要進行智能路徑規(guī)劃來保證對管道的全面清潔。通過使用觸覺傳感器，機器人能夠根據管道的拓撲結構和傳感器數據，自動計算出最佳路徑，并實時調整移動方向和速度，以確保每個區(qū)域都得到適當的清潔。因此，對路徑智能控制的研究具有重要意義。

李強等［1］提出一種針對智能機器人的路徑跟蹤控制，建立智能機器人的運動學模型，設計能夠應對這種隨機延遲的路徑跟蹤控制算法。但在該方法下清潔機器人無法及時感知管道內部的環(huán)境變化和障礙物位置，從而影響了路徑跟蹤的精準性和實時性。黃正旭等［2］建立了一個移動機器人的動態(tài)模型，設計模糊邏輯系統來適應模型中的不確定性，并將此模糊邏輯與模型預測控制結合，實現了路徑跟蹤。在該方法中，由于缺乏實時物理接觸信息，機器人難以精確控制其運動軌跡，導致清潔效果不佳或遺漏關鍵區(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管道清潔機器人路徑智能控制方法。在中央空調管道清潔機器人中，觸覺傳感器主要用于識別管道內部的形狀、障礙物以及污漬情況等。通過與智能控制算法相結合，機器人可以根據傳感器的反饋實時調整運動軌跡、清潔速度和力度，從而實現高效、安全的清潔。

1 觸覺傳感器下機器人路徑智能控制

1.1 坐標轉換與定位

坐標轉換的作用在于將全局或外部坐標系與機器人本地坐標系進行準確映射。機器人在獲知清潔目標的準確位置后，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看作f（x，y），此矩陣中含有M×N個點，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，采用多目標點模型以及最小二乘法求解清潔目標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）代表中央空調管道需要清潔的位置的三維坐標，（x，y，z）代表空間中任意一點的坐標。

為了減少誤差，提高算法的準確性，本文在確定中央空調管道需要清潔的位置時，對坐標點進行立體匹配，用形體對其進行擬合，再用最小二乘法求出清潔目標的坐標轉換結果，如式（3）所示。

ZSD=R×f（x，y）（3）

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

1.2 建立機器人移動路徑的網格分布

為了更好地實現路徑控制，在完成清潔目標的坐標轉換后，本文建立機器人移動路徑的網格分布。將清潔區(qū)域細致地劃分為規(guī)則的網格，這些網格的大小根據清潔目標的坐標轉換結果確定。通過這一模型，機器人在清潔過程中能夠根據實際的環(huán)境情況，自動調整移動路徑，從而達到最優(yōu)的清潔效果。

本研究采用有向圖模型描述機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代表機器人清潔路徑尋優(yōu)智能控制的路徑特性，E（t）代表機器人清潔移動的中央空調管道的特性。

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

1.3 利用觸覺傳感器進行障礙檢測

本研究利用觸覺傳感器檢測機器人與周圍環(huán)境之間的相互作用力，從而判斷機器人是否接觸到障礙物。在機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據進行擬合，得到障礙隱式方程S、中心坐標（xe，ye）和特征尺寸te。

步驟2：計算動力學的障礙物速率。假設障礙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（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時刻機器人旋轉角度。

步驟3：確定不可行區(qū)域。本文設機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分別表示機器人中心到φm、φn的距離。為了避免機器人與障礙物發(fā)生碰撞沖突［3］，本文在障礙物的兩側分別設定一個擴展角度θm、θn，使得障礙物的不可行區(qū)域為：

Φ=［φm-θm，φm+θm］（6）

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

2 實驗結果與分析

2.1 實驗準備

為了驗證該方法的效果，本文進行實驗，將某中央空調管道作為實驗環(huán)境，并設置相應的測試區(qū)域，如圖1所示。

在上述環(huán)境的基礎上，本文對所使用的清潔機器人進行了詳細配置，具體參數如表1所示。

在實驗過程中，本文將清潔機器人與控制計算機連接，并將其設置在中央空調管道模擬系統中。通過控制計算機，本文設置了清潔機器人的路徑規(guī)劃算法，并啟動機器人；仔細觀察清潔機器人的運動軌跡和清潔效果，并根據實際情況調整了傳感器精度、移動速度等參數，以優(yōu)化清潔效果。

2.2 實驗結果

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

由圖可知：利用本文方法能夠有效地預規(guī)劃出最優(yōu)參考路徑。在上述實驗基礎上，將基于觸覺傳感器實時感知的數據與蟻群算法相結合，本文獲得了清潔機器人的最優(yōu)避障路徑，結果如圖3所示。

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

3 結語

針對中央空調管道結構復雜、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器人路徑智能控制方法。通過實時感知管道內部環(huán)境，結合特定的路徑規(guī)劃算法，該方法成功實現了機器人對管道的高效清潔。機器人不僅能夠準確定位清潔目標，還能智能選擇最佳清潔路徑，有效應對管道內部環(huán)境的復雜性和多變性。

參考文獻

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

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

［3］白金柯.采摘機器人多視覺目標的快速識別算法設計［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

基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃；項目名稱：中央空調管道清潔機器人；項目編號：202314040003。

作者簡介：許鴻飛（2001— ），男，本科生；研究方向：機電一體化。