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基于模糊控制的风管注i i e i 沽l l = ：l 机器人避碰研究 摘要 本文是以风管清洁机器人平台为基础，对风管清洁机器人的避碰技术做了研 究。 首先，本文在查阅并研究了大量风管清洁机器人的资料的基础上，阐明了风 管清洁机器人的研究背景和意义，概述了国内外风管清洁机器人的研究发展现 状，并提出了本论文的主要研究内容和所做工作。 其次，对风管清洁机器人进行了运动分析，建立了风管清洁机器人的运动学 模型，为进一步研究打下了理论基础。 再次，概述了风管清洁机器人的控制系统组成，以及与自主避障相关的传感 器，为算法的实现构建了硬件平台，并概述了多传感器信息融合方法。 然后，对模糊控制理论进行了深入研究，设计了适用于风管清洁机器人的模 糊控制系统，对机器人的行走和自主避障行为进行了研究。并对其进行了仿真。 最后对本文所做研究和主要工作进行了总结，并对今后的研究方向做出了展 望。 关键词：风管清洁机器人；运动学模型：模糊控制；避碰 t h er e s e a r c ho fa u t o n o m o u so b s t a ciea v oid a n c ef o ra ir d u c t0 ie a nin gr o b o tb a s e do nf u z z yc o n tr ol a b s t ra c t t h i sp a p e ts t u d i e saa i rd u c tc l e a n i n gr o b o t f i r s to fa l l ，o nt h eb a s eo fs t u d i n ga l o to fi n f o r m a t i o no fa i rd u c tc l e a n i n gr o b o t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c h b a c k g r o u n do ft h i ss u b j e c t ，a n ds u m m a r i z e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o ni na i rd u c t c l e a n i n gr o b o tf l i e d i ta l s od e s c r i b e st h em a i ns t u d yc o n t e n t sa n dr e s e a r c hw o r ko f t h i s d i s s e r t a t i o n s e c o n d l y , b a s e do nk i n e m a t i c sp r i n c i l eo ft h ef o u r - w h e e ld r i v er o b o t , t h i sp a p e r a n a l y z e st h em o t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fa i rd u c tc l e a n i n gr o b o ta n db u i l d si t s s i m p l i f i c a t i o nk i n e m a t i c sm o d e l t h i r d l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec o f i g u r a t i o no fa i rd u c tc l e a n i n gr o b o t , i n c l u d i n g u l t r a s o n i cs e n s o ra n dr e d - i n f r a r e ds e n s o r t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sf o l l o w i n g b a s e do fs t u d i n gt h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o l ，t h ep a p e rd e s i g n sa i rd u c tc l e a n i n g r o b o t sm o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n ds t u d i e st h es t e p p e da n da v o i d i n go b s t r u c t i o no fa i r d u c tc l e a n i n gr o b o t a l s os i m u l a t e sm o v e m e n to fa i rd u c tc l e a n i n gr o b o t a tl a s t ，t h ep a p e rm a k e sas u m m a r i z a t i o no fa l lt h ew o r ka n dt h ep r o s p e c t i v eo f t h ef u t u r ej o b k e yw o r d s ：a i r d u c tc l e a n i n gr o b o t ；k i n e m a t i c sm o d e l ；f u z z yc o n t r o l ； a u t o n o m o u so b s t a c l ea v o i d a n c e 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；垫遗直墓丝盏要挂型直明鲍：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王、j 、知 签字日期：加3 年夕钼口3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：王心、 签字日期：加占年口z 月0 3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：硝选职够技节哮院 通讯地址：柱予诗城区糸域衔蟠发圆 剔醛氰c 镪够 签字日期：雅莎月扩日 电话：7 6 弓；乡钿3 暑 晦编三吣 o 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 o 前言 0 1 风管清洁机器人研究背景 o 1 1 中央空调的积尘带来的危害 1 、滋生细菌，传染疾病：由于风道通过出风口、回风口与室内形成相对封 闭空间，风道内的灰尘( 一般肉眼看不见) 及病菌会随着空调风吹到房间各个角 落，逐渐变成室内空气的污染源；同时某一个房间的病菌也容易随着空调循环风 吹到其他房间形成交叉感染。据了解，空调中的主要污染物有四种：一是生物污 染，包括细菌、霉菌、花粉、藻类、植物、昆虫、原生动物、病毒等，可引起过 敏、螨虫病。尘螨是诱发过敏症的主因，可以使人患哮喘病、支气管炎、肾炎、 过敏性鼻炎和过敏性皮炎等；而粉螨能引起肠螨症和肺螨症。此外，还有甜食螨， 可使人患上各种各样变态反应性疾病。蠕形螨可吞食毛囊上皮细胞，引起毛囊扩 张，上皮变性等。二是化学污染，包括挥发性有机物、一氧化碳和臭氧等。三是 物理污染，包括外界的尘埃、煤灰、烟灰、重金属、水泥灰、金属灰、油污、无 机纤维、润滑油和油质等。四是其他微生物，除了上面说到的军团菌和螨虫外， 由于绝大多数的通风管道自安装后就从未经过清洗，沉积下来的污垢成了富集各 类污染物的载体和滋生各类细菌、霉菌、真菌、病毒和生物污染物的温床。随着 空气的流动，这些管道内的污垢把各种细菌、霉菌、真菌、病毒和生物污染物传 播到室内，产生各种生物污染。如：“非典 期间国家卫生部命令停开室内所有 无新风的中央空调，防止疫情传播。1 9 7 6 年美国费城的军团菌大爆发，事后研 究认定其传染源就是该市会场内的中央空调。 2 、风阻加大、损耗能源：空气在风道内流动，由于粘性及流体的相对运动， 因而产生了内摩擦力，空气在风道内流动过程中，就要克服这种阻力而消耗能量。 风道在时间的推移和设备使用的年限增加中，它的表面会依附着大量的灰尘( 悬 浮微粒物) 。这使边壁形成的边界层发生破坏，即破坏了流体在风道内的层流状 态，而形成了紊流状态，增加了内摩擦力，使风力受阻、风机的负载增大，机组 能力下降，对于设备使用寿命会降低，增加能源的消耗。 中央空调通风系统内聚集灰尘不但会污染室内的空气，还会增加风管系统的 运行阻力，使系统风量下降，从而增加能耗，更对风机盘管等末端设备造成不同 程度的污染和破坏，降低整套中央空调系统的运行寿命，因此，中央空调的定期 清洗是非常必要的，图0 - 1 为风管清洗前后对比。国家有关部门这几年，尤其是 非典爆发以后，逐步加强对中央空调系统卫生的监督和管理，若干条文法规已经 发布，在未来几年还有相关规定推出。2 0 0 3 年6 月3 0 号，国家质监局颁布了 ，对通风系统的清洗方法、清洗要求等进行了规定。2 0 0 3 !巴匿严擎 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 目前人们只注重中央空调机组清洗和水处理，殊不知风管面积远远大于机组面 积，而中央空调内9 5 以上的藏尘量在风管内，水洗仅能降低机体内1 0 水垢的 产生。四是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。因此，加强 中央空调通风管道的清洗，消除病毒的污染源，必须要求从事中央空调清洗的专 业队伍技术先进，设备精良，这使风管清洁机器人步入了历史舞台。 风管清洁机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、 尘蜗，甚至昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后对管道进行消毒。可适用于 各种中央空调等管道的检测、清洗、消毒、喷漆等作业。国外从2 0 世纪7 0 年代 末8 0 年代初开始重视中央空调的风管清洗，同时，随着计算机、传感器、现代 控制理论和技术的发展，为风管清洁机器人的研究应用提供了技术保证。自从 1 9 8 0 年丹达克林发世界上第一台风管清洁机器人直到1 9 9 0 年前后，国外的中央 空调清洗得以普遍实施，并建立了相应行业及国家标准。据调研，目前上海安装 有中央空调系统的各类楼宇有3 0 0 0 多，由于此类管道通常纵横交错，大管道由 人来进行管道检测、维修不仅费时费力，而且不卫生。口径小、长度长的管道不 仅人无法检查，而且清扫起来也不容易。我国有超过5 0 0 万个各类中央空调需清 洗保养，而且每年正在以1 0 的速度递增，而这些中央空调中相当部分运行了 2 0 年以上却从未清洗，超过9 0 的受检中央空调系统存在细菌或灰尘污染。因 此，风管清洁机器人的出现是必然的趋势。 0 2 国内外风管清洁机器人发展现状 0 2 1 国外风管清洁机器人发展现状 目前，国外的风管清洁机器人已形成产业化。据统计，国际上生产通风风管 清洁机器人的公司不下2 0 家，如瑞典的w i n t c l e a n ，丹麦的d a n d u c t ，加拿大的 a i r t o x ，美国的n i k r o 、l i f aa i r ，英国的i n d o o r ，韩国的h a n l i m 等。但最经 典的设备莫过于瑞典的w i n t c l e a n 和丹麦的d a n d u c t 两个品牌。之所以说它经典， 是因为它们分别代表了两种截然不同的设计思想，但都做到了设备结构合理，整 体配套齐全。纵观国外风管清洁机器人，其结构大同小异，性能水平也没太大的 差别：1 ) 大多采用轮式或双履带式移动机构，管道适应性并不强；2 ) 配有高速 旋转的清扫机构，用来把管内的灰尘打落、清除。由于管道有矩形管和圆管之分， 所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷；3 ) 装有c c d 摄像头及照明灯， 用于探测管道内的状况，这在人所不能到达的管道内部是必不可少的：4 ) 由于 风管清洁机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在管 道外进行操作瞳3 3 。 自1 9 8 6 年瑞典w i n t c l e a na i r 公司研制的风管清洁机器人就在瑞典和其他 国家的办公楼、学校、医院、工厂等完成过清扫任务。瑞典的w i n t c l e a n 产品主 幕于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 要特点：履带式传动机器人，气动清洗方式。全套设备中最经典的应该是：b a n d y i i 型履带式机器人和s c r u b b e r 气动推进清洗机。w i n t c l e a n 机器人中的经过特 殊设计的扁平电机保证了机器人设备的强大动力，并使其结构紧凑，基本不需要 维护；合理的履带结构使其外型美观，维护简单方便；多用途的设计使机器人具 有不同的使用功能：检查、清洁、消毒和喷涂；方便的工作部件安装平台既保证 了工件拆装方便，又使整台设备的高度尺寸得到了最大的控制。与机器人配套的 气动马达是清洗的动力源，w i n t c l e a n 分别使用了两种不同的气动马达以清洗矩 形和圆形管道。由于在矩形管道清洗时，毛刷的转动方向与气动马达的转动方向 成9 0 。，而圆形管道不需要进行转动轴方向的改变，所以导致气动马达的转速 的差距高达十倍以上，必须采用不同设计的气动马达。在清洗矩形管道时，矩形 管道和毛刷之间有缝隙，w i n t c l e a n 采用了涡轮涡杆传动方式，使得矩形管道和 毛刷的缝隙达到最小。w i n t c l e a n 使用的气动马达体积小但动力强大，是清洗动 力源的最佳选择。 w i n t c l e a n 产品中的s c r u b b e r 气动推进清洗机是由间歇的压缩空气为动 力，可使毛刷在管道内自动前进和后退，同时产生动力后的尾气被排放到毛刷头 部，增加了一个气鞭的清扫功能。主要动力部分只有3 个零件，全部设备除去安 装螺丝只有5 个机械零件，而且根本不需要维护。它的管道清洗尺寸最小达到了 8 0 毫米，而且可以自由通过管道转弯，由于是以气体为动力，基本上无工作半 径限制。清洁矩形管道和圆形管道的b a n d yi i 如图0 2 和图0 - 3 所示。 赣 藩 图0 2 清洁矩形管道b a n d y i i 图0 3 清洁圆形管道b a n d yi i 丹麦丹达克林公司( d a n d u c tc l e a n ) 于1 9 8 0 年成立于丹麦的赫宁，是风管 清洁机器人的发明者，二十四年来，丹麦达克林公司不断专注于风道清洗设备的 技术创新，可以提供全系列的机械化风管清洗设备，它的机构也遍及世界各地， 包括欧洲、美国、加拿大、南美、中东、东南亚、日本和中国。其生产的清洗设 备包括m p r ( 多功能清洁机器人) 、d c 4 、p d 4 、空气吹扫装置等设备，是目前最 先进，配套使用能清洗完风管任何部位的设备。 1 、m p r ( 多功能清扫机器人) 如图o - 4 所示。m p r 具有如下优点：1 ) 世界风管清洁 机器人中，d a n d u c tc l e a n 的产品具有升起、下降、伸出、收回、旋转等最 多的自由度；2 ) 多功能清洁机器人具有双向摄像机系统，能及时监控清扫前 4 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 后的效果，全部操作实行电子控制；3 ) 有可以调节的力矩，无需因风管尺寸 的变化而更换刷子；4 ) 采取四轮驱动，其他同类设备采取履带形式不方便转 向和爬坡，以及极优的配重，避免同类其他产品的翻车现象；5 ) 采取电动的 形式，避免空压式设备噪音大，还要携带笨重的空压机等弊病；6 ) 它能清扫 的风管尺寸比同类产品的最大范围8 0 0 m m 大得多，因此能减少人工费和清扫 时间，把对客户造成的不便减低到最低；7 ) 材料的选配上，d a n d u c t c 1e a n 坚持使用最优原则，轮胎使用材料为f 1 方程车轮胎使用材料，所有的信号线 都是采用银线，能提供清晰的清扫录象。 2 、d c 4 具有如下优点：1 ) 速度因尘土颗粒尺寸大小可以调节；2 ) 软轴能轻易 穿过拐角，刷子可以左右转动而改变其在风管内的位置，保证全方位清洗；3 ) 移动方便，操作洞口最小尺寸可以达到5 c m ，对风管造成的改动较小是清洗 立管的最好设备。 3 、p d 4 具有如下优点：1 ) 专门设计用于清洗小风管的设备，可以清理从6 3 r a m 到1 5 0 m m 的圆形和矩形管道；2 ) 采用轻质实心钢丝螺旋结构软轴，手持式设 计，方便从一个房间移动到另一个房间，节省运输和装配时间。 黪蠢 图0 4m 1 ) r ( 多功能清扫机器人) 图0 5a i r t o x 机器人 加拿大a i r t o x 机器人采用四轮驱动、含前后二个彩色摄像头( 并带强光 照明) ，雷龙独创的滚动刷及旋转刷二种功能可方便互换，刷头可自动升降。电 控旋转刷系统可实现正反操作。借助传动装置( 履带或轮式) ，在风管内一边行 走一边旋转把风管四周长年结存的各种灰尘与吸附物彻底打松，以备下一步吸尘 机器人吸走( 直接吸尘法) ，或由清洁机器人边走边打松灰尘，风管另一头由专 用吸尘器进行同步吸尘( 扬尘吸尘法) ，起到清洗、除臭和消毒管道系统的作用。 并借助视频监控设备及时观察清洗程度是否达到要求。a i r t o x 机器人如图0 5 所示。 英国i n d o o r 生产的d e l u x e 清洁机器人可以工作在圆形和矩形管道中，其运 行速度最高达到2 3 米分钟，快于市场上的其他同类产品运行速度。机器人前方 装有两部摄像机，以便于操作人员观看和录像。机器人大小为：4 6 0 m m ( 长) 2 8 5 m m ( 宽) 术1 5 3 r a m ( 高) ，机器人重1 7 2 k g 。可扩展和调节高度的工具平台上装有空 气棒、喷雾棒，旋转毛刷以及毛刷马达配件等。驱动装置采用四轮驱动，同时采 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 用履带式结构。清洁矩形管道和清洁圆矩形管道的d e l u x e 如图0 6 和图0 7 所 不。 图0 - 6 清洁矩形管道d e l u x e图0 7 清洁圆矩形管道d e l u x e 韩国h a n l i m 机电有限公司成立于1 9 9 4 年，其生产的“x p o w e r 系列风管清 洁机器人工作电压为1 1 0 v 2 2 0 v ，并提供了一系列的毛刷，以适应圆形和矩形管 道。“x p o w e r ”系列风管清洁机器人具有远程控制功能，装有高分辨率w a t e c 摄像头和两个8 瓦特水晶反射探照灯，采用脉宽调制技术，超高功率的高速无刷 电机可使摄像机3 6 0 。范围旋转。典型产品有x p w 一3 0 1 ，x p w - 5 0 1 ，x p w - 6 0 1 等， 除具有前述的相同技术参数外，x p w 一3 0 1 ，x p w 一5 0 1 ，x p w 一6 0 1 各自具有其自身 的设计特点。 x p w 一3 0 1 如图o 一8 所示，它是适合于小型和中等尺寸管道的标准风管清洁机 器人，机器人长3 6 0 m m ，宽2 0 0m m ，高2 1 0m m 。电缆线长3 0 米，采用四轮 驱动和实心橡胶轮胎。 x p w - 5 0 1 如图0 - 9 所示，除了在机器人前方顶部安装有一把毛刷外，在底部 添加了一把毛刷，其独特的毛刷设计系统可以在同一时间清洁高度为6 3 0 r a m 的底 部和顶部空间。能倾斜和旋转的摄像机使机器人在工作中清扫到管道的每一个角 落。机器人尺寸大小为：4 6 0 m m ( 长) * 2 1 0 m m ( 宽) 木3 9 0m m ( 高) ，采用六 轮驱动和实心橡胶轮胎。 图0 8x p w - 3 0 1图0 - 9x p w 5 0 1 x p w - 6 0 1 如图0 - 1 0 所示，它是世界上首次获得专利的风管清洁机器人，毛 刷高度可在o 3 7 0 m m 范围内调节，清洗方向为径向和纵向，带正反转。x p w - 6 0 长5 1 5m m ，宽2 2 0m m ，高2 2 0m m ，重1 4 k g ，采用六轮驱动和实心橡胶轮胎。 6 舔 琴鏖 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 图0 1 0x p w 。6 0 1 0 2 2 国内风管清洁机器人发展现状 2 0 0 3 年非典以前，因为人们健康意识和国家的重视程度相对较低，国内风 管清洗市场几乎是一片空白，人们往往只是关注空调的舒适性，而往往忽略了空 调的健康性，只有很少的高级写字楼和外资工厂有风管清洗的需求，不多的机器 人设备也全是国外品牌，如瑞典的w i n t c l e a n ，丹麦的d a n d u c t ，加拿大的a i r t o x 等。非典以后，国内风管清洗市场出现了转机：一方面人们健康意识普遍提高； 另一方面，国家的重视程度也达到了空前的高度，相继制定了空调通风系统清 洗规范( 2 0 0 3 年0 6 月颁布实施) 、集中空调通风系统卫生规范( 2 0 0 3 年0 6 月颁布实施) ，风管清洗的市场需求空白被打破，呈现出巨大的商业机会。然而 因为种种原因，无论是风管清洗工程还是设备本身，都贴上了高价的标签，以设 备为例，一整套w m t c l e a n 清洁机器人加上辅助设备，售价高达1 0 0 万元，d a n d u c t 的约8 0 万元，a i l t o x 的也要6 0 多万元。面对如此高昂的设备投资，许多意欲从 事风管清洗的人望而却步。 而且由于我国的管道情况与国外有所不同，国外大量采用圆管，易于清洗， 即使是矩形管道，规格也非常规范。国内的建筑为了增加层数，尽可能压缩层高 和吊顶空间，所以扁形管道非常普遍，而且高度非常有限，比如有的管道宽度 1 2 0 0 m m ，而高度仅有1 2 0 m m ，同时国内的管道制作极不规范，管道规格多，而 且经常有变径的情况，设计时很少考虑维护，清洗难道大。另一方面，国外空气 质量普遍好于国内，空调系统维护保养也比较到位，管道脏污程度相对较低，而 国内建筑为了节省了投资，一般空调系统过滤部分采用低效率的过滤器，甚至直 接采用回风，加上空气质量较差，很少做通风系统的维护保养，管道内普遍比较 脏。 由于以上原因，国外清洗机器人尽管技术先进、性能优良，但因为针对的情 况不同，设备本身对中国的具体情况很少做针对性的设计，所以工作时往往效果 不理想。因此我国对中央空调清洗机器人的研究和发展就成为社会的必需。目前 有部分国内部门已经研制出了有自主特色的清洁机器人。哈尔滨工业大学、华南 7 幕于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 理工大学、上海交通大学，清华大学等单位对清洁机器人进行了大量的研究并取 得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机械、机器人导航和定位与路径规划、 机器人控制、电源与电源管理、动力等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人 的研究开发和推广奠定了基础和技术基础。2 0 0 4 年中国科学院兰州分院研发的 清洁机器人样机是根据4 0 0 毫米木4 0 0 毫米和5 0 0 毫米* 5 0 0 毫米空调通风管道设 计的，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功 能。清洁机器人具有在管道内前进、后退和转弯等功能，行走速度在每分钟0 5 米到1 米之间。实验数据表明，使用该清洁机器人清理管道，管道的清洁程度可 以达到国外同类装置水平。清洁系统主要是安装在机器人上、可在管道外部控制 的清洁动力刷；电缆长度超过3 0 米，不易损害，能够满足基本需要。同国外同 类装置相比，该机器人具有尺寸小、成本低、行动灵活、操作可靠、清洁效率高 和应用领域广等特点，并且在移动机构的驱动系统、主动控制臂系统、照明系统 和清洁系统的设计上均有创新。 清华大学精仪系机器人及其自动化研究室与解放军工程质量监督总站合作， 于2 0 0 4 年成功解决了管道清污移动操作机器人关键技术，研制出通风管道智能 清污机器人m d c r - i ，如图0 1 1 所示。其尺寸为5 2 0 m m ( 长) * 2 9 0 m m ( 宽) 半2 7 0 m m ( 高) 。自动升降的手臂装上刷头，可以清扫不同规格的矩形、圆形通风管；装 上喷枪，可以对通风管进行消毒。与国外同类清扫机器人相比，m d c r i 集探测、 清扫、吸尘、消毒喷雾多功能于一体，具有基于多传感器信息的手动遥操作控制 和智能化自主行驶功能，可高效地实现各种圆形和矩形截面尺寸管道内的智能化 清洁与消毒作业。同样，由于其功能中自动控制能力较强，具有自动纠偏，自主 导航的功能，其尺寸相应较大，也是其应用范围的限制因素。 图0 - 11i v i d c r - i图o 1 2 非等径、变截面风管清洁机器人 东华大学机械学院空调风管清洁机器人研究组于2 0 0 5 年研制成功了非等 径、变截面风管清洁机器人，如图0 1 2 所示。这是中国首个拥有知识产权的空 调风管清洁机器人，并且已经申请了4 项专利。更值得一提的是，该机器人经过 改造还可以用于登月探测。新研制的机器人长3 2 0 m m 、宽1 6 0 r n m 、高2 1 0 m l ? 最 高能爬上高度为9 3 m m 的阶梯，最陡能爬上3 4 度的斜坡。另外，该机器人可用于 基于模糊控制的风管清清机器人避碰研究 高度1 5 0 m m 以下的矩形管道和直径2 5 0 m m 以上的圆形管道，适用于小口径管道检 测、空调管道清洗消毒。而且能跨越管内的阶梯管、锥形管接口、变截面形状管 接口，轻松实现直角方管转向和9 0 度圆弧弯管行走，胜任任何复杂的管道环境 系统。 深圳市易格尔科技有限公司是国内首屈一指的中央空调风管自动化清洗设 备供应商，公司在坚持专业化经营的同时还注重技术原创以及知识产权的保护， 迄今为止，已有“风管清洁机器人”、“一种新型的管道清洗方法”、“超高压喷气 式管道清洗装置”等多项国家专利。 a i r g i i i a 是一台多用途线控机器人，主要用于清扫中央空调通风管道中的 灰尘，整个系统由若干个功能模块组成，通过增减或者更换各功能模块，可以实 现对管道的清扫、检测、消毒等工作，摄像头带红外夜视功能，可外接硬盘录像 或电脑，方便视频信息保存和编辑。机器人长4 2 0 r a m ，宽2 2 0 m m ，高1 8 0 m m ， 重量为1 3 2 k g ，行进速度最大达到1 5 m m i n 。 a i r g i i i b 型风管清洁机器人是易格尔公司2 0 0 5 年款改进型经典产品，同 样采用了模块化的设计思路，整个系统由检测、清扫、消毒等功能模块组成，通 过增减或者更换各功能模块，可以实现不同的工作。摄像头可3 6 0 度全方位旋转， 爬坡能力强，性能卓越，操作简便。机器人尺寸为3 7 5 m m ( 长) * 2 2 0 m m ( 宽) 木1 6 5 m m ( 高) ，重1 4 8 蝇。 a i r g i i i c 型风管清洁机器人借鉴吸收了国外同类产品的优秀设计理念：注 重性能的稳定及操作的简便，清扫模块采用大功率气动马达，毛刷转速为o 9 5 0 r p m ，摄像头水平2 7 0 度旋转，升降臂需手动调节。机器人尺寸为3 8 0 m m ( 长) * 2 2 0 r a m ( 宽) 枣1 6 0 r a m ( 高) ，重1 6 2 埏。 a i r g i i i c c 型风管清洁机器人是一款多用途线控机器人，体现了易格尔一 贯的设计风格专简洁、实用，整车采用履带式传动方式，前后固定高清晰度夜 视摄像头，表面镀处理。整个系统由多个功能模块组成，通过更换或增减各功 能模块，可以实现对管道的检测、清扫、消毒等工作。机器人尺寸为3 0 0m n ( 长) 1 8 5m r l l ( 宽) 宰1 5 5 m m ( 高) ，重1 4 2 埏。 重一羹 图0 1 3a i r g i i i a 清扫机器人 9 。棚0 _ _ 图0 1 4a i r g i i i b 清扫机器人 幕于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 图0 1 5a i r g i i i c 清扫机器人图0 1 6a i r g i i i c c 清扫机器人 沈阳扬波科技开发有限公司与北京工业大学地热与能源利用重点实验室合 作丌发了g q j l 2 风管清洁机器人，如图图o 1 7 所示。该机器人配备有前后彩 色摄像头，可实时检测全部清洗过程，配合电脑可实现整个清洗过程的同期录像。 可针对不同管道，分别配备电动刷、气动刷、吹气头和真空吸尘器接触刷对管道 实施清洗，同时还可配备喷药器对管道实施喷药消毒。机械臂可控制清洗高度 和伸缩长度，清洗方向为径向和纵向，带正反转，可实现四面同时清扫。采用履 带式四轮驱动，具有卓越的通行能力，能够跨越3 0 m m 高的障碍物，能够攀爬 3 5 度陡坡。配有液晶监视器和控制面板，便于监控和操作。该机器人车体尺寸： 2 6 0 r a m ( 长) x 2 0 2 m m ( 宽) 1 5 5 m m ( 高) ，车体重量：8 6 0 埏，行进速度：7 8 4 米分，电动刷转数：1 2 0 转分。 萋 图0 - 1 7g q j l - 2 风管清洁机器人 其他企业也研制了不同形式的机器人及配套设备，有些有实力的清洗企业对 盘管的清洗采用了干冰喷洗和高效固体杀菌片。有些个案由于风管内积尘性质特 殊，在没有其他有效手段时，还得靠人工清洗，当然作业人员的保护措施十分重 要。 0 3 清洁机器人控制技术发展概况 机器人是一自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机。机器人技 术涉及计算机技术、控制技术、传感器技术、通讯技术、人工智能、材料科学和 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 仿生学等多类学科。 做为机器人的一个分支，智能清洁机器人能够通过传感器感知外部环境信息 和自身状态，并能够实现自主导航与定位，从而完成清扫作业，这涉及到传感器 技术、环境信息分析、环境建模、通讯、运动控制以及高级人工智能等多种复杂 技术的综合集成。 清洁机器人依功能大致可以分为四种；家庭用地面清洁机器人、大楼用地面 清洁机器人、玻璃外墙用清洁机器人、风管清洁机器人等。按根据行进导航的方 式还可以分为：红外标记清洁机器入；超声波标记清洁机器人、激光标记清洁机 器人、气味标记清洁机器人、其它标记途径清洁机器人。 随着电子技术的飞速发展、计算机运算速度的显著提高、机器人用传感器的 不断研制，清洁机器人控制技术逐步得到完善和发展，各类新型清洁机器人也纷 纷面世。 清洁机器人将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来，实现家庭、宾馆、 写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁。如英国的d c 0 6 清洁机器人、瑞士的 “三叶虫清洁机器人、美国的伦巴( r o o m b a ) 清洁机器人、日本松下电工的 清洁机器人s u i p p y 、日本g a i z u 公司的自动清洁机器人f a l t i m a0 3 0 和l i s i r e 0 3 0 ，我国的k v 8 智能清洁机器人等。这类清洁机器人的控制系统综合了环境感 知、路径规划、地图遍历、避障、防跌落等技术【4 7 】。 风管清洁机器人能轻松的爬入管道配合其他管道清洗设备将管道中的灰尘、 尘蜗，甚至昆虫尸体，死老鼠等垃圾一扫而空，最后对管道进行消毒。如瑞典的 b a n d yi i 型履带式机器人、丹麦的多功能清洁机器人、英国的d e l u x e 清洁机 器人、我国的非等径、变截面管道清洗机器人等。该类清洁机器人的控制系统包 括环境感知、障碍物检测、机械臂控制、位姿调整和人工操作等多项技术。 0 4 模糊控制在移动机器人控制系统中的应用 智能控制方法常使用神经网络和模糊控制方法，但前者往往伴随着对存储容 量、运算速度的较高要求，这与移动机器人高速高精度运动控制的要求存在一定 差距，故模糊控制方法在机器人控制方面有着较大的优势。b b e a u f r e r e 针对完 全未知的静态障碍环境，基于模糊逻辑推理模型处理机器人导航问题。p a l s h i hl e e 等研究了自主移动机器人的模糊避碰方法，针对未知环境的静态和动 态障碍，试图将人的避碰行为和直觉抽象为模糊规则，并且根据环境中障碍物的 远近程度相应的改变模糊规则的权值。h r b e o m 利用模糊逻辑和强化学习作为 机器入在未知环境下的导航方式。模糊逻辑完成传感器输入信息和机器人运动状 态空间输出信息之间的映射旧。文献m 3 给出了一种基于模糊控制的自主移动机 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 器人避障和路径规划的模糊控制，系统仿真证明了方法的有效性。文献m 3 给出了 一种清洁机器人模糊控制的避障控制算法，通过建立被控对象的模糊模型来实现 模糊控制器，并对该方法进行了仿真，仿真结果说明了此方法的正确性。文献们 针对风管清洁机器人，设计了一个三层模糊控制系统，把多传感器信息融合到机 器人的控制中，实现了对机器人的遥控和自主智能控制。实验和仿真结果表明， 这种分层模糊控制策略应用在移动机器人上，具备了姿态调节和自主导航能力， 使机器人能够适应不同管道和不同管道直径等复杂环境。 0 5 风管清洁机器人存在的问题1 经过多年的研究与发展，国内外风管清洁机器人领域取得了大量的研究成 果，风管清洁机器人的技术得到了迅猛发展并接近于应用水平，但是距离大规模 实用化还有一定的差距，当前风管清洁机器人普遍存在以下有待于解决的问题： ( 1 ) 尺寸问题，尺寸普遍偏大，难以适应小口径管道。 ( 2 ) 检测问题，配备的摄像头一般为微型c c d ，分辨率太低，难以细致观 察远处管壁的霉点或斑点。 ( 3 ) 通讯问题，风管清洁机器入在管道内进行检测、清洗等作业时，需要 随时与外界进行联系，将传感器采集到的数据及有关管道内部环境的信息传递给 外部的控制台，并接受操作人员的命令。这种信息的传递采用导线则面临着电缆 与管道内壁的摩擦问题。因此如何实现高效、准确的通讯是风管清洁机器人正常 工作的必要条件。目前比较现实的方案是尽量减少拖缆的线数，以减少线缆的重 量。 ( 4 ) 动力问题，机器人的拉力一般在5 0 n 以下，在进入管道深处时，由于 拖动的电缆过重，加上管道积尘性过强，则容易出现动力不足问题。 ( 5 ) 取样问题，具有取样能力的机器人为少数，而且不具备定量取样能力。 ( 6 ) 机器人位置姿态以及管道环境的识别问题，风管清洁机器人要顺利地 实现在各种管道环境中的行走、越障，其姿态及管道内环境的判定和识别是关键 问题。 风管清洁机器人在管内的姿态，如机器人平面与管道主平面的夹角、机器人 的倾斜角等参数的识别目前主要靠摄像机和倾角传感器，但这种识别仍然主要是 由外部操作者来实现的，而不是由机器人本身来自主完成的。现实中空调管道是 由各种形式的管道与接头组成的，除了直管外，还有“t ”形管、弯管、“l ”形 接头等。机器人要适应上述诸多复杂的管道环境，就要求风管清洁机器人对这些 环境能够实时地进行识别，但目前常用的手段有摄像机、超声波传感器、红外传 感器等，而且操作者对环境的识别起了决定性的作用，机器人本身的自主性很差。 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 综上可以看到，目前的风管清洁机器人缺乏对自身状态及外界环境的自主识 别能力，事实上，这也是目前整个机器人领域所普遍存在的问题。这个问题不解 决，将会给风管清洁机器人的控制及智能化，特别是其在复杂环境中的自主行走 问题的解决带来很大的困难。 ( 7 ) 传感器及控制系统的智能化问题，现有的风管清洁机器人中的传感器 的智能化水平普遍较低，过多地依赖操作人员的介入，己经不能满足风管清洁机 器人发展的需要。多种传感器的集成，即多种传感器( 光，机，电) 的综合运用是 解决上述问题的有效手段。特别是以摄像机为基础的视觉传感器，由于其直观性， 应引起足够的重视。同时，先进的感知算法的研究是必要的，只有将感知算法与 多传感器的硬件结合起来，形成智能化的传感器，才能为提高风管清洁机器人的 控制水平打下良好的基础。 o 6 论文主要研究内容 论文主要研究了风管清洁机器人的自主避碰问题。全文共分六章，主要内容 如下： 第一章阐明了课题研究的背景及其现实意义，综述了风管清洁机器人国内外 的研究现状、清洁机器人控制技术发展概况、模糊控制在移动机器人控制系统中 的应用、风管清洁机器人关键技术及其面临的问题。 第二章简述了中央空调风管清洗工作原理和作用，对风管清洁机器人进行了 运动分析，建立了风管清洁机器人的运动学模型。 第三章概述了风管清洁机器人的控制系统组成，以及与自主避障相关的传感 器，为算法的实现构建了硬件平台，并概述了多传感器信息融合方法。 第四章简述了模糊控制的基本概念，为后续章节奠定数学基础。 第五章对模糊控制系统，工作原理和控制器的设计进行了研究。设计了适合 风管清洁机器人的模糊控制系统，实现风管清洁机器人的自主避碰，并进行了仿 真研究。 第六章为结论。总结了本文的内容，为今后的进一步研究工作奠定了基础。 幕于模糊控制的风管清洁机器人避碰研哆 1 风管清洁机器人的运动学模型 1 1 中央空调风管清洗工作原理和作用 管道清洗示意图如图1 1 所示。其工作原理是：利用风管清洁机器人钻到风 管中，机器人带有电子监测眼，可实现对清洗过程的全程监控。通过机器人操作 臂上毛刷的旋转，打散、剥离堆积在风管内表面上的尘埃，同时，风管的另一侧 有强力吸尘过滤设备进行吸尘，不会产生“灰尘搬家”现象，无二次污染。清洗 后还可以提供清洗过程录像，做为检验清洗效果的证据。用风管清洁机器人清洗 中央空调风管的作用如下： 1 彻底去除风管内长期结存的灰尘、污渍、细菌、各种昆虫死尸与分泌物，有效防 止尘污重新积聚。 2 有效预防空调病，彻底断绝病菌传播途径，并可去除中央空调风管内各种异味。 3 可节电5 1 0 ，延长空调使用寿命。 、 4 提高送风空气质量与风量，缓解空调综合症对于直径( 或高度) 7 0 0 m m 以下的风 管，人力无法清洗，机械化清洗范围可从直径( 或高度) 5 0 r a m - - - 1 5 0 0 r a m ，甚至更 大的风管都可以用专业机器人清洗。 i ，一i 1 | 。一一一一 ? 麓 、， ：t 一- 一_ _ ：盏基塑塞庭z ： 、1。 。“，、矾盈i g ， 一 活洁机器， 二羽【_ 一m 0 更! 筲 - _ - _ _ 。_ _ _ _ 。_ 。- 。_ _ _ _ _ _ - - + _ _ 一 h 、一 壁e 图卜1 管道清洗示意图 1 2 风管清洁机器人的运动学模型n 2 1 风管清洁机器人采用四轮驱动，左右轮能差速行驶，前轮装有转向机构，可 以实现倒车。车体由柔性支架构成，负载能力强。轮体大而富有弹性，带有防滑 胎纹，有优越的越障防滑能力。车体的速度和行驶方向分别由电子调速器和转向 机构控制。 霉盛 i 摹于模糊挖制的风管清洁机器人避碰研究 在地面上运动的机器人可以看作是一个刚体，用其质心的空间坐标及空间姿 态等六个坐标可以近似地描述其运动过程。然而机器人的动力学过程是非常复杂 的。机器人运动模型如图1 2 所示。 y jr y c 0 r x c 图1 - 2 运动学模型 图中符号表示的含义及其相关定义如下： x o y 为世界坐标系( 固定坐标系) ，xf c y 为机器人车体坐标系；q ，1 3 分别为 机器人前后轮转向角度；机器人长2 a ，宽2 b ，l 为前后轮间距；0 为车身方向 角；c 为机器人车体的质心。 机器人的位姿可用质心坐标( 砀y c ) 以及车身行驶方向0 来表示。在图1 2 中点c 处，机器人位姿为( x c ，y 。，0 ) 。 由物理学知识可知，刚体的平面运动可以分解为直线运动和转动。因此可用 线速度v 和转动角速度来描述机器人的瞬时运动状态。如图1 2 所示，机器人 的瞬时运动轨迹为以o c 为圆心的圆弧。令机器人的角速度为，线速度为v ， 则v 的方向与过点c 的圆弧切线方向一致。 以点c 处机器人位姿建立新直角坐标系( c ，x ，y ) ，根据几何关系可得， 在新坐标系内圆心0 c 坐标为： ( t a n 口一t a n a ) ， 、，= - 二- - - - - - - 一 概2 ( t a l l + t a l l 口) y 。c 一面壬丽 2 ) 易得标准坐标系下的0 c 坐标( 】【o ，y 0 ) 为： x o = x o c + x c ( 1 3 ) 基于模糊控制的风管清洁机器人避碰研究 y o = y o c + y c l1 - 4 ) 圆心o c 的圆方程为： ( x x o ) 2 + ( y - y o ) 2 _ ( 赤) 2 ( 1 5 ) 由于机器人前轮装有转向机构，后轮为从动轮，因此b o ，代入式( 1 1 ) ，( 1 2 ) ， ( 1 5 ) 可得： x o c ：一一l xoc2一一2(1-6) y ：l ( 1 - 7 一) y o c2 01) ( x x o ) 2 + ( y y o ) 2 = ( 上) 2 ( 1 - 8 ) t a n 仪 令圆o c 的半径为r ，则由式( 1 8 ) 可得： r ：上 。( 1 9 ) 小车的瞬时线速度v 与角速度u 关系如下： ：v(1-1060 )= 一 1 足 令a0 为机器人方向角的改变量，则： a0 t ( 1 - 1 1 ) 整理式( 1 9 ) ，( 1 1 0 ) ，( 1 1 1 ) 得到机器人方向与前轮转角关系为： e ( ) t ：v t ：v x t - a n a 一t ( 1 - 1 2 ) r， 。 上式为机器人转向控制机构理想系统方程。 1 3 小结 本章概述了风管清洁机器人的工作原理和作用，对风管清洁机器人进行了运 动分析，建立了风管清洁机器人的运动学模型，