【正文】 計(jì)方案，在機(jī)器人進(jìn)入垂直通風(fēng)管道之后，如同人類一樣雙腳架在墻上支撐自己，之后搖擺著向上攀升。但對(duì)于中央空調(diào)垂直通風(fēng)管道清潔機(jī)器人的研究處于開始階段，目前可以查到的有日本九州大學(xué)對(duì)垂直風(fēng)道清潔機(jī)構(gòu)做了一些理論研究，并沒有實(shí)際的結(jié)構(gòu)，對(duì)于如何在垂直通風(fēng)管道的管壁上移動(dòng)這個(gè)問題也沒有涉及。我國的中央空調(diào)通風(fēng)管道是根據(jù)建筑面積設(shè)計(jì)和安裝的，各個(gè)風(fēng)道都不盡相同，屬于非標(biāo)產(chǎn)品[12]。如圖11所示，是Hong Kong Dustxpert EnviroEng Limited 機(jī)器人實(shí)物圖，如圖12所示，是DRY ICE ENGINEERING的系統(tǒng)實(shí)物圖。美國、韓國、丹麥、日本等國家依據(jù)強(qiáng)大的科研能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，均研制并生產(chǎn)出了通風(fēng)管道清潔機(jī)器人的系列產(chǎn)品。2007年5月19日，中央電視臺(tái)在《新聞聯(lián)播》中也播出了中央集中空調(diào)嚴(yán)重污染的新聞報(bào)道。相繼的，2005年11月，建設(shè)部與國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了有關(guān)《空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管理規(guī)范》的國家標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)生部于2003年頒布實(shí)施《公共場所集中中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生規(guī)范》，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布了《空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)清洗規(guī)范》。(2) 國內(nèi)中央空調(diào)清潔的現(xiàn)狀隨著我國城市建設(shè)的速度越來越快，使用的中央空調(diào)通風(fēng)設(shè)備也日益增多，也就隨之帶來了中央空調(diào)設(shè)備的清潔問題。例如，日本制定了《日本風(fēng)道清洗協(xié)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(1990版)；美國國家風(fēng)管清洗教育咨詢協(xié)會(huì)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《暖通空調(diào)系統(tǒng)的評(píng)估、清洗和修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)》(ACR2002版)；芬蘭新頒布的法律要求飯店、賓館、工業(yè)加工產(chǎn)生粉塵物質(zhì)的通風(fēng)系統(tǒng)，每年清洗一次，醫(yī)院、學(xué)校等每5年清洗一次。例如在1976年，美國費(fèi)城大爆發(fā)了軍團(tuán)菌，事后認(rèn)定了其傳染源就是該市某會(huì)場的中央空調(diào)。這些數(shù)據(jù)表明，我國中央空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)通風(fēng)管道到了必須清掃的程度，已經(jīng)對(duì)人們的健康構(gòu)成很嚴(yán)重的威脅[1][2][3]。2004年，衛(wèi)生部對(duì)30個(gè)省、自治區(qū)和直轄市中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的衛(wèi)生狀況進(jìn)行了監(jiān)督檢查，總計(jì)抽檢了60多個(gè)城市的937家公共場所，其中大型商場和超市397家，賓館飯店540家，共檢測樣品5600件。因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量相對(duì)室外而言，新鮮度較差。這是由于中央空調(diào)自身的不足之處所造成的。因而，醫(yī)院、賓館、商場、寫字樓等較封閉的公共場所和精密儀器加工業(yè)、特殊產(chǎn)品檢測站等要求嚴(yán)格室內(nèi)環(huán)境的場所都使用中央空調(diào)，中央空調(diào)控制著這些地方的內(nèi)部空氣質(zhì)量，被形象的稱為樓宇的“肺”。關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人 機(jī)器視覺 圖像預(yù)處理 圖像匹配 直方圖目 錄摘 要…………………………………………………………………………….IABSTRACT…………………………………………………………………………..II第一章 前言…………………………………………………………………………..1 課題來源………………………………………………………………………. 中央空調(diào)清潔的現(xiàn)狀………………………………………………… 中央空調(diào)清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀…………………………………… 國外中央空調(diào)清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀………………………………… 國內(nèi)中央空調(diào)清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀………………………………… 機(jī)器視覺的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用……………………………………………….. 機(jī)器視覺的研究現(xiàn)狀………………………………………………….. 機(jī)器視覺的應(yīng)用……………………………………………………….. ……………………………………………… 研究目標(biāo)…………………………………………………………………. 研究內(nèi)容………………………………………………………………… 研究意義………………………………………………………………… 本章小結(jié)……………………………………………………………………..第二章 清潔機(jī)器人機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)………………………………………………………………………………………. 清潔機(jī)器人機(jī)器視覺的性能指標(biāo)………………………………… 照明和攝像機(jī)的選擇………………………… 系統(tǒng)性能分析……………………………………. 清潔機(jī)器人機(jī)器視覺系統(tǒng)簡介………………………………………… 本章小結(jié)…………………………………………………………………….第三章 清潔機(jī)器人機(jī)器視覺的圖像預(yù)處理………………………………………………………………………………….. 圖像預(yù)處理常用的方法………………………………………………. 本課題的圖像預(yù)處理………………………………………………… 通風(fēng)管道內(nèi)壁圖像的轉(zhuǎn)換………………………………………………… 通風(fēng)管道內(nèi)壁圖像的噪聲消除……………………………………………… 通風(fēng)管道內(nèi)壁圖像的銳化…………………………………………………… 本章小結(jié)…………………………………………………………………….第四章 清潔機(jī)器人機(jī)器視覺的圖像匹配………………………………………..………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………… 本算法對(duì)圖像的后續(xù)處理……………………………………………. 圖像匹配及結(jié)果分析………………………………………………………………………………………………………………….第五章 清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………… 清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)簡介……………………………….. 清潔機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)…………………………………………….. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇…………………………………………… …………………………. …………………………………………………… 清潔機(jī)器人的工作流程……………………………………………… ……………………………………………… 軟件設(shè)計(jì)……………………………………………… 本章小結(jié)……………………………………………………………..第六章 總結(jié)與展望………………………………………………………….. 課題研究的主要內(nèi)容………………………………………………………. 后期工作展望………………………………………………………………參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………….致謝………………………………………………………………………………….個(gè)人簡歷…………………………………………………………………………….第一章 前 言 課題來源本學(xué)位論文的課題來源：河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃()；河南工業(yè)大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目()，“中央空調(diào)垂直通風(fēng)管道清潔機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制” ；河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究()。在對(duì)清潔機(jī)器人機(jī)器視覺系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，分析了清潔機(jī)器人的控制子系統(tǒng)，它主要包括對(duì)機(jī)器視覺的控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制。在圖像匹配部分依據(jù)圖像的基本特征，提出并分析了三種匹配方法。首先簡要介紹了機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，依據(jù)清潔機(jī)器人機(jī)器視覺的性能指標(biāo)，分析了機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本功能，主要包括圖像預(yù)處理和圖像匹配兩方面。而對(duì)于垂直管道清潔機(jī)器人的研究卻很少，發(fā)展也很緩慢。國外的一些發(fā)達(dá)國家早就認(rèn)識(shí)到中央空調(diào)系統(tǒng)的空氣質(zhì)量對(duì)人體的危害，近年來，我國對(duì)于中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的清掃也頒布了相應(yīng)的法律法規(guī)。摘 要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，中央空調(diào)的普及使用率越來越高，它給人們的生活帶來了很大的便利。然而，中央空調(diào)通風(fēng)管道是灰塵、病毒、病菌的藏身之處，它的清潔率嚴(yán)重不足，從而嚴(yán)重威脅到人體的健康。水平管道清潔機(jī)器人的技術(shù)相對(duì)成熟，目前國內(nèi)外已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品。本文以自行設(shè)計(jì)的一套中央空調(diào)垂直通風(fēng)管道清潔機(jī)器人為研究對(duì)象。在圖像預(yù)處理部分首先是把采集的通風(fēng)管道內(nèi)壁圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后分析了兩種不同的噪聲濾除方法，最終選擇了中值濾波方法來濾除噪聲，最后選用拉普拉斯算子對(duì)圖像進(jìn)行銳化增強(qiáng)?；陬伾匦缘膱D像匹配是利用顏色直方圖信息，丟失了顏色的位置信息，運(yùn)算速度不是很快，存在對(duì)通風(fēng)管道內(nèi)壁的凸起、凹陷和其它附著物不能準(zhǔn)確識(shí)別的情況；基于直方圖特性的匹配只考慮圖像的灰度信息，運(yùn)算速度很快，還存在著對(duì)通風(fēng)管道內(nèi)壁的凸起、凹陷和其它附著物不能準(zhǔn)確識(shí)別的情況；在前兩種算法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的匹配算法，它能夠較準(zhǔn)確的識(shí)別出通風(fēng)管道內(nèi)壁的凸起、凹陷和其它附著物，但是還不能對(duì)這些圖像進(jìn)行處理，有待進(jìn)一步的研究，它的運(yùn)算時(shí)間相對(duì)來說較長，需要改進(jìn)算法來提高運(yùn)算速度。設(shè)計(jì)的控制器總體上分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，它們之間通過總線連接，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 中央空調(diào)清潔的現(xiàn)狀隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，中央空調(diào)的普及使用率越來越高，這是由中央空調(diào)自身優(yōu)點(diǎn)所決定的，如：冷熱源集中、節(jié)約能源、處理空氣量大、成本低、運(yùn)行可靠等。然而其自身的“健康”狀況卻是不容樂觀的。首先，為了節(jié)約能源，大多數(shù)的中央空調(diào)環(huán)境均設(shè)定為封閉、半封閉的空間，室內(nèi)空氣大多數(shù)屬于循環(huán)利用，空氣的清潔度基本上就是依靠空調(diào)本身的過濾和定時(shí)輸送適量新風(fēng)來維持。其次，中央空調(diào)通風(fēng)管道清潔率嚴(yán)重不足，通風(fēng)管道內(nèi)成了許多有害顆粒和灰塵、病毒、病菌的藏身之處，嚴(yán)重威脅著人體的健康。檢測結(jié)果顯示，合格的空調(diào)使用單位58家，%，而超過90%的受檢空調(diào)系統(tǒng)存在著污染，%屬于中等污染，%屬于嚴(yán)重污染。(1) 國外中央空調(diào)清潔的現(xiàn)狀國外的一些發(fā)達(dá)國家很早就應(yīng)用了中央空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)于空氣質(zhì)量對(duì)人體健康的危害也有較深刻的認(rèn)識(shí)。國外衛(wèi)生機(jī)構(gòu)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)所造成的環(huán)境污染已有較為完善的處理方法，還出臺(tái)了較為嚴(yán)密的使用及清洗法規(guī)。目前，國外的發(fā)達(dá)國家均成立有中央空調(diào)通風(fēng)管清洗協(xié)會(huì)，并且已經(jīng)形成了一個(gè)完整的行業(yè)[4][5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國需要清潔保養(yǎng)的中央空調(diào)設(shè)備已經(jīng)超過100萬套，還以每年10%的速度在增長，而其中大部分運(yùn)行了10年以上卻從未清潔。尤其是2003年“非典”疫情的傳播，人們對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)所帶來的疾病隱患有了更深的認(rèn)識(shí)，政府對(duì)于中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生狀況的重視，也達(dá)到了前所未有的高度。2006年3月，衛(wèi)生部實(shí)施了《公共場所集中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)衛(wèi)生管理辦法》[6][7][8]。 國內(nèi)外中央空調(diào)清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國外中央空調(diào)清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀國外的清潔機(jī)器人目前已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化。總的來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都大同小異，性能水平也差別不大，大多數(shù)都采用輪式或者雙履帶式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，要上臺(tái)階、爬斜坡和急轉(zhuǎn)彎的情況下完成動(dòng)作就有一定的難度[9][10][11]。圖11 Hong Kong Dustxpert EnviroEng Limited 機(jī)器人實(shí)物圖圖12 DRY ICE ENGINEERING的系統(tǒng)實(shí)物圖國外生產(chǎn)的中央空調(diào)清潔機(jī)器人技術(shù)水平雖然比較高，應(yīng)用的范圍也比較規(guī)范，但都是根據(jù)國外中央空調(diào)的通風(fēng)管道所設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)上比較規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，大都具有標(biāo)準(zhǔn)的形狀，很大部分都不能適應(yīng)我國的中央空調(diào)通風(fēng)管道。中央空調(diào)水平通風(fēng)管道清潔機(jī)器人在國外已生產(chǎn)出相應(yīng)的產(chǎn)品，并且技術(shù)也相對(duì)成熟。還有挪威SINTEF研究基金會(huì)的控制論和光學(xué)測量科學(xué)家提出了一種智能通風(fēng)管道蛇形機(jī)器人研究方案[13]。如圖13所示，挪威設(shè)計(jì)的智能蛇形機(jī)器人。對(duì)于水平通風(fēng)管道清潔機(jī)器人的研究技術(shù)目前已比較成熟[14]，如圖14所示的是沈陽自動(dòng)化研究所所研制的JJ1型空調(diào)水平管道清潔機(jī)器人。根據(jù)所查閱的資料可知，浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)垂直風(fēng)管清潔機(jī)器人，它有清掃機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。其中，行走機(jī)構(gòu)以吸附電磁鐵為主要部件使整個(gè)機(jī)器吸附在通風(fēng)管道壁上行走，只能適用于鐵磁性的管道材料，對(duì)于玻璃鋼、復(fù)合材料的管道內(nèi)壁都是不能使用的。圖15 浙江大學(xué)研究的垂直管道清潔機(jī)器人樣機(jī)圖20世紀(jì)50年代，人們開始研究二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別，這標(biāo)志著機(jī)器視覺理論的開始發(fā)展，當(dāng)時(shí)主要工作就集中在對(duì)二維圖像的分析和識(shí)別上[17]。70年代中期，美國麻省理工學(xué)院的人工智能實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)了Mashine Vision(機(jī)器視覺)課程。80年代初期，David Warr提出了計(jì)算機(jī)視覺的理論，是機(jī)器視覺研究領(lǐng)域中一個(gè)很重要的理論框架。到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，隨著圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展，并且被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。 機(jī)器視覺的應(yīng)用機(jī)器視覺不會(huì)像人眼一樣有疲勞感，還比人眼有更高的進(jìn)度和更快的速度，并且在惡劣和高危險(xiǎn)的環(huán)境中，也有它突出的優(yōu)點(diǎn)。、安全防范、交通管理中的應(yīng)用基于機(jī)器視覺的交通監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)工作性強(qiáng)。它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的交通監(jiān)控方法不能識(shí)別車輛行駛方向、不能進(jìn)行車輛分類的缺點(diǎn)，也改善了雷達(dá)波檢測器只能識(shí)別運(yùn)動(dòng)車輛的不足。對(duì)于這類復(fù)雜對(duì)象的自動(dòng)控制，最大的困難就是檢測問題，而大部分場合，就需要通過機(jī)器視覺來實(shí)現(xiàn)。在醫(yī)學(xué)上，機(jī)器視覺主要用于輔助醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像的分析，主要是對(duì)X射線、核磁共振、CT圖像或其它醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，還有機(jī)器視覺應(yīng)用于醫(yī)用外科手術(shù)中。 本課題的研究目標(biāo)本課題對(duì)中央空調(diào)垂直風(fēng)管清潔機(jī)器人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行研究，難點(diǎn)是根據(jù)采集到的通風(fēng)管道內(nèi)部情況，將灰塵的積累轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像信息，并提取特征信息，根據(jù)此信息驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在垂直管道的駐停，清潔毛刷在一定角度范圍內(nèi)的姿態(tài)調(diào)節(jié)等。，在做出的具體清潔機(jī)器人樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，最終完成實(shí)物樣機(jī)的設(shè)計(jì)，滿足垂直風(fēng)管清潔機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別、完成清洗的功能。 本課題的研究內(nèi)容清潔機(jī)器人機(jī)器視覺部分的研究主要是對(duì)通風(fēng)管道內(nèi)壁圖像的預(yù)處理和圖像的匹配問題。圖像的匹配也有很多種方法，根據(jù)模板圖像和所采集的通風(fēng)管道內(nèi)壁圖像，選用不同的圖像匹配方法來進(jìn)行比對(duì)。清潔機(jī)器人是一個(gè)主從控制系統(tǒng)，控制系