用于泥窖壁的清扫装置路径规划方法及系统与流程

本发明主要涉及工业装置路径优化，尤其是涉及一种用于泥窖壁的清扫装置路径规划方法及系统。

背景技术：

1、浓香型白酒的酿造工艺对窖池环境有着严格要求。泥窖作为浓香型白酒发酵的核心载体，其窖壁在经过工人起窖操作后，会附着许多发酵后残余的酒糟，必须在下一轮投料前进行清扫。然而，当前多数白酒酿造企业仍采用人工入窖清扫方式，使用手持工具对四面窖壁进行逐片清理。这一作业方式不仅劳动强度大、效率低下，更因窖内易积聚一氧化碳、硫化氢等有毒有害气体，伴随缺氧窒息、窖壁坍塌等多重风险，存在极大的安全隐患，已成为制约白酒酿造自动化升级的关键瓶颈之一。

2、近年来，随着机器人技术的不断发展，部分研究开始尝试将多自由度机械臂引入泥窖清扫作业，以替代人工完成危险环境下的清理工作。然而，现有的机械臂路径规划方法大多面向结构化的工业场景，难以直接适配泥窖这一特殊工况。首先，泥窖的窖壁表面并非规则的平面，而是带有一定曲率和凹凸不平的复杂曲面，常规的基于模型匹配的规划方法难以精确描述其几何特征，导致路径规划精度不足。其次，窖壁表面附着的窖泥是白酒风味形成的重要微生物载体，质地疏松且具有不可再生性，机械臂在清扫过程中若运动路径不合理或末端姿态控制不当，极易对窖壁造成刮擦损伤，破坏窖泥的生态功能。再次，现有方法通常只关注机械臂末端的位置控制，缺乏对清扫工具与壁面接触姿态的有效引导，清扫装置难以始终与壁面保持良好的贴合状态，清扫洁净度难以满足工艺要求。上述问题的存在，使得现有的机械臂清扫方案在实际应用中效果不佳，窖池养护效果和清洁质量均难以达标。

3、针对上述问题，本领域亟需一种更贴合泥窖复杂曲面结构、能够实现路径全覆盖且具备姿态精确引导能力的泥窖壁清扫路径径规划方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种用于泥窖壁的清扫装置路径规划方法及系统，旨在解决现有泥窖壁清扫路径规划与泥窖结构适配性低，清扫效果不佳的问题。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：

3、一方面，本发明提供一种用于泥窖壁的清扫装置路径规划方法，所述方法包括：

4、步骤1、采集窖池内部表面三维点云数据；

5、步骤2、将点云数据分割为窖池底部点云和窖壁点云，并基于空间法向量方位角约束和区域聚类约束，进行四面窖壁分离；

6、步骤3、采用主成分分析法对分离后的单面窖壁点云进行自适应平面投影，选取特征值最大的两个主成分向量作为投影轴，构建二维投影平面，将三维点云映射为二维投影坐标并转换为二值图像；

7、步骤4、以清扫装置尺寸为基准划分栅格，依据各栅格内二值图像的像素占比，将栅格标记为可达、不可达或未知状态，构建栅格代价地图；采用贪心策略，以内层循环执行当前连通区域内连续邻域拓展、外层循环执行跨连通区域就近跳转的方式，生成覆盖所有可达栅格的二维栅格路径点序列；

8、步骤5、将二维栅格路径点序列逆投影恢复为原始三维坐标，计算各三维路径点的法向量，并统一校正为法向量指向窖壁外侧，输出包含坐标与法向量的三维路径文件。

9、进一步的，步骤2中将点云数据分割为窖池底部点云和窖壁点云包括：采用随机采样一致性算法，通过平面拟合与内点统计迭代确定窖底平面；计算各点到该窖底平面的垂直距离，将距离小于预设阈值的点划分为窖池底部点云，其余划分为窖壁点云。

10、进一步的，步骤2中所述基于空间法向量方位角约束和区域聚类约束，进行四面窖壁分离包括：计算各点法向量在水平面的投影方位角，根据方位角直方图确定四个窖壁的中心方位角，将落入各中心方位角邻域范围内的点直接划分至对应窖壁；其余边界点通过分别计算到四个窖壁拟合平面的距离，选取距离最近的窖壁平面作为归属。

11、进一步的，步骤3所述采用主成分分析法对分离后的单面窖壁点云进行自适应平面投影，构建二维投影平面：包括对单面窖壁点云进行主成分分析，将最大特征值对应的主成分作为投影水平轴、次大特征值对应的主成分作为投影垂直轴、最小特征值对应的主成分作为投影法向量，构建二维投影平面。

12、进一步的，所述步骤4中，贪心策略的双层迭代机制具体为：

13、内层迭代：从当前栅格为中心，遍历其邻域栅格，根据各栅格的基础收益值和邻域方向权重计算每个邻域栅格的收益值，取收益最大的栅格作为下一路径点，将已遍历栅格标记为无效，直至当前邻域内无可用的未覆盖可达栅格时退出；其中，不可达栅格基础收益为负，可达栅格的基础收益为正，未知栅格的基础收益为0；

14、外层迭代：内层迭代退出后，检查全局是否存在未遍历的可达栅格，若存在，则计算当前栅格与所有未遍历可达栅格之间的欧氏距离，选取距离最近的栅格作为新的当前栅格并重新触发内层迭代，直至全局无可达栅格未遍历。

15、进一步的，邻域方向包括横向优先和纵向优先阵；横向优先时，左右方向邻域权重大于上下方向邻域权重；纵向优先时，上下方向邻域权重大于左右方向邻域权重。

16、进一步的，步骤5所述逆投影恢复三维坐标具体为：将栅格路径点的行列索引经栅格尺寸缩放和图像偏移校正后转换为投影图像像素坐标；再结合投影水平轴、垂直轴及点云中心，反向映射回原始三维空间坐标。

17、进一步的，步骤5中对各路径点通过邻域搜索拟合局部平面，对局部平面进行主成分分析，取最小特征值对应的特征向量作为初始法向量；计算初始法向量与步骤3中对应窖壁的投影法向量的方向一致性，若方向相反则调整法向量方向，使所有路径点法向量统一指向窖壁外侧。

18、进一步的，步骤5中，对于逆投影后无原始点云对应的栅格路径点，采用自适应半径递增搜索方式，以栅格中心对应像素为中心，在设定半径范围内递增搜索有效点索引，取首个有效点的三维坐标和法向量作为代表值；若仍未找到，则利用前一路径点进行插值补全；并对整条路径序列中重复或邻近冗余的路径点进行去重压缩。

19、另一方面，本发明还提供一种用于泥窖壁的清扫装置路径规划系统，所述系统包括：

20、点云数据采集模块：采集窖池内部表面三维点云数据；

21、点云分割模块：迭代拟合窖池底部点云，通过设定的地面距离阈值进行窖底与窖壁的整体分割；并基于空间法向量方位角约束和区域聚类约束，进行四面窖壁分离；

22、点云投影模块：对分离后的单面窖壁点云进行自适应平面投影，选取最优投影轴构建二维投影平面，将三维点云映射为二维坐标，并转换为对应二值图像；

23、路径规划模块：以清扫装置尺寸为基准划分栅格，依据各栅格内二值图像的像素占比，将栅格标记为可达、不可达或未知状态，构建栅格代价地图；采用贪心策略，以内层循环执行当前区域内连续邻域拓展、外层循环执行跨区域就近跳转的方式，生成覆盖所有可达栅格的二维全局清扫路径；

24、清扫轨迹构建模块：将二维栅格路径点逆投影恢复为原始三维坐标，计算各路径点的法向量并统一校正指向窖壁外侧，经插值补全与去重处理后，输出包含坐标与法向量的三维路径文件。

25、本发明的有益效果：

26、1.通过对窖池三维点云的分割处理，将窖底与四面窖壁有效分离，使清扫作业准确聚焦于窖壁区域，避免了对窖底珍贵微生物群落的干扰和破坏，保护了窖泥的生态功能和白酒酿造品质基础；

27、2.利用法向量水平方位角直方图与边界过渡实现了对不规则曲面窖壁的精确描述和独立处理，使路径规划能够适应不同窖池在形态和尺寸上的个体差异，消除了传统方法对规则几何模型的依赖，有效避免了清扫盲区与路径干涉问题，保证了清扫覆盖的完整性；

28、3.将三维曲面问题转化为二维图像处理问题，显著降低了路径规划的计算复杂度和实施难度，使算法能够在有限的计算资源下高效运行，便于在实际生产环境中快速部署和实时执行；

29、4.采用单区域连续清扫与跨区域就近跳转相结合的策略，使清扫装置的清扫路径保持连贯有序，减少了运动过程中的频繁启停和长距离空跑，在保证全覆盖的前提下有效缩短了清扫时间，提高了作业效率；

30、5.最终输出的三维路径文件携带法向量姿态信息，能够直接引导清扫装置在运动过程中持续调整姿态，使清扫工具始终以最佳角度贴合窖壁表面，既保证了清扫效果的均匀稳定，还降低了对窖壁造成损伤的可能性。