一種軌道式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

林雅峰

(福建(泉州)哈工大工程技術(shù)研究院，福建 泉州 362000)

0 引言

某重要大型露天倉庫,地處偏僻,庫區(qū)占地面積廣,庫區(qū)內(nèi)存放的物質(zhì)屬于重要軍用物資，要求具備較高的安防等級。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)是：1)安排大量的巡檢人員不論白天、夜晚還是刮風(fēng)下雨，進(jìn)行巡邏，其勞動(dòng)強(qiáng)度大；2)在固定點(diǎn)安裝高清攝像頭進(jìn)行覆蓋監(jiān)控[1]。這些方式都無法全方位監(jiān)控，特別是一些監(jiān)控死角，盜竊分子經(jīng)常選擇該處進(jìn)行偷盜；而且這些安防措施都有一定的局限性，尤其在夜晚時(shí)段，兩種方式不能夠?qū)}庫進(jìn)行持續(xù)有效的監(jiān)控和及時(shí)應(yīng)對。本項(xiàng)目所研制的巡檢機(jī)器人能夠?qū)}庫內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和預(yù)警，可以很好地彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)位置固定、數(shù)量繁多、缺少執(zhí)行機(jī)構(gòu)等問題。該系統(tǒng)能夠有效地減小巡檢人員的巡防壓力，大幅度減少工作人員數(shù)量，強(qiáng)化對倉庫物質(zhì)的監(jiān)控，加快對盜竊等緊急事件的響應(yīng)速度。

1 軌道式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人主要由高速運(yùn)行設(shè)備自定位系統(tǒng)、全方位動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測系統(tǒng)、人體視覺檢測跟隨系統(tǒng)、分級報(bào)警及應(yīng)對系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)、自動(dòng)失能打擊系統(tǒng)等組成，如圖1所示。設(shè)備軌道安裝于一定高度的城墻上，可代替安防人員按照一定的策略對倉庫周圍進(jìn)行自主巡檢，對區(qū)域內(nèi)進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)控。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

1.1 巡檢機(jī)器人本體系統(tǒng)

機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量適中(采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì))。本體部分主要由驅(qū)動(dòng)模塊、前后隨動(dòng)回轉(zhuǎn)模塊、電控模塊、失能打擊模塊、外罩、本體攝像頭等組成。通過在倉庫區(qū)域內(nèi)的高墻上安裝封閉的I字形軌道回路作為移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)的運(yùn)行軌道，軌道上可以同時(shí)安裝多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)進(jìn)行作業(yè)，并通過滑觸線向移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)供電。機(jī)器人本體通過側(cè)向和縱向限位輪組進(jìn)行導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)輪在拉緊彈簧作用下壓緊軌道下平面，進(jìn)行直線或曲線運(yùn)動(dòng)。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示，運(yùn)行原理如圖3所示。

圖2 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 機(jī)器人運(yùn)行原理圖

1.2 人體視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測分為動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(人員初定位)和人員跟隨定位兩部分。第一部分通過外部傳感器或者攝像頭按照區(qū)域?qū)?dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行檢測、搜索；第二部分是通過本體搭載的相機(jī)將視頻回傳至服務(wù)器進(jìn)行人體視覺實(shí)時(shí)檢測，獲得人員位置信息，從而引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)跟隨。視覺檢測如圖4所示。

圖4 視覺檢測圖像

動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測用的方法是基于混合高斯模型的背景減除法[3-4]?；旌细咚鼓Ｐ突舅惴ㄔ恚夯旌细咚鼓Ｐ褪褂肒(基本為3～5)個(gè)高斯模型來表征圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的特征，在新一幀圖像獲得后更新混合高斯模型，用當(dāng)前圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)與混合高斯模型匹配；如果成功則判定該點(diǎn)為背景點(diǎn)，否則為前景點(diǎn)。這種方法的好處在于，同一個(gè)像素位置處可以呈現(xiàn)多個(gè)模態(tài)的像素值變化(例如水波紋、晃動(dòng)的葉子等)，因此可以降低自然因素引起的一些動(dòng)態(tài)目標(biāo)誤判。具體過程如下：

1)從監(jiān)控?cái)z像頭獲取圖像并利用混合高斯函數(shù)對背景進(jìn)行初始化建模；

2)當(dāng)監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)所處的區(qū)域與背景混合高斯模型不匹配從而判定該區(qū)域?yàn)榍熬澳繕?biāo)(即可疑目標(biāo))；

3)對背景模型進(jìn)行更新；

4)循環(huán)上述步驟即可實(shí)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)位置信息，再將目標(biāo)位置信息發(fā)送到上位機(jī)；

5)上位機(jī)調(diào)度機(jī)器人到可疑目標(biāo)位置對目標(biāo)進(jìn)一步確認(rèn)。

人體視覺實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)主要是通過構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)[5]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的圖像人體特征檢測。圖像檢測流程包括：初始化背景，提取背景模型，并實(shí)時(shí)更新背景信息；通過運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測獲得場景數(shù)據(jù)，對場景數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取并與人物特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配獲得人物圖像數(shù)據(jù)；提取人物質(zhì)心坐標(biāo)并發(fā)送至移動(dòng)機(jī)器人控制器，通過調(diào)度系統(tǒng)控制合適的移動(dòng)機(jī)器人本體對人員進(jìn)行跟蹤。

1.3 智能調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)功能是通過移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)之間的協(xié)作以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和防護(hù)性能，同時(shí)也對系統(tǒng)自身的安全性能起到很好的保護(hù)作用。具體實(shí)現(xiàn)流程為：通過人體視覺實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)與高速定位系統(tǒng)將可疑人員和各移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)的具體位置信息、速度信息上報(bào)調(diào)度系統(tǒng)。調(diào)度系統(tǒng)[6]通過調(diào)度算法根據(jù)各移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)與可疑人員之間的相對位置關(guān)系，設(shè)定每臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)的優(yōu)先級別并調(diào)用最近的一臺(tái)/兩臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人主機(jī)，對可疑人員進(jìn)行跟蹤圍堵，同時(shí)向值班室發(fā)送警報(bào)信息，從而有效擾亂可疑人員的盜竊行為。控制方案如圖5所示。

圖5 調(diào)度控制方案

1.4 電氣系統(tǒng)

機(jī)器人電氣系統(tǒng)主要包含伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、本體相機(jī)、初定位相機(jī)、上位機(jī)、粉彈打擊模塊及外圍聲光等設(shè)備。實(shí)現(xiàn)的主要功能包含跟蹤巡邏、聲光報(bào)警以及失能打擊。

a)跟蹤巡邏

巡檢機(jī)器人動(dòng)力源為本體搭載的伺服電機(jī),并搭載有絕對式編碼器用以識(shí)別自身位置，其網(wǎng)絡(luò)圖如圖6所示。上位機(jī)統(tǒng)一接收來自初定位相機(jī)與本體相機(jī)的檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)處理后，對機(jī)器人發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，主要包含如下3種運(yùn)動(dòng)模式：

圖6 巡檢機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)巡邏模式：當(dāng)防御范圍內(nèi)無目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，巡檢機(jī)器人進(jìn)入巡邏模式，本體將以設(shè)定速度在巡邏范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)[7]，以此來達(dá)到一定的震懾作用。

2)初定位模式：當(dāng)初定位相機(jī)監(jiān)測到動(dòng)態(tài)目標(biāo)后，上位機(jī)通過初定位相機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)與機(jī)器人本體位置進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果，發(fā)送初定位信號(hào)；本體CPU根據(jù)接收到的信號(hào)，快速接近動(dòng)態(tài)目標(biāo)，使目標(biāo)進(jìn)入本體相機(jī)視野，對目標(biāo)進(jìn)行甄別。

3)跟蹤模式：在任何模式下，當(dāng)本體相機(jī)檢測到目標(biāo)后，上位機(jī)將本體相機(jī)檢測到的目標(biāo)位置發(fā)送給本體CPU，機(jī)器人將進(jìn)入跟蹤模式，本體CPU根據(jù)目標(biāo)位置，通過PID[8-9]算法，使機(jī)器人緊跟目標(biāo)。

b)聲光報(bào)警

機(jī)器人進(jìn)入跟蹤模式后，其搭載的聲光報(bào)警將被激活，警笛開始鳴響，同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行語音警告。

c)失能打擊

機(jī)器人搭載粉彈打擊模塊[10-11]。當(dāng)其進(jìn)入跟蹤模式后，若目標(biāo)接近機(jī)器人所防御的圍墻，并試圖進(jìn)行逃跑時(shí)，本體攝像頭瞄準(zhǔn)到位后，通過電磁鐵激活粉彈激針，將搭載的具備失能性打擊的粉末快速打出，而后通過棘輪機(jī)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)換槍膛彈位，為下次激發(fā)做好準(zhǔn)備。

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能主要如下：

1)自動(dòng)巡邏：機(jī)器人本體搭載有伺服電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，同時(shí)搭載有絕對式編碼器進(jìn)行位置識(shí)別。當(dāng)本體沒有檢測到可疑目標(biāo)時(shí)，機(jī)器人進(jìn)入巡邏模式，以設(shè)定的速度在巡邏范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2)自動(dòng)識(shí)別：機(jī)器人本體搭載有攝像頭隨時(shí)監(jiān)控本體區(qū)域內(nèi)的場景，通過圖像攝取裝置將攝取的目標(biāo)轉(zhuǎn)成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)像素分布、顏色、亮度等信息，將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)。圖像系統(tǒng)對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來識(shí)別進(jìn)入警戒區(qū)域的可疑人員。

3)自動(dòng)跟蹤：該功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠系統(tǒng)搭載的初定位攝像頭與機(jī)器人本體攝像頭, 可疑人員進(jìn)入警戒線后，機(jī)器人將識(shí)別情況與人員位置，跟隨人員移動(dòng)。

4)自動(dòng)報(bào)警：當(dāng)本體進(jìn)入跟蹤模式后，機(jī)器人搭載的警笛與聲光系統(tǒng)被激活，同時(shí)對可疑人員進(jìn)行語音警告，并將其可疑行為回傳至控制中心，通知工作人員采取預(yù)警措施。

5)自動(dòng)打擊：如發(fā)現(xiàn)人員入侵或盜竊出逃后，可通過噴射干粉等進(jìn)行先期處置，為執(zhí)勤人員到位處置爭取寶貴時(shí)間。

3 巡檢機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用

目前，機(jī)器人已在某個(gè)露天倉庫系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用,通過對各模塊進(jìn)行試驗(yàn)研究得到相關(guān)參數(shù)，所有指標(biāo)符合預(yù)期要求。

主要試驗(yàn)過程如下：

1)移動(dòng)速度V以及加速度a測量方法：機(jī)器人本體安裝有絕對式編碼器，通過米輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，經(jīng)計(jì)算可準(zhǔn)確知道其位置。由試驗(yàn)圖7可知，設(shè)備的最大移動(dòng)速度是V=7.178m/s，速度由0加速到最大速度的時(shí)間Δt=2.333s，可知a=ΔV/Δt=7.178/2.333=3.08m/s2。

圖7 移動(dòng)速度以及加速度測量

2)跟蹤定位誤差以及自定位誤差測量方法：①測試人員以某一速度運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人跟隨運(yùn)動(dòng)，最后人員突然停止運(yùn)動(dòng)定位于某一位置，機(jī)器人最終也停止跟隨。測量人員與設(shè)備的間隔差，跟蹤定位誤差為0.275m，如圖8所示。②讓設(shè)備通過預(yù)定程序行駛一段距離后停止運(yùn)動(dòng)，測量實(shí)際位置與理論位置的偏差，試驗(yàn)得出自定位誤差為0.1m。

圖8 跟蹤定位誤差測量

3)將軌道加工彎曲成R400，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)左右拐彎，如圖9所示。

圖9 拐彎半徑分析圖

4)相機(jī)視場寬(軌道安裝高度6.5m)為14m，圖像平均傳輸、處理幀率為21fps。

5)正常運(yùn)行時(shí)，噪聲測量的平均值為57db，噪聲等級符合3類環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)，測量過程如圖10所示。

圖10 噪聲測量過程

6)多次淋雨試驗(yàn)，設(shè)備仍可正常運(yùn)行，防護(hù)等級≥IP65。

4 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要包括以下5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1)軌道式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)

結(jié)合實(shí)際的場景和工況設(shè)計(jì)合理的安裝位置及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過虛擬樣機(jī)對其結(jié)構(gòu)合理性和機(jī)構(gòu)有效性進(jìn)行充分驗(yàn)證，使機(jī)器人本體在軌道上可靠定位，同時(shí)具備良好的緊湊性、機(jī)動(dòng)性和平穩(wěn)性。

2)基于深度學(xué)習(xí)算法的人體視覺實(shí)時(shí)檢測技術(shù)

結(jié)合場所的地形和現(xiàn)場環(huán)境，編寫背景提取和人員檢測算法，對現(xiàn)場視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，在檢測到人員的同時(shí)提取其具體位置及運(yùn)動(dòng)信息，再通過調(diào)度系統(tǒng)控制移動(dòng)機(jī)器人本體按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。

3)高速非線性運(yùn)動(dòng)控制及定位技術(shù)

通過視覺檢測技術(shù)對現(xiàn)場可疑人員的位置坐標(biāo)進(jìn)行提取，同時(shí)通過本體搭載的絕對式編碼器檢測實(shí)時(shí)位置，兩者結(jié)合確定可疑人員與移動(dòng)機(jī)器人的相對位置后進(jìn)行閉環(huán)跟隨控制。

4)應(yīng)急響應(yīng)人機(jī)交互技術(shù)

充分調(diào)研現(xiàn)場環(huán)境及各種狀況下預(yù)案流程，根據(jù)執(zhí)勤任務(wù)及各種突發(fā)狀況制定相應(yīng)的系統(tǒng)交互信息及交互界面，實(shí)現(xiàn)日常巡邏的正常開展，突發(fā)狀況下的自動(dòng)報(bào)警、畫面回傳、自動(dòng)跟隨、中控室遠(yuǎn)程控制等功能。

5)失能打擊技術(shù)

設(shè)計(jì)符合情景的失能打擊系統(tǒng)，通過視覺檢測對現(xiàn)場情況做出判斷并根據(jù)應(yīng)急打擊許可條件對可疑人員進(jìn)行單次/連續(xù)非致命性打擊，使其暫時(shí)喪失逃脫能力。

5 結(jié)語

本文提供了一種軌道式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可代替人工自動(dòng)巡邏、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)打擊等，可減小執(zhí)勤人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，加強(qiáng)對露天倉庫物質(zhì)的管控，應(yīng)對盜竊行為等突發(fā)情況，提高倉庫安防系統(tǒng)的智能水平。整套系統(tǒng)已在試點(diǎn)應(yīng)用，各功能均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可為后續(xù)的開發(fā)應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及優(yōu)化方向。