智能安保巡檢機器人設計與應用

索旭東，李康華，康 曉，李冀川

（智能移動機器人（中山）研究院，中山 528400）

隨著人工智能、自動識別、路徑規(guī)劃以及機器人行業(yè)的迅速發(fā)展，智能安保巡檢機器人被列為一項重要的發(fā)展計劃。目前倉庫智能巡檢面臨較多問題，主要如下：一是倉庫物品擺放較為雜亂，機器人路徑規(guī)劃存在一定難度；二是倉庫工作條件艱苦；三是倉庫人手不足，部分工作不能及時開展。

本文設計實現(xiàn)一套無人值守倉庫的智能安保巡檢機器人，智能安保巡檢機器人可根據操作人員在管理平臺的任務操作或預先設定任務，倉庫現(xiàn)場工作人員可通過機器人后臺管理系統(tǒng)收到的實時圖像與數(shù)據等信息，實現(xiàn)倉庫無人巡視工作。

1 智能安保巡檢機器人需求背景

雖然倉庫裝設了監(jiān)控系統(tǒng)，但仍存在漏檢或監(jiān)控死角，另外隨著人們安全意識的提升與用人成本的增加情況，使得往常以人員巡檢的安保方式無法滿足倉庫巡檢的需求。

智能安保巡檢機器人能幫助巡檢人員擺脫原始紙筆記錄方式，在巡檢過程中按具體的巡檢規(guī)范和巡檢標準進行巡檢，減少人為因素帶來的漏檢問題，使巡檢工作實現(xiàn)高效地無紙化采集數(shù)據，實現(xiàn)信息化管理。

2 智能安保巡檢機器人設計

2.1 動態(tài)自主規(guī)劃路徑設計

智能安保巡檢機器人實現(xiàn)了自主定位導航，其中包括定位、建圖與路徑規(guī)劃[1-2]。利用SLAM 作為機器人定位導航的核心技術，但SLAM 只是完成定位與地圖創(chuàng)建這兩件事情，并不完全等同于自主定位導航。SLAM 的核心分為3 個步驟，第1 步為預處理，通過激光雷達設備檢測機器人某一時刻的環(huán)境信息，并且獲取該時刻機器人所處的環(huán)境信息形成點云圖。點云圖只是反映機器人所在環(huán)境中的一個部分，而SLAM 第1 步預處理就是對激光雷達的原始數(shù)據進行優(yōu)化，剔除一些有問題的數(shù)據，從而保證路徑規(guī)劃的正確性；第2 步就是匹配，也就是把當前這一個局部環(huán)境的點云數(shù)據在已經建立的地圖上尋找對應的位置，匹配的精確度直接決定機器人定位的精度；第3 步就是地圖融合，通過激光雷達的新數(shù)據拼湊到原始地圖當中，完成最終的地圖更新。在機器人完成SLAM 定位后，機器人要實現(xiàn)自主路徑規(guī)劃必須進行目標點導航的功能，類似規(guī)劃一條從A 點至B 點的一個路徑，然后讓機器人根據這條路徑移動。要實現(xiàn)這個過程，路徑規(guī)劃包含兩個方面，一是全局規(guī)劃，在初始地圖上預先規(guī)劃一條路線，也要有機器人的初始位置，這是由機器人進行SLAM 后提供的；二是當機器人根據路徑規(guī)劃好的路線從A 點到B 點的過程中，可能會出現(xiàn)路徑中會出現(xiàn)障礙物甚至是實際地圖已經改變了，初始規(guī)劃好的路徑已經不能讓機器人正確的從A點到B 點，這就需要調整原先的路徑，當然有時候機器人并不是重新計算一遍全局路徑，實際情況可能機器人只需繞一個彎即可成功的根據路徑規(guī)劃到達B點。此時就需要局部規(guī)劃，局部規(guī)劃并不針對機器人實際終點位置，只針對機器人周圍路徑是否可行，根據雷達數(shù)據及其他傳感器數(shù)據融合后，對路徑進行自主的調整，實現(xiàn)動態(tài)的路徑規(guī)劃。

2.2 實際場景應用融合設計

目前市場上使用場景單一，只是針對某類場景做應用。智能安保巡檢機器人根據各種實際安保應用場景進行各方面功能的融合，機器人不僅滿足了安保方面的需求，通過各種傳感器融合及實時攝像頭監(jiān)控對機器人所處環(huán)境進行實時的監(jiān)控，同時針對實際倉儲應用場景融合了物資管理系統(tǒng)，針對物資管理系統(tǒng)融合掃碼器應用，可通過掃碼器對倉儲內物資進行掃碼出入庫；對于查庫簽到系統(tǒng)，機器人在操控端融合了人臉識別功能及針對實際應用需要進行打開簽到功能。智能安保巡檢機器人通過對應用場景的融合，取代了原先單純的巡檢功能的機器人，實現(xiàn)機器人的生態(tài)化應用[3]。機器人應用場景示意圖如圖1 所示。

圖1 機器人應用場景示意圖Fig.1 Schematic diagram of robot application scenarios

2.3 云端融合設計

智能安保巡檢機器人搭載4G 模塊，關于機器人所有的信息包括狀態(tài)信息、傳感器數(shù)據信息、日志信息以及各種遠程控制功能，可以通過4G 模塊連接云端服務器后通過后臺系統(tǒng)可直接顯示所有機器人的部署情況，通過機器人與服務器的融合，將后臺管理系統(tǒng)集群的部署在監(jiān)控室中，方便對大型園區(qū)、廠區(qū)實現(xiàn)真正的統(tǒng)一管控。云端融合示意圖如圖2 所示。

圖2 云端融合示意圖Fig.2 Schematic diagram of cloud integration

3 智能安保巡檢機器庫房巡檢應用

3.1 智能安保巡檢機器人主要參數(shù)

本文設計的智能安保巡檢機器人是作業(yè)庫房巡檢的機器人，集成了激光雷達定位功能、紅外火焰檢測技術、機器視覺技術、環(huán)境檢測功能、數(shù)據分析與決策支持系統(tǒng)等核心技術，可有效替代巡檢人員開展各類巡檢工作。智能安保巡檢機器人的詳細功能介紹如表1 所示，其主要技術指標如表2 所示。機器人外殼前后端安裝軟性塑料，防止機器人發(fā)送故障時誤撞人和設備。外殼防護性能應符合國標GB-4208 中IP54 的要求。

表1 智能安保巡檢機器人功能Tab.1 Function of intelligent security inspection robot

表2 智能安保巡檢機器人技術指標Tab.2 Technical indicators of intelligent security inspection robot

3.2 智能安保巡檢機器庫房巡檢系統(tǒng)

智能安保巡檢機器人主要是由全向移動系統(tǒng)、智能安保巡檢系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)以及人機交互系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成，如圖3 所示。

圖3 智能安保巡檢機器人系統(tǒng)構成Fig.3 Intelligent security inspection robot system composition

3.2.1 全向移動系統(tǒng)

機器人的全向移動系統(tǒng)包括主控計算機系統(tǒng)、運動控制軟件、差速輪組、機器人結構框架及外殼、鋰電池及充電器組成。

移動平臺主體框架采用KELO 底盤的高可靠性移動平臺的構型設計，具有高負載能力以及底盤穩(wěn)定性控制能力，使用四輪底盤結構使輪子受負載小、穩(wěn)定性高。差速輪組位于底盤下方，是機器人移動的關鍵，且每個輪子能獨立驅動，并可向任意方向移動，相較于傳統(tǒng)機器人解決了機器人移動性不足的問題。使用差速輪組可便于機器人在不同轉向、不同室內道路狀況下，車輪在不同轉速和扭力不平衡的情況，起分速差動作用，提高了機器人移動過程中穩(wěn)定性。

3.2.2 智能安保巡檢系統(tǒng)

機器人的巡邏功能操控模式分為近程操控、遠程操控、自主巡檢3 種模式。3 種操控模式共4 種功能：進程遙控、遠程遙控、語音引導和自主巡檢。進程操控可通過進程遙控跟語音引導的方式控制，進程遙控可在近端控制機器人出入庫，機器人移位以及機器人自主故障時，進行控制及調試；遠程模式主要用于監(jiān)控中心人工遙控巡檢、遠程遙控移位、下發(fā)自主巡檢任務和機器人自主故障時，進行遠程手動控制。機器人上搭載的云臺攝像頭，通過遠程無線傳輸實時將畫面采集并回傳到遠程監(jiān)控室，遠程監(jiān)控軟件能設置一系列攝像頭參數(shù)，包括焦距、云臺移動控制等等。同時可實現(xiàn)錄像存儲、歷史回放。

在自主巡檢模式下，通過激光雷達進行建圖和避障，機器人可根據設置好的路線進行巡檢并實時定位。在巡檢過程中若電量不足機器人將自主返回充電點進行自主接觸式充電，待充滿后自主恢復巡檢任務。

3.2.3 環(huán)境檢測系統(tǒng)及后臺顯示

智能巡檢機器人采用了溫濕度傳感器、PM2.5檢測傳感器、煙霧檢測傳感器、噪音檢測傳感器以及火焰檢測傳感器，通過上述傳感器組成的環(huán)境檢測系統(tǒng)，能讓機器人實時檢測周圍環(huán)境狀態(tài)，判斷庫房是否存在隱患，并且會將傳感器的數(shù)據傳送到后臺顯示系統(tǒng)實時顯示。無論機器人處于哪種巡檢方式，機器人都將巡檢過程中，通過機器人搭載的各種傳感器實時的對所處環(huán)境周圍進行實時監(jiān)測，并將實時的數(shù)據顯示在機載操控端上，當數(shù)據出現(xiàn)異常或其他緊急情況，機器人將通過聲光報警器進行報警，同時通知遠程監(jiān)控室前來處置。系統(tǒng)后臺顯示如圖4 所示。

圖4 智能安保巡檢機器人后臺顯示Fig.4 Backstage display of intelligent security inspection robot

由后臺顯示圖能夠看到，每一項環(huán)境檢測數(shù)值及當前環(huán)境狀況均能清楚的顯示，包括機器人目前的狀態(tài)、電量、時間等。

3.2.4 人機交互系統(tǒng)

語音交互系統(tǒng)可以通過語音喚醒詞喚醒語音助手，通過語音助手對機器人下發(fā)指令，如控制機器人移動至提前預設目標點；通過語音助手實現(xiàn)機器人導引解說功能，實現(xiàn)機器人語音播報功能；同時在機器人自主巡檢過程中能實時對所處環(huán)境檢測信息的播報，相較于傳統(tǒng)巡檢機器人，該智能巡檢機器人大大提升了工作效率。

人臉識別系統(tǒng)通過Opencv 及Dlib，初始化LBPH模型后，通過機器人上的攝像頭獲取一張人臉數(shù)據，并自動檢測是否需要對人臉進行校正，然后使用模型預測，通過模型預測實現(xiàn)了人臉檢測及識別功能，通過管理員賬號密碼登錄系統(tǒng)后，綁定對應的賬號及人臉信息后，即可通過人臉登錄操控端系統(tǒng)。

3.3 庫房巡檢應用

智能巡檢機器人系統(tǒng)主要應用模式為庫房內部署智能安保巡檢機器人，具備智能巡檢、物資管理、查庫簽到、語音交互、視頻監(jiān)控、環(huán)境檢測和火災監(jiān)測功能；同時在監(jiān)控室內工作人員通過顯示屏可實時查看各庫房內機器人的運行情況，如圖5所示。

圖5 智能安保巡檢機器人應用示意圖Fig.5 Schematic diagram of application of intelligent security inspection robot

3.4 庫房巡檢效果與先進性

安保巡檢機器人的先進性主要體現(xiàn)在3 個方面：一是移動平臺性能的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在負載能力以及轉向方式，高負載能力和靈活的轉向方式提高了智能安保巡檢機器人的環(huán)境適應能力以及靈活性，更好地實現(xiàn)機器人的動態(tài)自主規(guī)劃路徑問題，解決了智能安保機器人因環(huán)境要求而受限制的問題；二是整體系統(tǒng)聯(lián)動性，高度集成的機器人終端系統(tǒng)具備多種系統(tǒng)，能實現(xiàn)查庫簽到、物資管理、環(huán)境檢測等功能，根據場景應用需求可進行針對性開發(fā)集成，專用性強；三是多傳感器融合的高度集成性，多種傳感器融合的技術實現(xiàn)對機器人所處環(huán)境的全方位的檢測，同時，基于云端服務器的支持完成了多臺機器人聯(lián)動，解決了智能安保巡檢機器人在環(huán)境檢測功能單一的問題。

4 結語

本文從某單位智能安保巡檢機器人實際應用情況出發(fā)，從設計原理和應用實踐兩個方面，介紹了一款安保巡檢機器人，將智能安保巡檢機器人等新技術與無人值守庫房結合，基于實際應用場景的需求，搭建了多機器人協(xié)同作業(yè)的功能，輔助安保、巡檢人員進行全天候的安保工作，設計實現(xiàn)一套針對倉庫的智能安保巡檢機器人系統(tǒng)。工作人員通過遠程操控智能巡檢機器人完成庫房的巡檢任務，可以使工作人員遠離現(xiàn)場，有效減少意外人身事故的發(fā)生；通過機器人巡檢從而代替人工巡檢，有效解決了現(xiàn)階段人手不足的問題，有效節(jié)約了人力資源成本，為倉庫無人值守模式的推廣提供了創(chuàng)新技術支撐。