CN110009761A - 智能设备自动巡检路径规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的智能设备自动巡检路径规划方法，包含以下顺序的步骤：基站部署；进行子区域划分，并投放智能设备进行预巡检；根据预巡检结果重构目标区域地图，优化子区域划分并在巡检区域内做巡检点，为实际巡检规划路线；智能设备实际巡检，周期向基站发送巡检报告；根据巡检报告优化区域地图和巡检路线。本发明适用于各种已知地图或未知地图区域的智能设备巡检路径自动规划的情况，大大解放了人力，使区域巡检可完全由电脑自动规划完成，用户只需标定目标区域，便可通过智能设备的周期性报告得知该区域的实时情况，同时用户可通过界面操控智能设备查看区域内某个地点的情况。

Description

智能设备自动巡检路径规划方法及系统

技术领域

本发明涉及目标区域巡检领域，特别涉及智能设备自动巡检路径规划方法及系统。

背景技术

智能设备包括但不限于机器人，例如，现有的机器人巡检路径规划主要有以下几种方法：

(1)人工控制；

(2)控制机器人将目标区域巡检一次，将巡检路径录入机器人，机器人按照路径进行运行巡检；

(3)机器人内置视频识别模块，对目标进行跟踪巡检；

(4)系统已知环境地图，为机器人规划巡检线路；

(5)激光导航方法，该方法利用激光对环境进行地图创建，精准度较高，且不受电磁干扰影响；

(6)小范围室内全局路径规划，主要用于扫地机器人的室内清扫。

以上提到了几种现有的路径规划方法，其不足主要有以下几点：

方法(1)对人力依赖巨大，效率低下，实用性不大。方法(2)同样依赖人力，而且机器人实际巡检过程中会不断积累路线误差，最终偏离预定的行进路线，同时中途改变机器人行进路线不易。方法(3)在实际操作中需要事先布置环境或者设置环境中已有的物体让设备跟随，局限性较大，设备的巡检路径改变也不易；同时，跟方法(4)有类似局限：对陌生环境的巡检无法进行。方法(5)则是应用环境局限较大，布置不易。方法(6)应用的场景主要局限于室内。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供智能设备自动巡检路径规划方法，使智能设备在目标区域巡检时支持但不限于人工控制，摆脱了人工控制的局限，减低智能设备的设计和生产成本，减少智能设备工作能耗，系统布置相对简易。

本发明的另一目的在于提供智能设备自动巡检路径规划系统。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

智能设备自动巡检路径规划方法，包含以下顺序的步骤：

S1、基站部署，用以智能设备的通信和定位；

S2、进行子区域划分，并投放智能设备进行预巡检；根据预巡检结果重构目标区域地图，优化子区域划分并在巡检区域内做巡检点，为实际巡检规划路线；

S3、智能设备实际巡检，周期向基站发送巡检报告；

S4、根据巡检报告优化区域地图和巡检路线。

步骤S2中，所述预巡检具体为：

(1)结合巡检区域面积和智能设备运行速度划分子区域；

(2)预计巡检完成时间是否小于阈值：若小于，则进行步骤(3)；否则，增加子区域的个数，并转到步骤(1)；

(3)每个子区域分配一个巡检智能设备，智能设备被投放至待巡检区域并向各自子待巡检子区域行进；

(4)在子区域中均匀设置巡检点；

(5)巡检智能设备按照预定顺序通过所设置的巡检点，同时发送点到点的路况报告；

(6)是否遇到无法到达巡检点：若是，则返回步骤(5)；若否，则进行步骤(7)；

(7)整合各巡检智能设备的预巡检报告；

(8)重构子区域地图，进而重构整个待巡检区域地图；

(9)根据地图优化子区域划分。

所述智能设备，其定位方法为：

(1)智能设备从一个巡检点出发，向下一个巡检点行进；

(2)智能设备周期向基站发射其三轴加速器和陀螺仪参数；

(3)计算智能设备的轨迹，得出其与巡检出发点的相对位置，以相对坐标表示；

(4)智能设备到达下一个巡检点；

(5)智能设备相对坐标与巡检点绝对坐标值相差超过阈值；

(6)修正巡检点绝对坐标。

所述智能设备，其避障分类方法为：

(1)智能设备遇到障碍物，拍照后上传；

(2)识别障碍物类型；

(3)判断是否为活动的物体：若否，则在地图中标记为障碍物，并优化巡检路线，然后结束；若是，则在地图中标记为未定障碍物，并进行步骤(4)；

(4)判断下一次的巡检是否仍在该位置遇到障碍物：若是，则在地图中将未定障碍物标记改为障碍物标记，然后结束；若否，则在地图中将该未定障碍物的标记删除，然后结束。

所述智能设备，其自动避障方法为：

(1)智能设备正常巡检；

(2)判断是否遇到障碍：若是，则智能设备将障碍物位置发送至基站，同时智能设备运行转向函数并通过超声波测距保持与障碍物适当距离绕行，最终完成巡检；否则，直接完成巡检。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

智能设备自动巡检路径规划系统，包括数据采集和数据传输单元、数据库、数据处理单元和客户端单元；其中，

数据采集和数据传输单元，其数据传输采用LoRa或NB-IoT通信技术，令系统的能耗更低，智能设备可工作时长更长。同时系统支持如LTE，5G,WIFI等多种通信方式，分别适用于不同情况；

数据库，用于对巡检区域的地图，环境的数据记录和存储；

数据处理单元，包括子区域划分、路径规划、地图重构和定位跟踪功能；

客户端单元，负责系统与用户的交互，用户在客户端进行操作或查看系统展示的结果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明适用于各种已知地图或未知地图区域的智能设备巡检路径自动规划的情况，大大解放了人力，使区域巡检可完全由电脑自动规划完成，用户只需标定目标区域，便可通过智能设备的周期性报告得知该区域的实时情况，同时用户可通过界面操控智能设备查看区域内某个地点的情况。系统拓展性好，支持新功能加入，如在智能设备上新增一些VR摄像头并在系统中做好端口的对接，能够实现巡检区域的VR呈现；同时，若将VR设备与动力单元相连，则可实现VR视觉的设备控制。

附图说明

图1为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的流程图；

图2为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的预巡检流程图；

图3为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的隧道巡检示意图；

图4为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的空检示意图；

图5为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的综合定位示意图；

图6为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的信号到达时间定位示意图；

图7为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的避障分类流程图；

图8为本发明所述智能设备自动避障示意图；

图9为本发明所述智能设备自动巡检路径规划方法的自动避障流程图；

图10为本发明所述智能设备自动巡检路径规划系统的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，能设备自动巡检路径规划方法，包括以下步骤：

首先，系统在对某区域进行布置前，相关管理人员可根据实际需求设置区域巡检的密度要求，如区域全巡检，简单地形巡检等，根据实际要求，避免造成资源浪费。

假定一个未知地图的区域等待巡检，首先需要在这个区域内或区域周围智能设备可通信的范围内设置若干(三个以上)的基站，用以与智能设备的通信和定位，系统通过其综合定位技术得出每个智能设备的巡检位置。

其次，如图2，系统结合待巡检区域面积大小和智能设备巡检行进速度，将待巡检区域划分成合适数量和大小的子区域，每个子区域分配一个智能设备进行区域预巡检。为了尽可能历遍子区域内的可通行路径，系统在子区域中均匀设置合适数量的巡检点，按照相关算法命令智能设备以特定顺序通过所有巡检点，其中一个巡检点的到达次数可能大于一。在这个过程中，为了使预巡检更加高效，系统根据实际需要预设时间阈值，系统估算每个子区域巡检完成的可能用时，跟系统预设的时间阈值进行比较，估算用时需小于预设的阈值，否则，系统重新规划子区域划分，并增加巡检设备的投入，直至估算的预巡检用时满足要求。之后智能设备被投放到待巡检区域并运行到所分配的子区域，准备就绪，收到命令后开始对子区域进行预巡检，在巡检过程中若遇到无法通过的障碍物，如岩石，水沟，建筑物等，则会进行障碍物信息发送，系统对该位置进行障碍物记录，同时，智能设备运行转向函数，结合超声波传感器保持与障碍物适当距离绕过障碍物，继续进行区域预巡检。在整个避障过程中，智能设备的行进路线被记录，障碍物的大小和轮廓在综合分析智能设备的巡检线路和障碍物报告即可被反映并记录于系统当中。由于地图未知，可能出现巡检点无法到达的情况，比如，智能设备按照A-B-C-D的巡检点顺序进行巡检，由A出发后向B行进但遇到障碍物离B越来越远，而离C或D更近，则系统更新巡检顺序指令，改为A-C-B-D或A-D-B-C,这样使预巡检尽可能行进过子区域内所有的位置，系统记录子区域中障碍物的轮廓、位置和智能设备可通过线路，得到子区域的地图，进而重构整个区域的地图。为了更高效的规划智能设备的巡检路线，在预巡检的过程中，记录下智能设备在不同巡检点间行进的时间，路径的曲折程度和路径上的障碍物数量，按特定加权公式计算巡检点间路况权值。路况权值影响了智能设备在该区域的巡检完成用时，权值越大，路况越差，用时也就越多，系统在规划路径时加入权值的考虑，使智能设备在某区域巡检时的加权最小同时也保证该区域得到充分的巡检。则得到整个区域地图后，系统优化子区域的划分，各子区域中路况权值之和大致相同，各子区域完成巡检用时也大致相同，则在正式巡检的时候，整个待巡检区域的巡检完成用时与各子区域的用时大致相同，这种策略使智能设备的巡检周期和巡检线路规划更加的合理和高效。在优化子区域划分后，系统为智能设备规划好巡检线路，只需要在智能设备面对岔路口需转向处设置巡检点，智能设备按照命令依次通过这些巡检点完成区域巡检。在实际巡检过程中可能会发现新的障碍物，系统持续更新地图和巡检路线。多次巡检过后，系统综合设备多次的巡检路径，优化其巡检路径，避免不必要凹型区域巡检，避免在拐弯处路径过于尖锐，在其巡检路线上加入更多的巡检点，避免路线偏差和不必要的位移，这些措施减少了智能设备巡检能耗。在整个巡检的过程中若出现智能设备与基站失去联系或在某一个区域长时间不同或徘徊，则认定该机器人出现故障，系统重现投放机器人在其最后有联系或停留的区域检查，初步查看其故障的原因并接替其工作，在条件允许的情况下对故障机器人进行回收。

对于地形简单或巡检密度要求不高的区域，系统只需要在待巡检区域边缘设置若干检索点，若干智能设备由某一端向另一端行进，系统同样记录障碍物位置，对各智能设备线路汇总后得到其总地图，系统在各巡检线路拐点处添加巡检点，在不同的路段分配不同的智能设备进行巡检，为避免巡检线路重叠，一些巡检点可作为智能设备巡检路段的起点终点。地形简单的区域如狭长隧道，示意图如图3，预巡检时需在所有出口处设置巡检点，作为不同智能设备的预巡检终点。预巡检结束后，系统重构隧道地图，规划智能设备的巡检路线，只需在隧道岔路口添加巡检点，为不同智能设备做不同路径指引。对于路径距离过长的隧道段，系统将其进一步分割，添加若干巡检点作为不同智能设备的巡检起点或终点。对于巡检密度要求不高的区域如无人机空检，其待巡检区域较大，巡检周期较长，主要是对待巡检区域进行图像或视屏拍摄。在智能设备工作时，需将区域大致分成带状子区域，其巡检点设置密度比其他巡检密度要求高的情况的设置密度小，示意图如图4。

一、系统定位原理描述

本系统采用综合定位方法，过程如图5。系统将定位信息分为相对定位参数和绝对定位参数：相对定位参数是指智能设备在巡检点间运动时，通过内置的三轴加速传感器和陀螺仪等装置的参数得到的运行轨迹，进而计算出巡检点终点与出发点的相对位置参数；绝对参数则是指智能设备的GPS定位参数或以以下多基站定位方法确定的位置参数。为使系统记录简单，位置参数都由规定的坐标表示。由于干扰或通信时延等问题可能导致绝对定位不准确，则在智能设备巡检点到巡检点的巡检过程以相对定位方法为主，到达绝对坐标表示的终点区域时若与绝对坐标值有较大偏差，则对绝对坐标进行坐标修正。多基站定位方法如下：智能设备周期向通讯范围内的基站发射定位信号，由于智能设备与各基站距离不同，该信号到达各基站的用时，信号强度等特征也就不同，系统通过分析这些特征，计算智能设备与各基站的距离，以此为半径做以各基站为圆心的圆，各圆相交处即为智能设备位置，其示意图如图6。不同智能设备发射的定位信号不同，该定位方法需要至少三个基站。对于由于干扰而产生时延，造成定位不准确的情况，智能设备将结合其内置三轴加速传感器和方位角传感器的运行参数估算其运行轨迹综合定位。

二、智能设备自动避障原理描述

系统运用图像识别技术，将障碍物大致分为不动的自然物体如石块，墙壁等和活动的物体，如动物等。巡检设备在行进时遇到障碍物，首先对障碍物进行拍摄并上传系统，系统识别图片中障碍物并归类，若为不动物体，则在区域地图中直接标注为障碍物；若为活动的物体，则在地图中标记为未定障碍物。对于前者，在规划下一次的巡检线路时直接避开，后者则不用，但若该物体在下一次的巡检仍出现在该地点，则更改其在地图中的标记为障碍物，否则消除其在地图上的标记。

当巡检设备在遇到障碍时的实际运行步骤如下：首先记录障碍的位置信息，上传系统；然后在运行转向函数，同时通过超声波测距保持与障碍物适当的距离绕过它，如图7、8、9所示。

如图10所示，系统主要分为四个部分：第一部分是数据采集和数据传输部分，数据传输采用LoRa或NB-IoT通信技术，令系统的能耗更低，智能设备可工作时长更长；第二部分是数据库，主要负责对巡检区域的地图，环境等情况的数据记录和存储；第三部分是数据处理单元，系统的核心功能体现在这一部分，包括子区域划分、路径规划、地图重构和定位跟踪等功能；第四部分是客户端单元，主要负责系统与用户的交互，用户在客户端进行操作或查看系统展示的结果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.智能设备自动巡检路径规划方法，包含以下顺序的步骤：

S1、基站部署，用于智能设备的通信和定位；

S2、进行子区域划分，并投放智能设备进行预巡检；根据预巡检结果重构目标区域地图，优化子区域划分并在巡检区域内做巡检点，为实际巡检规划路线；

S3、智能设备实际巡检，周期向基站发送巡检报告；

S4、根据巡检报告优化区域地图和巡检路线。

2.根据权利要求1所述智能设备自动巡检路径规划方法，其特征在于，步骤S2中，所述预巡检具体为：

(1)结合巡检区域面积和智能设备运行速度划分子区域；

(2)预计巡检完成时间是否小于阈值：若小于，则进行步骤(3)；否则，增加子区域的个数，并转到步骤(1)；

(3)每个子区域分配一个巡检智能设备，智能设备被投放至待巡检区域并向各自子待巡检子区域行进；

(4)在子区域中均匀设置巡检点；

(5)巡检智能设备按照预定顺序通过所设置的巡检点，同时发送点到点的路况报告；

(6)是否遇到无法到达巡检点：若是，则返回步骤(5)；若否，则进行步骤(7)；

(7)整合各巡检智能设备的预巡检报告；

(8)重构子区域地图，进而重构整个待巡检区域地图；

(9)根据地图优化子区域划分。

3.根据权利要求1所述智能设备自动巡检路径规划方法，其特征在于，所述智能设备，其定位方法为：

(1)智能设备从一个巡检点出发，向下一个巡检点行进；

(2)智能设备周期向基站发射其三轴加速器和陀螺仪参数；

(3)计算智能设备的轨迹，得出其与巡检出发点的相对位置，以相对坐标表示；

(4)智能设备到达下一个巡检点；

(5)智能设备相对坐标与巡检点绝对坐标值相差超过阈值；

(6)修正巡检点绝对坐标。

4.根据权利要求1所述智能设备自动巡检路径规划方法，其特征在于，所述智能设备，其避障分类方法为：

(1)智能设备遇到障碍物，拍照后上传；

(2)识别障碍物类型；

(3)判断是否为活动的物体：若否，则在地图中标记为障碍物，并优化巡检路线，然后结束；若是，则在地图中标记为未定障碍物，并进行步骤(4)；

(4)判断下一次的巡检是否仍在该位置遇到障碍物：若是，则在地图中将未定障碍物标记改为障碍物标记，然后结束；若否，则在地图中将该未定障碍物的标记删除，然后结束。

5.根据权利要求1所述智能设备自动巡检路径规划方法，其特征在于，所述智能设备，其自动避障方法为：

(1)智能设备正常巡检；

(2)判断是否遇到障碍：若是，则智能设备将障碍物位置发送至基站，同时智能设备运行转向函数并通过超声波测距保持与障碍物适当距离绕行，最终完成巡检；否则，直接完成巡检。

6.智能设备自动巡检路径规划系统，其特征在于：包括数据采集和数据传输单元、数据库、数据处理单元和客户端单元；其中，

数据采集和数据传输单元，其数据传输采用LoRa或NB-IoT通信技术，令系统的能耗更低，智能设备可工作时长更长；同时支持一种以上的通信方式，分别适用于不同情况；所述通讯方式包括LTE、5G、WIFI；

数据库，用于对巡检区域的地图，环境的数据记录和存储；

数据处理单元，包括子区域划分、路径规划、地图重构和定位跟踪功能；

客户端单元，负责系统与用户的交互，用户在客户端进行操作或查看系统展示的结果。