CN110103224A - 一种码头安防巡检机器人及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种码头安防巡检机器人及控制系统，涉及机器人技术领域，包括移动平台、检测模块、图像采集装置、监控云台、远程控制终端和工控机，所述监控云台、所述检测模块、所述工控机均安装在所述移动平台上，所述图像采集装置安装在所述监控云台上，所述远程控制终端连接所述工控机。本发明的机器人可用于码头安防巡检，机器人可识别码头工作人员制服，可进行人脸识别，机器人在行进过程中遇到障碍可自行规避，当巡检机器人检测到自身亏电时，会自动导航至充电桩处充电；当机器人检测到非法人员入侵会向远程控制终端发送信号触发警报；使用传感器数据融合定位，远程控制终端可以实时观察机器人位置。

Description

一种码头安防巡检机器人及控制系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种码头安防巡检机器人及控制系统。

背景技术

近年来,中国港口集装箱码头行业取得了长足的发展,港口集装箱码头生产规模已连续多年保持世界第一,在我国对外经济贸易发展中发挥着不可替代的作用。如今在全球港航业,成本是企业的生命线,一切围绕节省成本、提高效率的技术革命,总能找到对应的市场需求。于是,码头的自动化、智能化,成为最重要的发展趋势之一。

码头常年囤积着重要的货物，为防不法人员盗取货物和偷渡者上岸，进行安防巡检成为必不可少的措施。应智能码头发展趋势，码头的无人安防巡检成为亟待解决的问题，利用巡检机器人对无人码头进行安防巡检成为保证码头经济财产货物安全的重要措施。

码头属于户外环境，集装箱堆积环境比较复杂，对机器人准确定位是保证机器人按照指定路线巡检的重要前提。

发明内容

本发明的目的在于提供一种码头安防巡检机器人及控制系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种码头安防巡检机器人，包括移动平台、检测模块、图像采集装置、监控云台、远程控制终端和工控机，所述监控云台、所述检测模块、所述工控机均安装在所述移动平台上，所述图像采集装置安装在所述监控云台上，所述远程控制终端连接所述工控机。

优选地，所述移动平台采用四轮驱动差速转向，所述移动平台包括四个轮子和单片机控制板，所述四个轮子均安装有直流减速电机和里程计，所述单片机控制板安装在所述移动平台的中央。

优选地，所述图像采集装置包括可360度旋转上下翻转摄像头，所述可360度旋转上下翻转摄像头监控云台通过摄像头安装机构安装在监控云台上。

优选地，所述机器人还包括惯性导航单元和GPS模块，所述惯性导航单元和所述GPS模块均通过串口连接在所述工控机上。

优选地，所述检测模块包括激光雷达、超声波探测器中至少一个，所述激光雷达采用SICK LMS111，非接触式测量。所述超声波探测器可检测机器人周围障碍物距离信息，实现机器人自主避障。

优选地，所述机器人还包括自动充电系统，所述自动充电系统包括充电模块和充电桩，所述充电模块通过接口与安装在所述移动平台的锂电池连接，所述充电桩连接任意电源接口。

本发明的另一目的是提供一种码头安防巡检机器人控制系统，包括自主导航系统、图像采集系统、工控机、远程终端操作系统、自动充电系统；所述自主导航系统和所述自动充电系统连接在所述工控机上，所述工控机和所述图像采集系统通过网络连接在所述远程终端操作系统上。

优选地，所述控制系统还包括定位系统，所述定位系统连接在所述工控机上。

所述图像采集系统由监控云台、摄像头构成，所述图像采集系统可采集码头实时环境状况发送给远程终端操作系统，并可进行人脸识别。所述远程终端操作系统提供给用户基于windows的操作界面，接受指令并处理的工控机，用户通过界面可向机器人发送指令(如启动机器人开始巡检、采集图像)，工控机接受指令处理驱动机器人做出相应动作。所述自动充电系统包括自动充电模块，当巡检机器人检测出自身亏电时，可自动导航至充电桩位置进行自动回充。所述定位系统由里程计(odom)、惯性导航单元(imu)、GPS模块组成，机器人启动后，所述里程计(odom)、惯性导航单元(imu)、GPS模块分别发布数据，数据融合后经过扩展卡尔曼滤波可得到机器人准确对位置数据。

本发明的最后一个目的是提供一种码头安防巡检机器人进行码头安防巡检的方法，包括以下步骤：

S1，巡检机器人接收巡检任务，并按照巡检路径到达巡检任务点；

S2,所述巡检机器人开始进行巡检任务，并将巡检结果发送给远程控制终端；

S3,若巡检机器人在码头发现异常情况，将异常任务点的坐标信息发送给远程控制终端。

优选地，步骤S1中所述机器人在到达任务点的行进过程中，可利用检测模块进行路障检测，实现机器人自主避障。

优选地，所述检测模块包括激光雷达、超声波探测器，所述激光雷达采用SICKLMS111，非接触式测量；所述超声波探测器可检测机器人周围障碍物距离信息，实现机器人自主避障。

优选地，步骤S2具体包括：

S21,采用图像采集装置采集码头实时环境状况发送给远程控制终端，并进行人脸识别；

S22，当所述远程控制终端发现巡查结果出现异常，则所述远程控制终端向机器人的工控机发送指令；

S23,所述工控机接受远程控制终端发出的指令处理驱动机器人做出相应动作，进入步骤S3。

优选地，所述步骤S22中巡查出现异常包括巡查环境出现异常或发现非法人员入侵。

优选地，步骤S3中的定位方法具体包括：

机器人首先通过融合惯性导航单元、里程计、GPS数据得到机器人粗略的位姿信息；同时采用机器人自建局部地图、机器人自建全局地图以及人工辅助地图，进行全局地图融合之后得到先验全局地图；在获得机器人粗略位姿信息后，使用激光传感器扫描周围环境进行局部定位，获得机器人局部精确位姿信息。最后，将得到的粗略位姿信息和局部精确位姿信息与先验全局地图进行结合，最后得到机器人精确的位置信息。同时，又利用激光传感器获得的精确位姿信息重新校正里程计、惯性导航单元，以减少里程计和惯性导航单元的累积误差，进一步获取准确的机器人位姿信息。

本发明中采用的所述扩展卡尔曼滤波算法是指对系统的输入数据和输出数据进行观测，通过对非线性系统的状态进行估计，从而得出系统的最优解的过程。该算法能够对测量值进行校正，使测量值不断趋近真实值的一种最优化算法。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种码头安防巡检机器人及控制系统，本发明的机器人可用于码头安防巡检，机器人可识别码头工作人员制服，可进行人脸识别，机器人在行进过程中遇到障碍可自行规避，当巡检机器人检测到自身亏电时，会自动导航至充电桩处充电；当机器人检测到非法人员入侵会向远程控制终端发送信号触发警报；使用传感器数据融合定位，远程控制终端可以实时观察机器人位置。

附图说明

图1是实施例1中的码头安防巡检机器人整体结构图；

图2是实施例1中的码头安防巡检机器人移动平台的结构图；

图3是实施例2中的码头安防巡检机器人控制系统的结构图；

图4是实施例3中的码头安防巡检机器人进行巡检的流程图；

图5是实施例3中的码头安防巡检机器人的定位系统原理图；

图6是实施例3中采用的扩展卡尔曼滤波算法流程图；

1是移动平台，2是监控云台，3是摄像头，4是工控机，5是激光雷达，6是锂电池，7是摄像头安装机构，8是轮子，9是Arduino Mega 2560单片机控制板，10是直流减速电机和里程计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

实施例1

本实施例提供一种码头安防巡检机器人，如图1所示，包括移动平台、检测模块、图像采集装置、监控云台、远程控制终端、自动充电系统和工控机，所述监控云台、所述检测模块、所述工控机均安装在所述移动平台上，所述图像采集装置通过螺栓安装在所述监控云台上，所述远程控制终端连接所述工控机。所述自动充电系统包括充电模块和充电桩，所述充电模块通过接口与安装在所述移动平台的锂电池连接，所述充电桩连接任意电源接口。

本实施例中移动平台采用四轮驱动差速转向，如图2所示，所述移动平台包括四个轮子和单片机控制板，所述四个轮子均安装有直流减速电机和里程计，所述单片机控制板安装在所述移动平台的中央。

本实施例中所述图像采集装置包括可360度旋转上下翻转摄像头，所述可360度旋转上下翻转摄像头监控云台通过摄像头安装机构安装在监控云台上。

所述机器人还包括惯性导航单元和GPS模块，所述惯性导航单元和所述GPS模块均通过串口连接在所述工控机上。

所述检测模块包括激光雷达和超声波探测器，激光雷达采用SICK LMS111，非接触式测量；所述超声波探测器可检测机器人周围障碍物距离信息，实现机器人自主避障。

采用上述码头安防巡检机器人，机器人可以识别出码头工作人员的制服，并且可以识别出码头工作人员的人脸特征，当机器人检测到非工作人员人脸特征时，会向远程控制终端发送信号触发警报。

所述的码头安防巡检机器人，自动充电模块还包括电量检测装置，工控机4通过电量检测装置可以对巡检机器人的电量进行监测，当巡检机器人的电量低于一个巡检周期(巡检机器人出发巡检所有仪器设备结束回到初始位置为一个巡检周期)，巡检机器人会自动导航至充电桩位置进行充电。

实施例2

本实施例提供一种码头安防巡检机器人控制系统，如图3所示，包括自主导航系统、图像采集系统、工控机、远程终端操作系统、自动充电系统和定位系统；所述自主导航系统、定位系统和所述自动充电系统连接在所述工控机上，所述工控机和所述图像采集系统通过网络连接在所述远程终端操作系统上。

所述图像采集系统由监控云台、摄像头构成，所述图像采集系统可采集码头实时环境状况发送给远程控制终端，并可进行人脸识别。所述远程终端操作系统提供给用户基于windows的操作界面，接受指令并处理的工控机，用户通过界面可向机器人发送指令(如启动机器人开始巡检、采集图像)，工控机接受指令处理驱动机器人做出相应动作。所述自动充电系统包括自动充电模块，当巡检机器人检测出自身亏电时，可自动导航至充电桩位置进行自动回充。所述定位系统包括软件算法和硬件，硬件设备由里程计(odom)、惯性导航单元(imu)、GPS模块组成，软件算法集成在所述工控机上。机器人启动后，所述里程计(odom)、惯性导航单元(imu)、GPS模块分别发布数据，数据融合后经过扩展卡尔曼滤波算法可得到机器人准确的位置数据。

实施例3

本实施例提供一种码头安防巡检机器人进行码头安防巡检的方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1，巡检机器人经过远程控制终端接收巡检任务，并按照设定好的巡检路径到达任务点；

S2,到达任务点后，巡检机器人开始进行巡检任务，并将巡检结果发送给远程控制终端；

S3,若巡检机器人在码头发现异常情况，将异常任务点的位姿信息发送给远程控制终端。

S4，所述远程控制终端接收到位姿信息后，通知工作人员，并派遣人员到指定位置处理异常情况。

具体的，本实施例中，在巡检机器人移动巡检时，机器人的检测模块，包括激光雷达和超声波探测器，检测机器人周围障碍物距离信息，实现机器人自主避障。

同时，本实施例中机器人在进行巡检时，步骤S2具体包括以下步骤：

S21,采用图像采集系统采集码头实时环境状况发送给远程控制终端，并可进行人脸识别；

S22，当所述远程控制终端发现巡查出现异常，包括环境出现异常或者是出现外来人员入侵，则所述远程控制终端向机器人发送进一步指令；

S23,工控机接受远程控制终端发出的指令处理驱动机器人做出相应动作，进入步骤S3。

具体的，步骤S3中采用的定位方法原理如图5所示，机器人首先通过融合惯性导航单元、里程计、GPS数据得到机器人粗略的位姿信息；同时采用机器人自建局部地图、机器人自建全局地图以及人工辅助地图，进行全局地图融合之后得到先验全局地图；在获得机器人粗略位姿信息后，使用激光传感器扫描周围环境进行局部定位，获得机器人局部精确位姿信息。最后，将得到的粗略位姿信息和局部精确位姿信息与先验全局地图进行结合，最后得到机器人精确的位置信息。同时，又利用激光传感器获得的精确位姿信息重新校正里程计、惯性导航单元，以减少里程计和惯性导航单元的累积误差，进一步获取准确的机器人位姿信息。

本实施例中采用三种传感器(惯性导航单元、里程计、GPS)对机器人进行定位时，采用的扩展卡尔曼滤波算法，该算法是指对系统的输入数据和输出数据进行观测，通过对非线性系统的状态进行估计，从而得出系统的最优解的过程。该算法能够对测量值进行校正，使测量值不断趋近真实值的一种最优化算法。

本实施例中采用的扩展卡尔曼滤波算法流程图如图6所示，该算法具体的过程如下：首先创建预测和测量更新的数据模型，然后初始化滤波器，然后确认机器人的里程计(odom)、惯性导航单元(imu)以及GPS模块是否正常有效的运行，若有效运行，则根据其发布的数据对滤波器进行更新，最后输出最优估计和协方差的矩阵；若无效，则进一步等待传感器的数据，然后再次判断里程计(odom)、惯性导航单元(imu)以及GPS的状态是否有效。

值得注意到，在整个巡检过程开始之前，可建立码头工作人员对的人脸数据库，当机器人识别到不属于数据库的人脸特征和制服时，工控机会发送信号给远程控制终端，从而触发报警器。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明公开了一种码头安防巡检机器人及控制系统，该机器人可用于码头安防巡检，机器人可识别码头工作人员制服，可进行人脸识别，机器人在行进过程中遇到障碍可自行规避，当巡检机器人检测到自身亏电时，会自动导航至充电桩处充电；当机器人检测到非法人员入侵会向远程控制终端发送信号触发警报；使用传感器数据融合定位，远程控制终端可以实时观察机器人位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种码头安防巡检机器人，其特征在于，包括移动平台、检测模块、图像采集装置、监控云台、远程控制终端和工控机，所述监控云台、所述检测模块、所述工控机均安装在所述移动平台上，所述图像采集装置安装在所述监控云台上，所述远程控制终端通过网络连接所述工控机。

2.根据权利要求1所述的室内巡检机器人，其特征在于，所述移动平台采用四轮驱动差速转向，所述移动平台包括四个轮子和单片机控制板，所述四个轮子均安装有直流减速电机和里程计，所述单片机控制板安装在所述移动平台的中央。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述图像采集装置包括可360度旋转上下翻转摄像头，所述可360度旋转上下翻转摄像头监控云台通过摄像头安装机构安装在监控云台上。

4.根据权利要求1所述的室内巡检机器人，其特征在于，所述机器人还包括惯性导航单元和GPS模块，所述惯性导航单元和所述GPS模块均通过串口连接在所述工控机上。

5.根据权利要求4所述的室内巡检机器人，其特征在于，所述检测模块包括激光雷达、超声波探测器中至少一个。

6.根据权利要求1所述的室内巡检机器人，其特征在于，所述机器人还包括自动充电系统，所述自动充电系统包括充电模块和充电桩，所述充电模块通过接口与安装在所述移动平台的锂电池连接，所述充电桩连接任意电源接口。

7.一种码头安防巡检机器人控制系统，其特征在于，包括自主导航系统、图像采集系统、工控机、远程终端操作系统、自动充电系统；所述自主导航系统和所述自动充电系统连接在所述工控机上，所述工控机和所述图像采集系统通过网络连接在所述远程终端操作系统上。

8.根据权利要求7所述的码头安防巡检机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括定位系统，所述定位系统连接在所述工控机上。

9.一种码头安防巡检机器人进行码头安防巡检的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，巡检机器人接收巡检任务，并按照巡检路径到达任务点；

S2,巡检机器人开始进行巡检任务，并将巡检结果发送给远程控制终端；

S3,若巡检机器人在码头发现异常情况，将异常任务点的坐标信息发送给远程控制终端。

10.根据权利要求9所述的巡检方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21,采用图像采集装置采集码头实时环境状况发送给远程控制终端，并可进行人脸识别；

S22，当所述远程控制终端发现巡查出现异常，则所述远程控制终端向机器人发送指令；

S23,工控机接受远程控制终端发出的指令处理驱动机器人做出相应动作，进入步骤S3。