CN113280687B - 一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法 - Google Patents

一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，包括探雷机器人系统，探雷机器人系统包括基站、地面移动机器人和操控终端。本发明所述的一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，具有较好的移植性，可广泛用于各种无人或有人的地雷目标探测平台甚至单兵探雷装备中，以实现上述探测装备在探测作业过程中的探测区域信号强度分布可视化成像与可疑目标高精度定位。

Description

一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定 位实现方法
技术领域
本发明涉及无人化探扫雷领域，特别涉及一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法。
背景技术
当前基于人道主义的探扫雷作业模式仍以人工抵近探扫作业模式为主，探扫雷人员身着扫雷防护服，手持探扫作业装置抵近地雷区域作业，风险性极高，作业人员作业过程中也面临着巨大的身心压力，基于地雷目标的高危险性和探扫雷作业的高风险性，为减少探扫雷作业人员伤亡，无人化探扫雷作业装备代替人工探扫是必然趋势，但现有无人化探扫作业装备，尤其是中小型无人化装备，多为中小型地面移动机器人与单兵探扫雷作业装备的简单组合形式为主，缺少有效物理集成与深度数据融合，并以遥控作业方式为主，智能化程度不高，
国内最早用于人道主义扫雷作业的机器人是由北京理工大学、湖北汉丹机电有限公司在2005年联合研制的，该扫雷机器人在北京理工大学与湖北汉丹机电有限公司联合研制的防爆弹发射机器人平台安装有GTL115单兵金属探测器，人员在后端遥控机器人对地雷目标进行探测，完全依靠探测器探测时的报警信号(声光)确定目标位置，与纯人工探测定位方式基本相同，
近年来，随着单兵探雷装置探测精度的提高和虚警率的降低以及地面移动机器人平台在地形适应能力、环境感知能力、地面平台与探雷机械臂的智能控制方面的长足发展，国内一些机器人公司和研究机构在现有中小型排爆机器人平台基础上通过集成最新一代地雷目标探测器(包括复合使用多种探测器)，对排爆机器人应用于地雷探扫作业方面进行了一些实际应用探索，但该类应用作业模式仍以遥控为主且未能实现探测器探测信号与移动平台位置信息的深度融合，后端遥控人员依然靠探测器探测目标时的声光信号粗略感知目标位置，而无法直观且近乎实时的获取雷场已探测区域信号的二维或三维可视化图像并对可疑地雷目标进行精准定位，整个系统的数据深度融合和智能化处理程度不高，影响了无人化探扫雷机器人系统自主探测定位目标能力的实现。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，包括探雷机器人系统，所述探雷机器人系统包括基站、地面移动机器人和操控终端，其中，
所述基站设置在待测雷场附近，所述基站内设置有GNSS差分定位定向装置；
所述地面移动机器人设置在待探测雷场起点处，所述地面移动机器人内集成有GNSS差分定位定向移动站、高精度姿态传感器、探雷作业装置以及通信装置，所述探雷作业装置包括探雷机械臂和探雷器；
所述操控终端设置在距探测起点必要安全距离之外,且能与所述地面移动机器人保持可靠、稳定的通信。
优选的，具体步骤如下：
(S1)、通过所述操控终端向所述地面移动机器人发送开始探测指令；
所述地面移动机器人前端控制系统接收到探测指令后启动探雷作业装置；
(S2)、所述探雷作业装置按设定的探测扫描运动轨迹以恒定的角速度作左右等角度弧线扫描探测；
(S3)、所述地面移动机器人中的GNSS差分定位定向移动站解算出地面移动机器人中移动站定位天线的实时位置与方向数据，所述地面移动机器人中的高精度姿态传感器所采集的地面移动机器人实时姿态数据和探雷器所采集的探测信号实时数据通过有线方式进入地面移动机器人前端控制系统，地面移动机器人前端控制系统通过串口将移动站定位天线的实时位置与方向数据、地面移动机器人实时姿态数据和探雷器所采集的探测信号实时数据传输到所述操控终端上位机中；
(S4)、所述操控终端上位机软件读取所述串口中的有效数据，并进行实时处理。
优选的，所述步骤(S2)中的左右等角度弧线扫描探测的左右角度为45°。
优选的，所述步骤(S2)中的所述探雷作业装置每完成一次弧线探测后，探雷作业装置顺径向伸展一个距离△H,再启动下一次反向弧线探测，待探雷作业装置向前累计伸展距离达到极限时，即完成一次区域探测。
优选的，所述步骤(S4)中的所述操控终端有效数据实时处理，具体步骤如下：
(S4.1)、探雷器探头中心位置坐标数据解算
坐标转换关系为：
Figure GDA0003570812200000031
式中n为大地坐标系；b为车体局部坐标系；
Figure GDA0003570812200000032
为方向余弦矩阵；
Figure GDA0003570812200000033
式中XB、YB、ZB——探雷器中心B的真实位置信息；
XC、YC、ZC——地面移动机器人上定位天线中心点C点的GNSS位置信息；
Figure GDA0003570812200000041
γ、α——地面移动机器人的横滚角、俯仰角、航向角；
利用GNSS实时动态差分定位定向测得大地坐标系下地面移动机器人航向角α信息,航向角α是地面移动机器人中定位天线与定向天线安装位置构成的向量
Figure GDA0003570812200000042
与正北方向夹角，通过地面移动机器人上的高精度姿态传感器准确测得横滚角
Figure GDA0003570812200000043
俯仰角γ的值后，代入式(2)可求出方向余弦矩阵
Figure GDA0003570812200000044
再结合GNSS差分定位定向移动站测得的大地坐标系下的定位天线中心点C点处的坐标信息代入式(1)即可解算出探雷器中心B点的真实GNSS位置信息；
操控终端上位机实时读取通过串口传输来的位置与姿态数据后，实时解算出探雷器在弧线扫描探测阶段探头中心位置的坐标变化数据；
(S4.2)、匹配对齐探雷器中心位置坐标数据点与探测信号强度数据点
操控终端上位机读取串口传输来的有效位置和姿态数据并实时解算出探雷器中心位置坐标信息后，对采样率低的数据源进行线性插值，人为增加数据点个数，使每次探测器弧线扫描探测阶段内的位置数据与信号强度数据点个数一致，并将位置数据点与信号强度数据点按采集时间对应关系一一对齐匹配储存为一个单独的数据文件；
(S4.3)、位置数据与信号强度数据融合与可视化成像
在探雷装置自动进行N次左右等角度弧线扫描探测完成一次局部区域探测后，操控终端的上位机数据处理软件生成N个完成位置数据与信号强度数据匹配的数据文件；
操控终端的上位机数据处理软件利用N个数据文件以x轴为横坐标，y轴为纵坐标，通过画图函数将数据文件中的位置数据点对应的信号强度数据进行内插求出等值点，并将等值点连接而形成坐标平面内的信号强度分布等值线图，等值线除标记数值外，还使用颜色深浅直观反应信号强度分布大小差别，也可以通过上位机软件以x轴为横坐标，y轴为纵坐标，z轴为信号强度，由画图函数生成的三维图像形式；
完成一次探测信号强度分布区域成像后，利用操控终端的上位机数据处理软件在上述坐标平面内的信号强度分布等值线图像中采用滑动窗口的方法搜索探测信号强度数据局部极大值，滑动窗口采用矩形窗口样式，以信号强度值大于特定阈值I0(可取探测区域平均背景噪声值的120％)的强度数据点Ii为中心，长、宽尺寸各l(l可取最小地雷目标最大特征尺寸的200％)，搜索出所有的局部极大值记为{localmax{Ii}j}，对应的坐标位置数据为{Xlocalmax{Ii}j，Ylocalmax{Ii}j}，利用对应的坐标数据在等值线图中进行标注，若局部极大值标注位置与个数与等值线图中信号强度波峰位置与个数存在出入时，可调整滑动窗口长宽参数l，以使标注结果与实际图像呈现结果基本一致，所有标注的极大值点也即等值线图中的波峰位置即可认为是可疑目标所在位置，操控终端上位机数据处理软件完成局部极大值搜索与标注后，自动输出所有可疑目标位置坐标。
优选的，还包括步骤(S5)，在所述操控终端上位机数据处理软件自动完成所有可疑目标位置标注后，人工也可在操控终端介入，根据经验结合等值线图像，在所有自动输出的可疑目标位置点中进一步挑选出最有可能的地雷目标位置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过在地面移动机器人前端集成GNSS差分定位定向装置、高精度姿态传感器和高灵敏度探雷器等硬件，上述硬件系统所采集的前端数据通过通信系统实时回传至后端数据处理进行实时处理与融合后，可实现探测区域信号强度与坐标位置的一一对应和区域信号强度分布的二维等值线或三维立体可视化成像，相比于现有仅依靠探雷器探测信号数据感知雷场信号强度分布的探测手段和方法，可更直观形象的实时感知到雷场探测区域可疑目标分布态势；
本发明通过在后端通过数据融合实现探测区域信号强度分布可视化成像后，在生成的探测信号二维等值线图像或三维图像中后端数据处理通过搜索局部极大值以确定出每个极大值对应的绝对或相对位置坐标，从而实现探测目标的高精度水平二维坐标定位，克服了现有单兵探雷器装置无法准确获取目标位置坐标信息的缺点，为后续机器人系统自主目标标识与处置提供了高精度位置数据基础；
综上所述，本发明方法具有较好的移植性，可广泛用于各种无人或有人的地雷目标探测平台甚至单兵探雷装备中，以实现上述探测装备在探测作业过程中的探测区域信号强度分布可视化成像与可疑目标高精度定位。
附图说明
图1为本发明一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法的流程框图；
图2为本发明一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法中探雷作业装置采用左右等角度扫描探测图；
图3为本发明一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法中探雷器探测信号强度分布可视化成像原理图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-3，本发明公开了一种适用地面移动机器人的雷场目标探测信号分布可视化成像与可疑目标高精度定位实现方法，包括探雷机器人系统，所述探雷机器人系统包括基站、地面移动机器人和操控终端，其中，
基站设置在待测雷场附近，基站内设置有GNSS差分定位定向装置；
地面移动机器人设置在待探测雷场起点处，地面移动机器人内集成有GNSS差分定位定向移动站、高精度姿态传感器、探雷作业装置以及通信装置，探雷作业装置包括探雷机械臂和探雷器；
操控终端设置在距探测起点必要安全距离之外,且能与地面移动机器人保持可靠、稳定的通信。
具体步骤如下：
(S1)、通过操控终端向地面移动机器人发送开始探测指令；
地面移动机器人前端控制系统接收到探测指令后启动探雷作业装置；
(S2)、探雷作业装置按设定的探测扫描运动轨迹以恒定的角速度作左右等角度弧线扫描探测；
(S3)、地面移动机器人中的GNSS差分定位定向移动站解算出地面移动机器人中移动站定位天线的实时位置与方向数据，地面移动机器人中的高精度姿态传感器所采集的地面移动机器人实时姿态数据和探雷器所采集的探测信号实时数据通过有线方式进入地面移动机器人前端控制系统，地面移动机器人前端控制系统通过串口将移动站定位天线的实时位置与方向数据、地面移动机器人实时姿态数据和探雷器所采集的探测信号实时数据传输到操控终端上位机中；
(S4)、操控终端上位机软件读取串口中的有效数据，并进行实时处理。
步骤(S2)中的左右等角度弧线扫描探测的左右角度为45°。
步骤(S2)中的探雷作业装置每完成一次弧线探测后，探雷作业装置顺径向伸展一个距离△H,再启动下一次反向弧线探测，待探雷作业装置向前累计伸展距离达到极限时，即完成一次区域探测。
步骤(S4)中的操控终端有效数据实时处理，具体步骤如下：
(S4.1)、探雷器探头中心位置坐标数据解算
坐标转换关系为：
Figure GDA0003570812200000081
式中n为大地坐标系；b为车体局部坐标系；
Figure GDA0003570812200000082
为方向余弦矩阵；
Figure GDA0003570812200000083
式中XB、YB、ZB——探雷器中心B的真实位置信息；
XC、YC、ZC——地面移动机器人上定位天线中心点C点的GNSS位置信息；
Figure GDA0003570812200000084
γ、α——地面移动机器人的横滚角、俯仰角、航向角；
利用GNSS实时动态差分定位定向测得大地坐标系下地面移动机器人航向角α信息,航向角α是地面移动机器人中定位天线与定向天线安装位置构成的向量
Figure GDA0003570812200000085
与正北方向夹角，通过地面移动机器人上的高精度姿态传感器准确测得横滚角
Figure GDA0003570812200000086
俯仰角γ的值后，代入式(2)可求出方向余弦矩阵
Figure GDA0003570812200000087
再结合GNSS差分定位定向移动站测得的大地坐标系下的定位天线中心点C点处的坐标信息代入式(1)即可解算出探雷器中心B点的真实GNSS位置信息；
操控终端上位机实时读取通过串口传输来的位置与姿态数据后，实时解算出探雷器在弧线扫描探测阶段探头中心位置的坐标变化数据；
(S4.2)、匹配对齐探雷器中心位置坐标数据点与探测信号强度数据点
操控终端上位机读取串口传输来的有效位置和姿态数据并实时解算出探雷器中心位置坐标信息后，由于位置数据和信号强度数据采样率不一致，需要与第二串口读取的探测器信号强度数据点进行匹配和对齐后才可完成后续数据融合与可视化成像，即对采样率低的数据源进行线性插值，人为增加数据点个数，使每次探测器弧线扫描探测阶段内的位置数据与信号强度数据点个数一致，并将位置数据点与信号强度数据点按采集时间对应关系一一对齐匹配储存为一个单独的数据文件；
(S4.3)、位置数据与信号强度数据融合与可视化成像
在探雷装置自动进行N次左右等角度弧线扫描探测完成一次局部区域探测后，操控终端的上位机数据处理软件生成N个完成位置数据与信号强度数据匹配的数据文件；
操控终端的上位机数据处理软件利用N个数据文件以x轴为横坐标，y轴为纵坐标，通过画图函数将数据文件中的位置数据点对应的信号强度数据进行内插求出等值点，并将等值点连接而形成坐标平面内的信号强度分布等值线图，等值线除标记数值外，还使用颜色深浅直观反应信号强度分布大小差别，也可以通过上位机软件以x轴为横坐标，y轴为纵坐标，z轴为信号强度，由画图函数生成的三维图像形式；
完成一次探测信号强度分布区域成像后，利用操控终端的上位机数据处理软件在上述坐标平面内的信号强度分布等值线图像中采用滑动窗口的方法搜索探测信号强度数据局部极大值，滑动窗口采用矩形窗口样式，以信号强度值大于特定阈值I0(可取探测区域平均背景噪声值的120％)的强度数据点Ii为中心，长、宽尺寸各l(l可取最小地雷目标最大特征尺寸的200％)，搜索出所有的局部极大值记为{localmax{li}j}，对应的坐标位置数据为{Xlocalmax{Ii}j，Ylocalmax{Ii}j}，利用对应的坐标数据在等值线图中进行标注，若局部极大值标注位置与个数与等值线图中信号强度波峰位置与个数存在出入时，可调整滑动窗口长宽参数l，以使标注结果与实际图像呈现结果基本一致，所有标注的极大值点也即等值线图中的波峰位置即可认为是可疑目标所在位置，操控终端上位机数据处理软件完成局部极大值搜索与标注后，自动输出所有可疑目标位置坐标。
还包括步骤(S5)，在操控终端上位机数据处理软件自动完成所有可疑目标位置标注后，人工也可在操控终端介入，根据经验结合等值线图像，在所有自动输出的可疑目标位置点中进一步挑选出最有可能的地雷目标位置。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，包括探雷机器人系统，其特征在于，所述探雷机器人系统包括基站、地面移动机器人和操控终端，其中：
所述基站设置在待测雷场附近，所述基站内设置有GNSS差分定位定向装置；
所述地面移动机器人设置在待探测雷场起点处，所述地面移动机器人内集成有GNSS差分定位定向移动站、高精度姿态传感器、探雷作业装置以及通信装置，所述探雷作业装置包括探雷机械臂和探雷器；
所述操控终端设置在距探测起点必要安全距离之外,且能与所述地面移动机器人保持可靠、稳定的通信；
基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，具体步骤如下：
(S1)、通过操控终端向所述地面移动机器人发送开始探测指令；
地面移动机器人前端控制系统接收到探测指令后启动探雷作业装置；
(S2)、所述探雷作业装置按设定的探测扫描运动轨迹以恒定的角速度作左右等角度弧线扫描探测；
(S3)、所述地面移动机器人中的GNSS差分定位定向移动站解算出地面移动机器人中移动站定位天线的实时位置与方向数据，所述地面移动机器人中的高精度姿态传感器所采集的地面移动机器人实时姿态数据和探雷器所采集的探测信号实时数据通过有线方式进入地面移动机器人前端控制系统，地面移动机器人前端控制系统通过串口将移动站定位天线的实时位置与方向数据、地面移动机器人实时姿态数据和探雷器所采集的探测信号实时数据传输到所述操控终端上位机中；
(S4)、所述操控终端上位机软件读取所述串口中的有效数据，并进行实时处理；
所述步骤(S4)中的操控终端进行有效数据实时处理，具体步骤如下：
(S4.1)、探雷器探头中心位置坐标数据解算
坐标转换关系为：
Figure FDA0003591458080000021
式中n为大地坐标系；b为车体局部坐标系；
Figure FDA0003591458080000022
为方向余弦矩阵；
Figure FDA0003591458080000023
式中XB、YB、ZB——探雷器中心B的真实位置信息；
XC、YC、ZC——地面移动机器人上定位天线中心点C点的GNSS位置信息；
Figure FDA0003591458080000024
γ、α——地面移动机器人的横滚角、俯仰角、航向角；
利用GNSS实时动态差分定位定向移动站测得大地坐标系下地面移动机器人航向角α信息,航向角α是地面移动机器人中定位天线与定向天线安装位置构成的向量
Figure FDA0003591458080000025
与正北方向夹角，通过地面移动机器人上的高精度姿态传感器准确测得横滚角
Figure FDA0003591458080000026
俯仰角γ的值后，代入式(2)可求出方向余弦矩阵
Figure FDA0003591458080000027
再结合GNSS差分定位定向移动站测得的大地坐标系下的定位天线中心点C点处的坐标信息代入式(1)即可解算出探雷器中心B点的真实GNSS位置信息；
操控终端上位机实时读取通过串口传输来的位置与姿态数据后，实时解算出探雷器在弧线扫描探测阶段探头中心位置的坐标变化数据；
(S4.2)、匹配对齐探雷器中心位置坐标数据点与探测信号强度数据点
操控终端上位机读取串口传输来的有效位置和姿态数据并实时解算出探雷器中心位置坐标信息后，对采样率低的数据源进行线性插值，人为增加数据点个数，使每次探测器弧线扫描探测阶段内的位置数据与信号强度数据点个数一致，并将位置数据点与信号强度数据点按采集时间对应关系一一对齐匹配储存为一个单独的数据文件；
(S4.3)、位置数据与信号强度数据融合与可视化成像
在探雷装置自动进行N次左右等角度弧线扫描探测完成一次局部区域探测后，操控终端的上位机数据处理软件生成N个完成位置数据与信号强度数据匹配的数据文件；
操控终端的上位机数据处理软件利用N个数据文件以x轴为横坐标，y轴为纵坐标，通过画图函数将数据文件中的位置数据点对应的信号强度数据进行内插求出等值点，并将等值点连接而形成坐标平面内的信号强度分布等值线图，等值线除标记数值外，还使用颜色深浅直观反应信号强度分布大小差别，也可以通过上位机软件以x轴为横坐标，y轴为纵坐标，z轴为信号强度，由画图函数生成三维图像形式；
完成一次探测信号强度分布区域成像后，利用操控终端的上位机数据处理软件在上述坐标平面内的信号强度分布等值线图像中采用滑动窗口的方法搜索探测信号强度数据局部极大值，滑动窗口采用矩形窗口样式，以信号强度值大于特定阈值I0的强度数据点Ii为中心，长、宽尺寸各l，搜索出所有的局部极大值记为{localmax{Ii}j}，对应的坐标位置数据为{Xlocalmax{Ii}j，Ylocalmax{Ii}j}，利用对应的坐标数据在等值线图中进行标注，若局部极大值标注位置与个数与等值线图中信号强度波峰位置与个数存在出入时，可调整滑动窗口长宽参数l，以使标注结果与实际图像呈现结果基本一致，所有标注的极大值点也即等值线图中的波峰位置即可认为是可疑目标所在位置，操控终端上位机数据处理软件完成局部极大值搜索与标注后，自动输出所有可疑目标位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，其特征在于：所述步骤(S2)中的左右等角度弧线扫描探测的左右角度为45°。
3.根据权利要求1所述的一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，其特征在于：所述步骤(S2)中的所述探雷作业装置每完成一次弧线探测后，探雷作业装置顺径向伸展一个距离△H,再启动下一次反向弧线探测，待探雷作业装置向前累计伸展距离达到极限时，即完成一次区域探测。
4.根据权利要求1所述的一种基于地面移动机器人的雷场目标探测信号区域成像与定位实现方法，其特征在于：还包括步骤(S5)，在操控终端上位机数据处理软件自动完成所有可疑目标位置标注后，人工也可在操控终端介入，根据经验结合等值线图像，在所有自动输出的可疑目标位置点中进一步挑选出最有可能的地雷目标位置。
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