用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法及系统与流程

1.本发明涉及机器人巡检技术领域，尤其涉及一种用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.城市地下综合管廊是指修建在城市下面的公共管道隧道，在隧道内集中铺设电力，通信，燃气，给水，热力，排水等两条或两条以上的市政管道，实行统一规划，设计，施工，养护。地下综合管廊短则几公里，长则数十公里，内部空间狭窄，且相对封闭，人工巡检效率不高，同时也存在着许多安全隐患。
4.综合管廊巡检机器人的出现，能够实现对综合管廊环境、设备、安防、门禁等的不间断监测及灾害预警、处置。由于管廊内部狭长，且无gps信号，机器人无法采用先建图再实时定位的方式完成自动导航；另外管廊内场景重复，无论是使用激光雷达还是视觉定位，都容易出现误匹配，导致难以获得机器人沿管廊前进方向的准确位置。有些管廊巡检机器人采用安装轨道的方式，使机器人沿轨道移动，通过在轨道上加装rfid标签或条码实现定位，但由于管廊狭长，安装轨道的成本远高于机器人本身的成本。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法及系统，能够在不依赖gps信号的情况下，克服重复场景带来的绝对定位精度低的问题，实现机器人的自主导航。
6.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
7.一种用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法，包括：
8.获取综合管廊三维点云信息，并对三维点云信息进行预处理；
9.将预处理后的三维点云信息分割为n个平面，分别对n个平面求取法向量；
10.基于求得的法向量，采用粒子滤波算法，实时检测管廊的延伸方向；
11.控制巡检机器人沿着管廊的延伸方向运动，实现巡检机器人的无全局地图自主导航。
12.其中，基于求得的法向量，采用粒子滤波算法，实时检测管廊的延伸方向，具体过程为：
13.初始化m个三维向量，将三维向量单位化；
14.每一个单位化后的三维向量作为一个粒子，计算粒子的权重；
15.选取所有粒子中权重最大的粒子，若该粒子的权重超过设定的阈值，则该粒子对应的方向即为管廊延伸方向；若该粒子的权重没有超过设定的阈值，则管廊延伸方向存在歧义，减小综合管廊三维点云的扫描距离，重新判定管廊延伸方向；若最大粒子权重仍未超
过设定的阈值，则判定到达管廊的终点。
16.计算粒子权重的方法为：
[0017][0018]
其中，ni表示每一个平面求取的法向量，i为1到n的整数；k
jn
为单位化后的三维向量，pi表示每一个平面中点云的数量。
[0019]
所述设定的阈值为q为阈值系数，q∈(0,1)。
[0020]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0021]
一种用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航系统，包括：
[0022]
三维点云获取模块，用于获取综合管廊三维点云信息，并对三维点云信息进行预处理；
[0023]
点云分割模块，用于将预处理后的三维点云信息分割为n个平面，分别对n个平面求取法向量；
[0024]
管廊延伸方向检测模块，用于基于求得的法向量，采用粒子滤波算法，实时检测管廊的延伸方向；
[0025]
机器人导航模块，用于控制巡检机器人沿着管廊的延伸方向运动，实现巡检机器人的无全局地图自主导航。
[0026]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0027]
一种巡检机器人，其特征在于，采用上述的用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法，进行巡检机器人的导航。
[0028]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0029]
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法。
[0030]
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0031]
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0033]
(1)本发明提出了一种综合管廊巡检机器人的无全局地图自主导航方法，研制了管廊延伸方向粒子滤波检测算法，实现了巡检机器人无全局地图下的自主导航，巡检机器人导航不再依赖于gps和预先建立的地图，解决了重复场景带来的绝对定位精度低的问题，同时巡检机器人也不再局限于轨道巡检机器人，免除了架设巡检轨道的成本，提高了巡检机器人对综合管廊巡检的适应性，提升了巡检机器人的定位精度。
[0034]
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例中的综合管廊巡检机器人的无全局地图自主导航方法流程图。
具体实施方式
[0036]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0037]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0038]
实施例一
[0039]
在一个或多个实施方式中，公开了一种用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法，结合图1，具体包括如下过程：
[0040]
s101：获取综合管廊三维点云信息，并对三维点云信息进行预处理；
[0041]
本实施例中，使用传感器扫描环境轮廓，得到设定距离范围内的综合管廊三维点云信息；传感器可以选用双目视觉相机、结构光相机、tof相机或三维激光雷达等。
[0042]
得到三维点云信息之后，使用滤波器对三维点云进行预处理，包括：使用统计滤波器或半径滤波器去除孤立点，以及使用体素滤波器降采样，避免点云过于集中等。
[0043]
s102：将预处理后的三维点云信息分割为n个平面，分别对n个平面求取法向量；
[0044]
本实施例中，使用ransac方法对点云进行平面分割，获得n个平面(管廊中主要为墙面，其他平面点云点数较少)，每个平面中点云的点数记为pi，其中i为1到n的整数。需要说明的是，使用ransac方法对点云进行平面分割的过程是本领域技术人员已知的技术，不再详述。
[0045]
然后对上述n个平面分别求取法向量，得到法向量ni，其中i为1到n的整数。
[0046]
s103：基于求得的法向量，采用粒子滤波算法，实时检测管廊的延伸方向；
[0047]
由于管廊延伸方向应当与大部分墙面的法向量垂直，因此本实施例采用粒子滤波算法求取管廊的延伸方向；具体过程如下：
[0048]
s1031：初始化m个三维向量，表示为其中xj、yj、zj都初始化为随机数，j为1到m的整数。
[0049]
s1032：将非零向量单位化，对于零向量，重新用随机数初始化，然后再单位化。
[0050]
s1033：对于每一个单位化后的k
jn
，作为一个粒子；求取对应的粒子权重fj：
[0051][0052]
其中，ni·kjn
表示该粒子向量与墙面法向量(平面法向量)的内积，值越小则表示这两个向量越垂直。表示该粒子对单面墙的匹配差异度，该墙点云点数越多、粒子向量与墙面法向量越垂直，则该差异度越小。为每个粒子对各面墙的差异度之和，取倒数后，即为粒子滤波算法中该粒子的权重。
[0053]
s1034：选取粒子中权重最大的粒子，若该粒子的权重超过设定的阈值，即对应的则该粒子对应向量的方向即为管廊延伸方向。其中，q为阈值系数，q∈(0,1)；q越接近0，则表示筛选越严格，q约接近1则表示越宽松。q的具体取值可以根据实际需要进行设定。若该粒子权重没有超过该阈值，则判定为管廊延伸方向存在歧义，通过减小传感器扫描点云的距离，将扫视范围限定为更近范围，重新执行以上几步判断近处的管廊延伸方向，若仍未超过该阈值，则判定为到达管廊终点。
[0054]
由于管廊方向不会突然发生巨大变化，下一时刻撒粒子时，可在上一周期的结果附近撒粒子，实现迭代式搜索。因此，按照每个粒子的权重，对每个粒子迭代更新，通过反复迭代，实现每个周期渐进式的持续输出，从而实现实时检测管廊延伸方向。
[0055]
s104：控制巡检机器人沿着管廊的延伸方向运动，实现巡检机器人的无全局地图自主导航。
[0056]
本实施例巡检机器人导航方法不再依赖于gps和预先建立的地图，解决了重复场景带来的绝对定位精度低的问题，同时巡检机器人也不再局限于轨道巡检机器人，免除了架设巡检轨道的成本，扩大了巡检机器人的适用种类，比如可以采用足式机器人对地下综合管廊进行巡检，同时也提高了巡检机器人的定位精度。
[0057]
实施例二
[0058]
在一个或多个实施方式中，公开了一种用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航系统，包括：
[0059]
三维点云获取模块，用于获取综合管廊三维点云信息，并对三维点云信息进行预处理；
[0060]
点云分割模块，用于将预处理后的三维点云信息分割为n个平面，分别对n个平面求取法向量；
[0061]
管廊延伸方向检测模块，用于基于求得的法向量，采用粒子滤波算法，实时检测管廊的延伸方向；
[0062]
机器人导航模块，用于控制巡检机器人沿着管廊的延伸方向运动，实现巡检机器人的无全局地图自主导航。
[0063]
需要说明的是，上述各模块的具体实现方式与实施例一中相同，此处不再赘述。
[0064]
实施例三
[0065]
在一个或多个实施方式中，公开了一种巡检机器人，采用实施例一中所述的用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法，进行巡检机器人的导航。
[0066]
实施例四
[0067]
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的用于综合管廊巡检的足式机器人自主导航方法。为了简洁，在此不再赘述。
[0068]
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0069]
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
[0070]
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0071]
在另一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中综合管廊巡检机器人的无全局地图自主导航方法。
[0072]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。