一种监狱周界巡视警戒机器人系统的制作方法

本实用新型涉及一种监狱周界巡视警戒机器人系统。

背景技术：

监狱作为国家的刑罚执行机关，担负着维护社会安宁和稳定，预防和减少犯罪的重要职能。监狱是社会的窗口，反映了一个国家文明进步的程度，监狱事业作为我国现代化建设事业不可分割的组成部分，必须与整个国家的现代化建设同步、与社会文明同步。因此，运用现代科技手段来保证职能的履行，把监狱各项纷繁复杂的管理工作与当代高科技紧密结合，促进监狱事业的不断发展，是历史和社会发展的必然。监狱在经历了几十年的发展之后，已进入全新的数字化、信息化时代，在安全防范方面报警、监控、监听、对讲、广播、门禁等建设已相当完善，但在周界隔离墙、警戒区和狱墙监控方面除传统的电网、刺网、定点视频、武警巡逻以外，后期新增的还有红外对射、超声雷达、微波对射、震动光纤等方式都不理想，受光线、雨雾、冰雪、沙尘、电磁等环境因素影响较大，且布点密度低、漏报、误报率较高、目标辨识能力差。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种监狱周界巡视警戒机器人系统，本实用新型集自动巡视、自动辨识、智能跟踪、智能调度、高速移动为一体，实现对监狱周界全天候、全自动、全智能的巡视警戒，同时结合姿态感知传感器、警戒区微波相控阵雷达实现三为一体，目标高度融合，高速跟踪的周界巡视警戒。在有多目标同时入侵警戒区时，可以自动调度多个机器人跨防区，对多目标分别进行跟踪监视，有效的提高了跟踪能力和威慑能力，相较之定点视频等技术优势明显。通过上述技术手段和系统可以大幅提高对监狱外围周界的监视防范能力，为监狱的数字化、信息化建设做出贡献。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种监狱周界巡视警戒机器人系统，包括轨道、警戒机器人、姿态感知传感器、微波相控阵雷达模块和上位机，其中：所述轨道沿狱墙内侧进行吊挂或地面铺设，所述轨道旁设置有若干供给警戒机器人自动充电的充电站，所述警戒机器人沿轨道运行，实时监测隔离墙、警戒区，所述姿态感知传感器安装在监狱隔离网上，对监狱隔离墙震动监测，所述微波相控阵雷达模块安装在监狱隔离墙上，检测翻过隔离墙进入警戒区的目标，所述上位机接收警戒机器人、姿态感知传感器和微波相控阵雷达模块的监测结果。

所述姿态感知传感器通过数据总线接入监控中心，与上位机进行通信，监控中心一旦收到报警定位信息，调度周界巡视警戒机器人快速到目标位置进行现场侦察确认；若为区域误报，经人工确认后消除报警信息，若禁区确实出现非法入侵人员，机器人直接发出报警广播信息，警示犯人提醒狱警及时妥善处置。

所述微波相控阵雷达模块通过数据总线直接与监控中心的上位机通信，上报设备状态及报警信息；一旦产生报警信息，监控中心上位机直接调度周界巡视警戒机器人到报警区域进行音视频及热像信息确认是否为有效报警。

所述警戒机器人包括中央控制器模块，所述中央控制器模块连接有伺服驱动模块、辅助定位模块、无线通信模块、电池管理模块、高清视频模块、红外热像模块、语音对讲广播模块和激光测距模块，所述无线通信模块连接有扫描雷达模块和辅助照明模块。

所述伺服驱动模块，被配置为实现机器人行走轮的驱动控制，使其以轨道为载体，沿轨道运动。

所述辅助定位模块被配置为实现机器人行走的移动定位功能，采用高速RFID卡定位技术，辅助机器人路完成径规划及路径自学习。

所述无线通信模块被配置为实现机器人和上位机之间的实时通信，采用无线通信技术，保证高清视频、热像视频、对讲语音及上下行指令的通信带宽及稳定性要求。

所述电源管理模块被配置为实现机器人动力电池及能量管理，采用锂电池及能量管理技术，实现电池充放电的均衡管理及状态评估。

所述高清视频模块被配置为实现机器人可见光视频监视功能，采用宽动态高速网络摄像机，以二由自度云台为载体，实现对目标的全方位跟踪监视；

所述红外热像模块被配置为实现器人热像监视功能，采用高分率非制冷焦平面探测器，提供优质的红外图像及温度码流；

所述语音对讲广播模块被配置为实现机器人车载收、放音功能，采用高灵敏度拾音器及大功率放音器，实现上位机和监控现场的语音对讲实时交互及警示广播；

所述激光测距模块被配置为实现机器人目标测距功能，采用高精度激光测距技术，实现对目标的实时跟踪和定位测量，为红外热像仪提供精确的辅助对焦。

所述辅助照明模块被配置为实现机器人夜晚照明、可见光摄像补光功能，采用大功率强光LED灯珠和恒流驱动技术，满足夜晚视频照明补光和控制中心人员观察的需求；

所述扫描雷达模块可以实现机器人高速移动时障碍物检测功能，采用270°激光扫描技术，计算极坐标下的前方物体距离，为机器人提供安全可靠的避障检测及刹车距离；

中央控制器模块为机器人中心控制单元，负责指令分析和机器人的运行控制、智能判断等所有人工智能处理功能，支持复杂算术指令、具备较高的浮点/实数运算能力、梯形图执行引擎、高速大容量SDRAM，具备运动控制差补功能和快速响应能力。

所述警戒机器人检测电量上报给上位机，由上位机进行统一调度充电，机器人充电时通过轨道充电接触机构使电池管理模块与充电站内的充电机建立通信，通信正常后由电池管理模块管理充电机对电池进行充电，充电结束或接到上位机巡检指令机器人自动断开充电接口，离开充电区域。

所述上位机与监狱周界的巡视警戒机器人均进行通信，实时检测监狱现场周界的安全情况，自动调度多个机器人跨防区，对多目标分别进行跟踪监视。

一种基于上述系统的监狱周界防区巡视警戒的方法，监狱周界防区的警戒机器人根据上位机的指令，沿轨道在设定防区内不间断巡视或周期性巡视，警戒机器人对警戒区内非法入侵目标的辨识跟踪，同时姿态感知传感器对攀爬、挖洞引起的监狱隔离墙震动监测，微波相控阵雷达模块对慢速移动目标、多目标、跨防区目标的融合和跟踪测距，上位机根据多模块的联动监控，对监狱周界防区巡视警戒与调度。

姿态感知传感器通过数据总线接入监控中心，与上位机进行通信，监控中心一旦收到报警定位信息，直接调度周界巡视警戒机器人快速到目标位置进行现场侦察确认；若为区域误报，经人工确认后消除报警信息，若禁区确实出现非法入侵人员，警戒机器人直接发出报警广播信息，警示犯人提醒狱警及时妥善处置。

微波相控阵雷达模块采用连续波调制发射接收技术和复杂滤波算法，对慢速移动目标、多目标、跨防区目标的融合和跟踪测距，同时进行小目标排除、环境干扰滤除和自动辨识。

本实用新型的有益效果为：

通过本实用新型的实施，可以实现对监狱周界的全天候、全自动、全智能的巡视，同时结合隔离墙姿态感知传感器、警戒区微波相控阵雷达实现三为一体，可以实现目标高度融合，高速巡视跟踪。

同时，在有多目标同时入侵警戒区时，可以自动调度多个机器人跨防区，对多目标分别进行跟踪监视，有效的提高了跟踪能力和威慑能力，相较之定点视频等技术优势明显。

通过本实用新型的实施，可以实现监狱周界防区巡视警戒，监狱周界目标辨识跟踪，监狱现场互动警示，监狱防范指挥调度，周界系统的联动，动态电子地图监控。

通过本实用新型的实施，可以大幅提高对监狱外围周界的监视防范能力，为监狱的数字化、信息化建设做出贡献。

附图说明

图1是本实用新型系统框图；

图2是本实用新型周界巡视警戒机器人组成框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种监狱周界巡视警戒机器人系统，包括周界巡视警戒机器人、姿态感知传感器、微波相控阵雷达模块、轨道、充电站、上位机。

周界巡视警戒机器人通过无线局域网与上位机进行通信。

姿态感知传感器和微波相控阵雷达模块通过数据总线与监控中心的上位机进行通信。

周界巡视警戒机器人安装在警戒区或狱墙上，以轨道为载体，轨道沿狱墙内侧进行吊挂或地面铺设，在轨道起点、终点若环形轨道每隔500米安装一套充电站，机器人在没有巡视任务或馈电情况下到充电站接口处自动充电完成能量补充。

微波相控阵雷达模块，安装在监狱隔离墙上，负责对翻过隔离墙进入警戒区的非法人员进行定位告警，相控阵雷达采用连续波调制发射接收技术和复杂滤波算法，能够实现对慢速移动目标、多目标、跨防区目标的融合和跟踪测距，同时具备小目标排除、环境干扰滤除和自动辨识功能。

姿态感知传感器安装在监狱隔离网上，采用可以探测震动加速度、形变角速度和方位磁场的九轴传感器，可以实现对攀爬、挖洞引起的监狱隔离墙震动监测，并能有效滤除大风、外来震动源等干扰，实现快速报警定位。

轨道为轻型铝合金轨道，采用铝合金挤压模具成型，具有强度高、耐磨、重量轻、抗腐蚀等特点；可以适应天花板吊挂、墙立面吊挂、地面支撑吊挂等各种安装方式。

充电站，在轨道上每隔500～1000米安装一套充电站，轨道较短的一般安装在轨道的起点或终点，监狱周界巡视警戒机器人自动检测电量上报上位机，由上位机进行统一调度充电，机器人充电时通过轨道充电接触机构使机器人BMS与充电站内的充电机建立通信，通信正常后由BMS管理充电机对快充Li电池进行充电，充电结束或接到上位机巡检指令机器人自动断开充电接口，离开充电区域。

上位机，与监狱周界巡视警戒机器人进行通信，可以实时了解监狱现场周界的安全情况，自动调度多个机器人跨防区，对多目标分别进行跟踪监视。

如图2所示，周界巡视警戒机器人由伺服驱动模块、辅助定位模块、无线通信模块、电池管理模块(BMS)、高清视频模块、红外热像模块、语音对讲广播模块、激光测距模块、辅助照明模块、扫描雷达模块、中央控制器模块组成，其中：

1)伺服驱动模块可以实现机器人行走轮的驱动，采用高效率大扭矩直流伺服机、高精度编码，实现机器人平台的高速移动和行走控制；

2)辅助定位模块可以实现机器人行走的移动定位功能，采用高速RFID卡定位技术，辅助机器人路完成径规划及路径自学习；

3)无线通信可以实现机器人和上位机之间的实时通信功能，采用高动态带宽短距无线通信技术，保证高清视频、热像视频、对讲语音及上下行指令的通信带宽及稳定性要求；

4)电源管理模块可以实现机器人动力电池及能量管理功能，采用高密度快充锂电池及能量管理技术，实现电池充放电的均衡管理及状态评估；

5)高清视频模块可以实现机器人可见光视频监视功能，采用宽动态高速网络摄像机，以二由自度云台为载体，实现对目标的全方位跟踪监视；

6)红外热像模块可以实现器人热像监视功能，采用高分率非制冷焦平面探测器，提供优质的红外图像及温度码流；

7)语音对讲广播模块可以实现机器人车载收、放音功能，采用高灵敏度拾音器及大功率放音器，实现上位机和监控现场的语音对讲实时交互及警示广播；

8)激光测距模块可以实现机器人目标测距功能，采用高精度激光测距技术，实现对目标的实时跟踪和定位测量，为红外热像仪提供精确的辅助对焦。

9)辅助照明模块可以实现机器人夜晚照明、可见光摄像补光功能，采用大功率强光LED灯珠和恒流驱动技术，满足夜晚视频照明补光和控制中心人员观察的需求；

10)扫描雷达模块可以实现机器人高速移动时障碍物检测功能，采用270°激光扫描技术，计算极坐标下的前方物体距离，为机器人提供安全可靠的避障检测及刹车距离；

中央控制器模块为机器人中心控制单元，负责指令分析和机器人的运行控制、智能判断等所有人工智能处理功能，支持复杂算术指令、具备较高的浮点/实数运算能力、梯形图执行引擎、高速大容量SDRAM，具备运动控制差补功能和快速响应能力。

姿态感知传感器安装在监狱隔离网上，采用可以探测震动加速度、形变角速度和方位磁场的九轴传感器，可以实现对攀爬、挖洞引起的监狱隔离墙震动监测，并能有效滤除大风、外来震动源等干扰，实现快速报警定位。姿态感知传感器通过数据总线接入监控中心，与上位机进行通信，监控中心一旦收到报警定位信息，直接调度周界巡视警戒机器人快速到目标位置进行现场侦察确认；若为区域误报，经人工确认后消除报警信息，若禁区确实出现非法入侵人员，机器人直接发出报警广播信息，警示犯人提醒狱警及时妥善处置。

微波相控阵雷达模块，安装在监狱隔离墙上，负责对翻过隔离墙进入警戒区的非法人员进行定位告警，相控阵雷达采用连续波调制发射接收技术和复杂滤波算法，能够实现对慢速移动目标、多目标、跨防区目标的融合和跟踪测距，同时具备小目标排除、环境干扰滤除和自动辨识功能。微波相控阵雷达模块通过数据总线直接与监控中心的上位机通信，上报设备状态及报警信息；一旦产生报警信息，监控中心上位机直接调度周界巡视警戒机器人到报警区域进行音视频及热像信息确认是否为有效报警。

轨道为轻型铝合金轨道，采用铝合金挤压模具成型，具有强度高、耐磨、重量轻、抗腐蚀等特点；可以适应天花板吊挂、墙立面吊挂、地面支撑吊挂等各种安装方式。

充电站，在轨道上每隔500～1000米安装一套充电站，轨道较短的一般安装在轨道的起点或终点，监狱周界巡视警戒机器人自动检测电量上报上位机，由上位机进行统一调度充电，机器人充电时通过轨道充电接触机构使机器人BMS与充电站内的充电机建立通信，通信正常后由BMS管理充电机对快充Li电池进行充电，充电结束或接到上位机巡检指令机器人自动断开充电接口，离开充电区域。

上位机，与监狱周界巡视警戒机器人进行通信，可以实时了解监狱现场周界的安全情况，自动调度多个机器人跨防区，对多目标分别进行跟踪监视。当收到机器人的报警信息以后，及时预警，并通知警戒人员到达现场进行快速处理，保障了监狱外围周界的监视防范能力。同时位于监控中心的上位机，具有面向用户的展示和互动操作界面，够实现对所有机器人的实时定位和状态监控。上位机还对多机器人充电进行统一调度，确保有机器人在安全巡视。

监狱周界防区巡视警戒的方法：

1)周界巡视警戒机器人，根据上位机的指令，可以在设定防区内不间断巡视或周期性巡视。

2)每个机器人的防区的长度和监视扫描范围可以通过上位机下达指令来设定。通常根据防区的形状、长度、机器人运行速度、充电周期、昼夜转换(夜间巡视密度高)等因素确定。

3)机器人电池管理模块会根据剩余电量自动调度充电，为避免充电时的巡视空白，上位机自动调度其它机器人替补巡视该防区。

监狱周界目标辨识跟踪的方法：

现场每个机器人都配备可见光高清视频模块和热像视频模块，可以实现可见光视频监视功能和热像监视功能，从而实现对警戒区内非法入侵目标的辨识跟踪功能。在夜晚、雨雾、沙尘等可见度差的时段，系统自动调整为热像追踪模式，可自动测量目标温度、位置、轮廓等进行分析辨识自动告警；同时通过激光测距模块实现对目标的实时跟踪和定位测量。

监狱现场互动警示的方法：

周界巡检警戒机器人通过语音对讲模块，可以实现机器人车载收、放音功能，语音对讲模块采用高灵敏度拾音器及大功率放音器，实现上位机和监控现场的语音对讲实时交互。拾音器具备大范围内细微声音的监听拾取能力，大功率扩音器根据设定语音或控制中心人工语音的方式对非法侵入警戒区的人员进行喊话阻吓。

监狱防范指挥调度的方法：

周界巡视警戒机器人系统，通过机器人和上位机之间的实时通信，具备对巡视警戒机器人的高智能、高效率调度指挥能力，可对同时侵入警戒区多个目标调试多个机器人实施分散监视跟踪；同时为指挥中心提供准确的目标位置和目标移动轨迹，为进一步采取处置干预手段或指挥决策提供有效的参考；

周界系统联动的方法：

本系统通过上位机可以实现多系统联动管理功能，能够与周界高压电网、周界(各种)报警防范系统联动。当周界防区报警，系统能够第一时间调度机器人到报警防区巡视，并将巡视结果上报给指挥中心，如果是误报可联动取消报警状态。

动态电子地图监控的方法：

安装监控中心上位机，具有面向用户的展示和互动操作界面。指挥中心值班人员通过动态电子地图监控，能够实现对所有机器人的实时定位和状态监控，状态监控包括机器人的运动状态、工作状态和报警状态等。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。