煤礦井下搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究
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另外，在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化井下環(huán)境中，僅僅通過(guò)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，是難以保證操作動(dòng)作的準(zhǔn)確性和安全性的；如何能夠保證機(jī)器人按照所規(guī)劃的路徑和發(fā)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)指令準(zhǔn)確、高效、安全的運(yùn)動(dòng)是保證其圓滿完成探測(cè)任務(wù)的前提條件。特別是安全性問(wèn)題，表現(xiàn)得尤為突出，稍有不慎就有可能使機(jī)器人發(fā)生傾覆或者碰撞。因此，對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)信息進(jìn)行采集，結(jié)合位置、航向等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)本地自主實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的方式對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使其可以自主的保持在安全范圍之內(nèi)，當(dāng)操作員發(fā)出可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的指令時(shí)能夠及時(shí)制止并發(fā)出報(bào)警信息，是一個(gè)非常必要和實(shí)用的功能。
可見(jiàn)雖然目前存在的大部分搜救機(jī)器人采用主從操作方式，但鑒于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性及危險(xiǎn)性，特別是對(duì)通信系統(tǒng)的嚴(yán)酷環(huán)境，機(jī)器人具有自主導(dǎo)航及運(yùn)動(dòng)控制的能力是十分必要的功能。提高搜救機(jī)器人的智能化和自主化技術(shù)水平，也是該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。煤礦井下是一個(gè)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化并存的環(huán)境，而在事故發(fā)生后，則多數(shù)是非平整非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，因此，本論文針對(duì)復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境，將煤礦井下探測(cè)機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為主要研究?jī)?nèi)容。
3.6非平整路面移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)
3.6.1適應(yīng)非平整路面的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)
非結(jié)構(gòu)化非平整路面環(huán)境中工作的機(jī)器人，一般是用于星際探測(cè)、野外偵察、農(nóng)業(yè)耕作、礦區(qū)作業(yè)等領(lǐng)域，國(guó)外有研究人員將這類機(jī)器人定位為野外移動(dòng)機(jī)器人（Off-Road Mobile Robots），是較為合適的定義。
3.6.2非平整路面移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀
近年來(lái)，對(duì)于非平整路面移動(dòng)機(jī)器人定位及導(dǎo)航技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并已經(jīng)形成了多種相對(duì)完善的方案，在星際探測(cè)、野外偵察、采礦及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了一定的研究和應(yīng)用成果。
目前機(jī)器人可用于定位導(dǎo)航及狀態(tài)感知的傳感器主要包括里程計(jì)、慣性導(dǎo)航單元、GPS系統(tǒng)、超聲波或聲納傳感器、激光測(cè)距傳感器、計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等。里程計(jì)或光電編碼器是移動(dòng)機(jī)器人廣泛使用的傳感器，主要用于航位推算過(guò)程中行駛里程的計(jì)算；慣性測(cè)量單元以往常用于飛行器姿態(tài)的測(cè)量及控制，近年來(lái)逐漸應(yīng)用到地面車輛或移動(dòng)機(jī)器人的定位及姿態(tài)測(cè)量等算法當(dāng)中，特別是在與里程計(jì)、GPS相融合后組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，成為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的重要手段；GPS系統(tǒng)作為一種絕對(duì)式位置傳感器，有著使用方便、精度較高，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別是通過(guò)差分計(jì)算之后，其精度更可以達(dá)到米級(jí)以下甚至更高，從而可以直接引用于機(jī)器人的定位工作，其主要問(wèn)題是在復(fù)雜環(huán)境中有可能由于建筑物或大型植被等的遮擋造成信號(hào)失鎖以及由于受到美國(guó)的控制幾乎無(wú)法作為軍事目的而使用。當(dāng)前比較常見(jiàn)的做法是將里程計(jì)、IMU以及GPS信息通過(guò)一定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合（通常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波、無(wú)味卡爾曼濾波等算法），利用融合后的結(jié)論實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位姿的正確估計(jì)。聲納或超聲波傳感器主要用于對(duì)機(jī)器人周圍近距離（一般5m以內(nèi)）的障礙物進(jìn)行探測(cè)，而且一般是以陣列的形式安裝在機(jī)器人本體上，以提高其探測(cè)范圍。由于其探測(cè)距離短，探測(cè)速度較慢，因而多用于低速移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)；激光雷達(dá)也是目前常用的距離測(cè)量工具，主要分為二維激光雷達(dá)或三維激光雷達(dá)，由于其測(cè)量距離遠(yuǎn)（一般達(dá)到幾十米甚至上百米），測(cè)量速度快（每秒幾十次掃描數(shù)據(jù)），被越來(lái)越多的應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知及環(huán)境建模的場(chǎng)合當(dāng)中。視覺(jué)系統(tǒng)是最常用的環(huán)境感知系統(tǒng)，也是人類對(duì)世界進(jìn)行感知和認(rèn)識(shí)的主要途徑，近年來(lái)特別是近2，3年來(lái)，基于視覺(jué)環(huán)境感知的研究成果層出不窮，其計(jì)算的復(fù)雜度不斷減小，工程化程度越來(lái)越高，通過(guò)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)、航位及航姿推算直到路面環(huán)境建模等的研究成果也越來(lái)越多。除此之外，還有一些如毫米波雷達(dá)、紅外傳感器、力傳感器、觸覺(jué)傳感器等也應(yīng)用到不同場(chǎng)合機(jī)器人的自身或環(huán)境參數(shù)的感知上，在這里不再詳述。
環(huán)境重建技術(shù)是信息技術(shù)中，特別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)中的一個(gè)重要研究方向，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)的研究而言，其主要用于機(jī)器人的導(dǎo)航、目標(biāo)的跟蹤與識(shí)別以及真實(shí)場(chǎng)景的重現(xiàn)等。其主要手段歷經(jīng)了從計(jì)算機(jī)視覺(jué)，到計(jì)算機(jī)視覺(jué)與激光雷達(dá)的結(jié)合，即主動(dòng)視覺(jué)的概念；近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法及計(jì)算平臺(tái)的不斷完善，又重新回到使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)，即僅采用被動(dòng)視覺(jué)的方法上。
20世紀(jì)70年代中期，Marr，Barrow和Tenenbaum等一些研究者提出了視覺(jué)計(jì)算理論，其核心是從圖像恢復(fù)場(chǎng)景的三維結(jié)構(gòu)。S．Z．Barnard與M．A．Fischler系統(tǒng)的介紹了上世紀(jì)70年代中期到1981年三維視覺(jué)的研究成果，主要包括立體重建的基本方法、算法評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以及對(duì)當(dāng)時(shí)有影響力的算法評(píng)述。70年代后期至80年代，工作于斯坦福大學(xué)的Gennery及Moravec首先將立體視覺(jué)三維重建技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航，在一臺(tái)叫做StanfordCart的平臺(tái)上，他們實(shí)現(xiàn)了其基于立體視覺(jué)的自主定位及周圍環(huán)境的三維探測(cè)。然而，鑒于其計(jì)算速度的限制及硬件平臺(tái)的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)并不能可靠的長(zhǎng)時(shí)間工作。
在上世紀(jì)80年代，CMU及NASAJPL的研究人員走在了該領(lǐng)域的前沿。在80年代后期，CMU的研究人員成功的在其移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)CMU Rover上解決了立體視覺(jué)的計(jì)算速度及工程可靠性問(wèn)題（Moravec，1983）。其主要改進(jìn)在于硬件平臺(tái)的升級(jí)以及感知算法的改進(jìn)與完善，而最值得關(guān)注的工作是該團(tuán)隊(duì)的Matthies及Shafer在1987年首次提出了基于立體視覺(jué)的視覺(jué)里程計(jì)算法（Visual Odometry Algorithms），該算法第一次通過(guò)視覺(jué)方式對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)進(jìn)行了較為精確的計(jì)算。從而開(kāi)啟了通過(guò)視覺(jué)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的算法在地球上的野外環(huán)境（Nister，2006;Agrawal，2007）以及NASA的火星探測(cè)計(jì)劃（MER）中在外星球探測(cè)機(jī)器人上的應(yīng)用（Cheng，2006）。
在接下來(lái)的研究中，CMU仍然走在世界的前列。他們開(kāi)發(fā)出的Navlab移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，采用了主動(dòng)視覺(jué)的方式，將單目攝像機(jī)及一臺(tái)激光雷達(dá)相結(jié)合，作為其環(huán)境探測(cè)的解決方案，從而成功的解決了當(dāng)時(shí)采用被動(dòng)視覺(jué)在匹配及特征提取計(jì)算方面面臨巨大計(jì)算復(fù)雜度的尷尬局面。從這一時(shí)期開(kāi)始，移動(dòng)機(jī)器人才逐漸實(shí)現(xiàn)了所謂的實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航，這主要得益于算法的不斷改進(jìn)以及計(jì)算平臺(tái)性能的大幅度提高。自90年代中期開(kāi)始的十幾年中，基于主動(dòng)式探測(cè)技術(shù)（主要是激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等）的環(huán)境感知與探測(cè)方法被較為廣泛的應(yīng)用，特別是與視覺(jué)傳感器相融合可以快速建模的特性，使其一度成為移動(dòng)機(jī)器人，特別是野外移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境建模的首選方案。
然而基于單目或雙目被動(dòng)視覺(jué)的環(huán)境感知及建模的研究工作一刻都未停止過(guò)，在1980后期至1990年代的過(guò)程中，Matthies在JPL的研究突破了基于場(chǎng)景的實(shí)時(shí)立體視覺(jué)算法，并于90年代后期第一次將其應(yīng)用于野外機(jī)器人的環(huán)境探測(cè)與建模當(dāng)中。自此以后，立體視覺(jué)開(kāi)始逐漸為大家所重視，真正成為機(jī)器人三維感知方向中一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。
近五年來(lái)，視覺(jué)感知技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人特別是野外不平整路面復(fù)雜環(huán)境下的感知與環(huán)境建模中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。其中同樣是NASA的MER計(jì)劃的成果，DemoIII自主野外探測(cè)車采用了三對(duì)立體視覺(jué)相機(jī)，一對(duì)前視立體相機(jī)，一對(duì)后視立體相機(jī)，以及一對(duì)安裝在伺服云臺(tái)上的立體相機(jī)（Matthies，2007），在此，立體視覺(jué)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)基本功能，即視覺(jué)里程計(jì)以及路徑規(guī)劃。在火星上沒(méi)有GPS等絕對(duì)定位系統(tǒng)的情況下，采用基于立體視覺(jué)的視覺(jué)里程計(jì)算法，通過(guò)相對(duì)定位的方式，實(shí)現(xiàn)了火星車足夠的定位精度（Cheng，2005）。除此之外，采用基于立體視覺(jué)的路徑規(guī)劃方法控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，可以快速的感知路面的不平整（Biesiadecki和Maimone，2006），以及預(yù)測(cè)路面傾斜的變化（Angelova，2007）。與此同時(shí)，另一些研究人員也實(shí)現(xiàn)了基于單目視覺(jué)或雙目視覺(jué)的機(jī)器人位姿估算以及路面的三維重建工作，如Nister在2006年分別采用單目及雙目視覺(jué)里程計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人在野外復(fù)雜環(huán)境中姿態(tài)及位置的估算，并達(dá)到了較高的精度控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，較好的可靠性和實(shí)時(shí)性。
結(jié)束語(yǔ)
煤礦井下危險(xiǎn)區(qū)域探測(cè)的搜救機(jī)器人進(jìn)行研究為當(dāng)前煤礦開(kāi)采的提供了安全保證，文中提到的關(guān)鍵技術(shù)的解決對(duì)開(kāi)發(fā)研制高性能搜救機(jī)器人意義重大。
評(píng)論