一种轮式多信息融合采集机器人

王斌 厉佳勋 江丽琴

浙江图讯科技股份有限公司

摘要：针对某些爆炸性环境下，需要进行现场事故采集工作，本文提出并设计了一种轮式多信息融合采集机器人，通过激光雷达和惯导模块进行自主导航，配置多种信息采集传感器进行信息采集，并通过图像传输模块和数据传输模块进行信息的传输。其结构做了高规格的防爆设计，具备运动灵活、防爆等级高、信息采集全面等特点，可替代人员进入爆炸性环境中进行作业，降低了危险发生时，人员二次伤亡的风险。

关键字：轮式机器人、信息采集、自主导航、防爆

1 概述

随着我国经济的快速发展，石油化工等高危企业越来越多，石化企业产业结构呈多元化趋势，大型装置、危化品运输和储存规模迅速增长，易燃易爆、剧毒化学制品、危险品和放射性物质泄漏及燃烧、爆炸、坍塌事故隐患增加。同时，化学品在各行各业中都得到了广泛的应用,化学品在丰富人类物质生活的同时,也带来了众多的潜在危险。因大多数化学品都有易燃、易爆,并且有毒的特点,因此,在日常生产、运输以及工作过程中常会伴随有泄漏、发生火灾甚至爆炸等危险。其中爆炸性环境下事故现场信息采集工作是高危环境监测预警和危化爆炸事故救援的重要基础。爆炸性环境工况复杂，非结构化环境、毒气、辐射、粉尘、高温等恶劣工况导致信息采集难度大。故使用防爆型的信息采集机器人，可以代替人员进入危险环境进行信息采集，人员免于进入危险环境进行作业，也避免了二次伤亡的发生。本文提出并设计了一种轮式多信息融合采集机器人，在一般巡检机器人的基础上，做了高规格的防爆设计，安装多种信息采集传感器，用于环境中多种信息采集。

2 功能

轮式多信息融合采集机器人以轮式巡检机器人为载体，采用四驱独立驱动方式，具备一定的越障能力，车体结构简单耐用，稳定可靠。通过智能的机器人定位、环境建模、导航技术和图像识别等技术，多信息融合采集机器人可以进行自主导航，深入爆炸性环境中。其上装配备防爆型云台、热成像摄像头、防爆型气体检测传感器、防爆型激光雷达、粉尘检测传感器、温湿度检测传感器，结合自身的信息融合算法，可以全面采集事故现场环境信息，并将所采集信息传输至后方控制中心，帮助人员了解事故现场情况，做出有利救援决策。

在未有事故发生时，可作为一般巡检机器人使用，24小时进行巡检任务，能够根据后台规划的行走路径及任务，按照指定路线行走。可采集环境温湿度等数据，并对环境异常报警，识别明火等安全隐患，实时报警火源位置。当电量不足时，可自动返回充电位进行充电。

3 优势

多信息融合采集机器人具有四大优势：（1）可采用自主导航模式运行，单次执行信息采集任务或循环执行信息采集任务作业，充分弥补了固定式信息采集装置的不足；（2）机器人可24小时不停歇作业，自动充电完成后继续执行任务，替代大量人力，显著提升信息采集工作效率；（3）采用IIC规格防爆设计，可进入多种爆炸性环境作业（4）实现智能远程控制、人机分离，可有效避免人员受到伤害。

4系统组成

本文设计的多信息融合采集机器人主要用于爆炸性环境下下的环境数据采集、数据信息传输等工作，同时由于应急救援领域的特殊性，对机器人高可靠性、高适应性有着更高的要求，故对远距离或封闭环境数据传输、抗干扰、智能避障、腐蚀或辐射环境下的自防护等等特殊需求做了相应设计保障。根据实际应用功能的设计需求，轮式多信息融合采集机器人应具备以下功能性能：

1. 可进行自主导航，根据设定路径运行；

2. 底盘能负载较大的载荷，已满足其上装载荷；

3. 较长的续航能力，可长时间执行信息采集任务；

4. 能够识别避让障碍物，在机器人运动或执行任务过程中，避免碰撞；

5. 有一定的爬坡和越障能力，以适应室内外各类地形环境

6. 能够原地旋转，以适应室内狭小空间

7. 能够远程查看信息采集机器人的图像信息

8. 能够远程调整信息采集机器人的移动路线

9. 能够进行气体、粉尘、温湿度等等的环境数据采集

(10)能够进行环境地图建模

轮式多信息融合采集机器人可以通过半自主或全自主的方式进行操作。全自主模式下，机器人的定位和导航采用三维激光结合GPS导航的方式，在室外以RTK（Real - time kinematic）载波相位差分技术卫星定位为主，在室内使用三维激光定位，同时结合超声波辅助避障，自主巡检和信息采集的功能。

信息采集机器人需要不断地采集环境中的各种信息以及自身的运作情况才能进一步分析得出决策来进行下一步的行动．依靠单一的传感器不可能全面的采集并反映出机器人周边的环境信息。此机器人需要搭载多种传感器米满足其完成信息采集的需要。有关于机器人需要搭载的各类传感器，国内外各研究机构进行了大量的研究。目前，常用于机器人的传感器有视觉、避障、测距、温度、湿度、各类气体传感器等。

信息融合技术最早是在军事领域中应用。高科技主导的现代战争环境下，想要掌握更多的战场信息，单个传感器远远不能满足需要，因此就必须采用多传感器信息源系统，其数据处理能力和处理量是单一传感器所不能比拟的。随着传感器技术与计算机技术的不断发展，多传感器信息融合技术也日趋成熟。

轮式移动底盘是机器人的运动和行走部分，同时也承载其他系统和元器设备。移动底盘主体是合金结构，内部安装电池、电机、减速机等器件，通过四轮四驱方式进行移动，该驱动架构移动十分灵活，机器人可以原地360°转动，非常适合在狭窄的空间运动。机器人采用电池供电，考虑到长时间稳定作业，内部利用EMC滤波器和功率板将电压去除干扰噪声与保证直流电源的稳定，为机器人各功能模块供电。

电控系统由上位的工控机和下位的运动控制器组成，采用这种架构的主要目的是将控制中对响应速度要求不同的部分，分布在两个处理器中，发挥各自的优势。

5 系统软件

多信息融合采集机器人的软件设计是在硬件系统的基础上通过软件程序的设计，实现多信息融合采集机器人的自主导航、环境数据采集、图像信息采集与传输等功能。系统软件的设计包括多信息融合采集机器人控制系统程序设计以及PC端上位机软件设计两部分内容，分别实现多信息融合采集机器人的控制与人机交互界面。

软件功能包含机器人管理、用户管理、报警管理、遥控行走、一键返航、巡检任务管理、环境数据查看、实时视频观看、巡检点管理、语音对讲等模块。

后台管理系统采用CS结构，其中所有的配置、监控、管理等功能，都通过客户端软件进行操作。

软件界面功能主要分为四块，分别为设备列表，机器人实时视频显示，设备实时状态信息与实时任务信息展示区，默认展示信息都为空，只有在选择了具体机器人后才展示机器人相关的信息(实时视频,设备实时状态,当前任务信息等)

6 结论

本文多信息融合采集信息采集机器人主要对机器人的移动机构、信息采集模块做了研究。提出了一种轮式信息融合采集机器人的机构，采用模块化设计方案，完成了移动平台、信息采集平台和模块化接口设计。完成了控制系统软硬件设计，完成了人机界面设计及程序设计。通过仿真测试达到了预期的指标，但仍有一些不足，需要进一步研究

7 参考文献

[1]陈旭武．国外地面军用机器人的研制现状[J]．黄石理工学院学报，2006.

[2] 葛世荣，张德帅，朱真才等．矿山运输机械的安全装备研究[J]．中国科技论文在线，2007.

[3]赵璠璠.变电站智能巡检机器人系统设计[J].机械管理开发, 2020, 35(10) : 233-235.

王斌（1974/2/7），男，汉族，浙江杭州，高级工程师，研究方向：机器人

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