管廊巡检机器人的环境参数监测方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及机器人环境监测，具体涉及管廊巡检机器人的环境参数监测方法、系统及存储介质。

背景技术：

1、在管廊巡检过程中，利用巡检机器人搭载气体传感器对管廊内部的气体环境参数进行连续监测，是及时发现气体泄漏等异常情况的重要手段；现有方法通常根据机器人在不同位置采集的气体浓度及其变化趋势判断异常区域，部分方法还进一步利用浓度梯度对气体异常源的位置进行追踪。

2、然而，管廊内部通常分布有大量管道、支架及其他设施，空间狭长且遮挡关系复杂；气体在管廊内扩散时容易受到障碍物以及通风气流的共同影响，气流经过障碍物后可能产生偏转、回流及旋涡，使泄漏气体在局部区域聚集或被分割为多个不连续的浓度团块。因此，实际气体浓度分布往往并非连续、平滑地随距离异常源的远近发生变化，而可能表现出明显的碎片化特征。机器人经过旋涡或局部气体聚集区域时，即使该区域并非真实异常源附近，也可能检测到较高的气体浓度，从而对后续异常位置判断产生干扰；与此同时，气体传感器通常具有一定的响应时间和恢复时间。当巡检机器人连续经过浓度差异较大的区域时，传感器输出值可能无法及时跟随实际环境浓度变化。例如，机器人驶离局部高浓度区域后，传感器仍可能在一定时间内保持较高读数，产生由响应延迟引起的数值拖尾。该数值拖尾与管廊内本身存在的浓度突变相互叠加，使采集到的气体浓度难以准确反映机器人当前位置的真实气体环境状态；因此，在具有复杂障碍遮挡和局部旋涡气流的管廊环境中，仅依据原始气体浓度或局部浓度变化进行环境参数监测，容易受到浓度碎片分布及传感器响应延迟的共同影响，进而出现异常高浓度区域与真实气体异常源混淆的问题，降低异常源位置判断以及环境参数监测结果的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供管廊巡检机器人的环境参数监测方法、系统及存储介质，解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：管廊巡检机器人的环境参数监测方法，包括：

3、s1、获取管廊巡检机器人搭载的激光雷达与气体传感器在管廊巡检过程中同步采集的、并按相同采样时刻建立空间对应关系的管廊现场空间点云与第一气体浓度序列；

4、s2、根据管廊现场空间点云提取管廊内的障碍遮挡特征，确定气流旋涡区域的空间边界；

5、s3、针对气流旋涡区域的空间边界内的第一气体浓度序列进行滑动窗口方差计算，得到浓度分布特征矩阵；

6、s4、若浓度分布特征矩阵中的最大元素大于预设的方差阈值，则判定气流旋涡区域的空间边界内存在碎片分布现象；

7、s5、从存在碎片分布现象的气流旋涡区域的空间边界中提取相邻采样时刻的第一气体浓度序列的浓度突变差值；

8、s6、若浓度突变差值超过预设的突变阈值，则确定第一气体浓度序列存在响应延迟引发的数值拖尾；

9、s7、采用卡尔曼滤波算法对存在数值拖尾的第一气体浓度序列进行状态估计与去噪处理，获得第二气体浓度序列；

10、s8、通过提取第二气体浓度序列的空间梯度特征及气流旋涡区域的空间边界的几何中心距离，构建源头特征向量；

11、s9、采用支持向量机对源头特征向量进行高维空间映射与分类处理，确定管廊内气体环境参数异常源的真实源头坐标，并将真实源头坐标作为管廊巡检机器人的环境参数监测结果。

12、优选的，所述s1包括获取原始点云与浓度序列，所述原始点云与浓度序列由管廊巡检机器人搭载的激光雷达与气体传感器在管廊巡检过程中同步采集生成；根据原始点云与浓度序列进行时间戳对齐处理得到对齐序列；对对齐序列建立空间对应关系得到映射序列；判断映射序列是否存在数据空洞；若映射序列存在数据空洞，则通过空间插值拟合算法对数据空洞进行补全处理获得管廊现场空间点云与第一气体浓度序列。

13、优选的，所述s2包括获取管廊现场空间点云并提取表面法线及曲率特征；根据表面法线及曲率特征提取障碍遮挡特征，所述障碍遮挡特征包含遮挡轮廓；根据遮挡轮廓提取流速梯度矩阵；若流速梯度矩阵满足预设的阈值，则确定旋涡中心；根据旋涡中心生成边界坐标，根据边界坐标确定气流旋涡区域的空间边界。

14、优选的，所述s3包括获取气流旋涡区域的空间边界内的采样节点，根据采样节点提取第一气体浓度序列；通过滑动窗口截取第一气体浓度序列，得到局部浓度子序列；针对局部浓度子序列进行方差计算，得到局部离散程度数值；根据局部离散程度数值构建浓度分布特征矩阵。

15、优选的，所述s4包括针对浓度分布特征矩阵进行提取，得到矩阵最大元素；针对矩阵最大元素与预设的方差阈值进行比对，得到阈值比对结果；若阈值比对结果指示矩阵最大元素大于预设的方差阈值，则生成边界异常标识；根据边界异常标识判定气流旋涡区域的空间边界内存在碎片分布现象。

16、优选的，所述s5包括获取气流旋涡区域的空间边界内对应的第一气体浓度序列；对第一气体浓度序列进行差分运算获得浓度梯度向量；针对浓度梯度向量进行特征提取得到差值特征集合；判断差值特征集合的特征数值是否大于预设的突变阈值；若特征数值大于预设的突变阈值，则从空间边界中提取相邻采样时刻的第一气体浓度序列的浓度突变差值。

17、优选的，所述s6包括若浓度突变差值超过预设的突变阈值，则提取对应的相邻采样时刻构建延迟响应区间；根据延迟响应区间对第一气体浓度序列进行截取，得到浓度衰减特征序列；根据浓度衰减特征序列获取拖尾持续时长及差值波动幅度以构建拖尾判定条件；若浓度衰减特征序列满足拖尾判定条件，则确定第一气体浓度序列存在响应延迟引发的数值拖尾。

18、优选的，所述s7包括获取存在数值拖尾的第一气体浓度序列，根据第一气体浓度序列构建状态转移矩阵与观测矩阵；采用状态转移矩阵与观测矩阵生成先验状态估计序列；若通过先验状态估计序列计算的系统噪声协方差大于预设阈值，则根据观测噪声协方差确定卡尔曼增益矩阵；采用卡尔曼增益矩阵对先验状态估计序列进行去噪处理，获得第二气体浓度序列。

19、优选的，所述s8包括获取第二气体浓度序列，对第二气体浓度序列进行重构处理，获得浓度分布矩阵，提取浓度分布矩阵的空间梯度特征；根据空间梯度特征判定气流旋涡区域，获取气流旋涡区域的空间边界并计算边界质心位置；通过边界质心位置计算空间边界的几何中心距离；根据空间梯度特征及几何中心距离构建源头特征向量。

20、优选的，所述s9包括采用支持向量机对源头特征向量进行高维空间映射处理，得到高维特征空间；根据高维特征空间提取特征分布矩阵，通过特征分布矩阵确定决策边界超平面并进行分类处理，获得异常分类标签；若异常分类标签指示为异常源，则提取异常源对应的空间坐标网格；解析空间坐标网格确定真实源头坐标，将真实源头坐标作为管廊巡检机器人的环境参数监测结果。

21、管廊巡检机器人的环境参数监测系统，用于实现所述的管廊巡检机器人的环境参数监测方法的步骤，所述系统包括：

22、数据获取模块，获取管廊巡检机器人搭载的激光雷达与气体传感器在管廊巡检过程中同步采集的、并按相同采样时刻建立空间对应关系的管廊现场空间点云与第一气体浓度序列；

23、旋涡区域确定模块，根据管廊现场空间点云提取管廊内的障碍遮挡特征，确定气流旋涡区域的空间边界；

24、浓度特征计算模块，针对气流旋涡区域的空间边界内的第一气体浓度序列进行滑动窗口方差计算，得到浓度分布特征矩阵；

25、碎片分布判定模块，若浓度分布特征矩阵中的最大元素大于预设的方差阈值，则判定气流旋涡区域的空间边界内存在碎片分布现象；

26、浓度突变提取模块，从存在碎片分布现象的气流旋涡区域的空间边界中提取相邻采样时刻的第一气体浓度序列的浓度突变差值；

27、数值拖尾判定模块，若浓度突变差值超过预设的突变阈值，则确定第一气体浓度序列存在响应延迟引发的数值拖尾；

28、浓度滤波模块，采用卡尔曼滤波算法对存在数值拖尾的第一气体浓度序列进行状态估计与去噪处理，获得第二气体浓度序列；

29、源头特征构建模块，通过提取第二气体浓度序列的空间梯度特征及气流旋涡区域的空间边界的几何中心距离，构建源头特征向量；

30、异常源定位模块，采用支持向量机对源头特征向量进行高维空间映射与分类处理，确定管廊内气体环境参数异常源的真实源头坐标，并将真实源头坐标作为管廊巡检机器人的环境参数监测结果。

31、一种计算机可读存储介质，其上存储于计算机指令，当计算机指令运行时执行所述的管廊巡检机器人的环境参数监测方法。

32、由上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

33、该管廊巡检机器人的环境参数监测方法、系统及存储介质，通过将激光雷达采集的管廊现场空间点云与气体传感器采集的气体浓度序列按照相同采样时刻建立空间对应关系，结合管廊内障碍遮挡特征确定气流旋涡区域，并利用浓度分布特征判断旋涡区域内的气体浓度碎片分布现象，从而降低由管道、支架等障碍物及局部旋涡气流引起的异常高浓度区域对监测结果的干扰；进一步根据相邻采样时刻的浓度突变识别气体传感器响应延迟造成的数值拖尾，并通过状态估计与去噪处理获得更能够反映当前空间位置实际气体浓度状态的第二气体浓度序列，在此基础上结合气体浓度的空间梯度特征及其与旋涡区域几何中心的距离构建源头特征向量，并对源头特征向量进行分类处理，以确定管廊内气体环境参数异常源的真实源头坐标，从而减小浓度碎片化和传感器响应延迟对异常源判断的共同影响，提高复杂管廊环境下气体环境参数监测及异常源定位的准确性和可靠性。