一种阀厅消防机器人自动导航及避障方法和装置与流程

1.本发明属于机器人导航定位技术领域，具体用于在消防机器人领域，具体涉及一种阀厅消防机器人自动导航及避障方法，还涉及一种阀厅消防机器人自动导航及避障装置。


背景技术：

2.变压器、换流变等大型充油设备作为我国特高压输电核心构成，是电力传输的重要载体，一旦发生火灾事故，不仅仅会造成变电站电力传输与使用的中断，影响电力供应能力，同时会造成巨大的经济损失。根据安装要求，换流变本体需要被布置在阀厅外，网侧套管在阀厅外与交流系统连接；阀侧套管需要穿过阀厅的防火封堵墙后与阀厅内的阀组连接，换流变阀侧套管升高座需要插入阀厅内。为便于换流变安装就位，需要在阀厅防火墙进换流变阀侧套管位置预留有孔洞，换流变安装就位后再对上述孔洞进行封堵。但是，当换流变发生火灾后，上述孔洞往往会被烧穿，从而使火灾蔓延至阀厅内部，并迅速大面积引燃，造成难以估量的经济损失。
3.因此，当前投入运用了一些灭火机器人，但这些机器人大多为手动控制机器人或轨道式机器人，手控机器人的自动化程度较低，降低了灭火效率，而轨道式机器人则需要对阀厅环境进行改造，此外，导轨铺设完成后若发生阀厅环境改变，则导轨需要重新设计更新，增加了成本，且缺乏移动的灵活性。
4.常规室内激光雷达导航方法应用在扫地机器人等场景较多，并不适用于阀厅消防灭火场景中，其缺陷主要包括以下几个方面：其一，感知方面。该方法不具备空间障碍物的感知能力，其往往采用单线激光雷达构建场景地图，无法实现对于阀厅空间障碍物（例如空中悬挂的套管等）的感知。尤其对于具有高度和大体积的阀厅消防灭火机器人，空间感知功能的缺失会增加机器人碰撞设备的可能性，威胁设备安全；其二，定位方面。对于常规slam的导航方法来讲，阀厅环境相对单调，场景特征不足，该方法的定位可靠性会严重降低。这种缺点，在机器人进行冷启动的情况下更为突出，在冷启动情况下，激光雷达slam初定位并不能快速得到机器人准确位姿，机器人需要移动以逐步矫正位姿，对阀厅设备安全产生巨大威胁；其三，导航方面。常规室内slam导航采用的dwa导航方法向后行驶采用掉头，面对障碍物进行绕行，且转向控制较多，由于阀厅机器人体积大，且后面拖有较为沉重的水管及线缆， 此类方法并不能很好地适用。
5.为了解决此类问题，有必要开展轮式的阀厅消防机器人自动导航及避障方法的研究，实现对机器人的灵活控制及对火焰的快速反应。通过完全自动化的场景地图构建、自动定位及导航，替代低效的手动控制，减少值班员的工作量，灵活高效地实现自动灭火。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种阀厅消防机器人自动导航及避障方法，解决的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案。
8.第一方面，本发明提供了一种阀厅消防机器人自动导航及避障方法，包括以下过程：获取阀厅场地中机器人作业待机点的uwb坐标，并将此uwb坐标作为阀厅场地的二维栅格地图的原点坐标；获取机器人在阀厅场地移动过程中的里程计数据及包含空间障碍物的二维激光雷达点云数据，构建阀厅场地的二维栅格地图；响应于灭火请求，获取目标点在二维栅格地图中坐标；获取作业起点的uwb坐标，基于作业起点的uwb坐标和二维栅格地图的原点坐标，计算得到作业起点在二维栅格地图的坐标；对二维栅格地图中作业起点到目标点的路径进行规划，得到对应的规划路径；在机器人沿规划路径移动过程中，若判断行进方向有障碍物且此障碍物对应的代价大于设定阈值，则等待消除障碍物后继续沿规划路径向目标点移动。
9.进一步的，还包括：在机器人返程时以待机作业点为目标点进行路径规划，获得对应的规划路径，以供机器人沿规划路径倒向返回。
10.进一步的，还包括：在机器人沿规划路径移动过程中，通过amcl定位模块基于里程计数据及二维激光雷达数据进行定位。
11.进一步的，所述获取阀厅场地中机器人作业待机点的uwb坐标，包括：采用uwb传感器组件来获取阀厅场地中机器人作业待机点的uwb坐标，所述uwb传感器组件包括多个基站和uwb标签，所述基站放置在阀厅场地的四角，所述uwb标签放置于机器人上。
12.进一步的，所述构建阀厅场地的二维栅格地图，包括：采集机器人前向的多线激光雷达点云数据，通过立体空间垂直平面投影方式转为二维激光点云数据；采集里程计数据及imu数据，通过ekf算法融合得到融合后的里程计数据；基于融合后的里程计数据及二维激光雷达点云数据，通过slam算法构建阀厅场地的二维栅格地图。
13.进一步的，所述对二维栅格地图中作业起点到目标点的路径进行规划，包括：利用a*算法对二维栅格地图中作业起点到目标点的路径进行全局路径规划，获得作业起点到目标点的全局规划路径；利用ftc算法对全局规划路径中的点作为局部目标进行局部路径规划，获得对应的局部规划路径。
14.进一步的，所述障碍物对应的代价的计算过程为：在二维栅格地图中截取机器人周边区域的局部栅格地图作为局部静态层，并在局部静态层上叠加车道层和障碍物层；根据每个栅格到障碍物的距离确定每个栅格的代价值；基于机器人当前位置到障碍物之间所有栅格的代价值，计算得到障碍物对应的代
价。
15.第二方面，本发明还提供了一种阀厅消防机器人自动导航及避障装置，包括：地图原点定位模块，用于获取阀厅场地中机器人作业待机点的uwb坐标，并将此uwb坐标作为阀厅场地的二维栅格地图的原点坐标；地图构建模块，用于获取机器人在阀厅场地移动过程中的里程计数据及包含空间障碍物的二维激光雷达点云数据，构建阀厅场地的二维栅格地图；目标点获取模块，用于响应于灭火请求，获取目标点在二维栅格地图中坐标；导航初定位模块，用于获取作业起点的uwb坐标，基于作业起点的uwb坐标和二维栅格地图的原点坐标，计算得到作业起点在二维栅格地图的坐标；路径规划模块，用于对二维栅格地图中作业起点到目标点的路径进行规划，得到对应的规划路径；空间避障模块，用于在机器人沿规划路径移动过程中，若判断行进方向有障碍物且此障碍物对应的代价大于设定阈值，则等待消除障碍物后继续沿规划路径向目标点移动。
16.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：1）通过多线激光雷达、imu、里程计多种传感器数据融合，实现对阀厅场景的立体感知，通过gmapping建图节点采用slam算法构建含有空间障碍物的高精二维地图；能够减少碰撞障碍物的可能性。
17.2）利用uwb技术实现精准初定位，激光雷达、imu、里程计传感融合数据的amcl模块实现机器人的高精度移动定位；3）全局路径规划采用a*算法规划合理最短路径，局部路径规划利用ftc算法，使阀厅机器人能实现平滑的前进后退路径规划；4）通过多线激光雷达和超声波传感器感知障碍物，并通过判断障碍物的代价来确定是否停止行进，等待消除障碍物后继续沿规划路径向目标点移动，实现对空间的障碍物避障。
附图说明
18.图1是本发明方法的流程图；图2是本发明方法中建图的具体流程图；图3是本发明方法中导航及避障的具体流程图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.实施例1本发明的一种阀厅消防机器人自动导航及避障方法，参见图1所示，包括以下步骤：步骤1：获取机器人在阀厅场地的作业待机点坐标，并将作业待机点坐标作为阀厅场地二维栅格地图的原点坐标。
21.阀厅场地一般都为长方形，在本发明实施例中均按照长方形场景来描述。本发明中通过部署uwb传感器组件来感知机器人阀厅场地的位置。其中，uwb传感器组件包括四个基站和一个uwb标签，其中四个基站放置在阀厅场地四角用来框定场地范围和方向，在uwb地图中，x轴方向对应阀厅场地的短边方向，y轴对应长边方向。uwb标签放置于移动物体（阀厅消防机器人）上，uwb标签在四个基站围成的地图范围内移动，可以实时得到uwb标签的uwb坐标。
22.在uwb传感器组件布置完成后，将机器人移动到作业待机点（即在场地中规定的停靠点），得到机器人作业待机点的uwb坐标。该作业待机点会作为建图过程的起点，建图完成后也是二维栅格地图的原点。因此作业待机点的uwb坐标也是二维栅格地图的原点坐标。
23.步骤2：对二维栅格地图原点确认后，构建整个阀厅场景的二维栅格地图。
24.采集里程计数据及二维激光雷达点云数据，通过gmapping建图节点来构建整个阀厅场景的二维栅格地图。
25.参见图2所示，具体构建过程为：首先，启动安装在机器人车头的360度全向十六线激光雷达，因场景中机器人高度范围内的空间障碍物都会对机器人行进产生不良影响，且后向180度会扫描到机器人自身车体产生干扰，故需激光信息滤波节点对采集到的激光雷达数据进行滤波处理，得到机器人的前向180度与机器人等高高度的点云。在激光雷达放置高于地面1.2米且y轴（y轴在雷达上有标明）朝车体前方的前提下，过滤的方法为只采用y坐标大于零，z坐标大于地面z坐标且小于机器人高度z坐标的激光点云数据，即满足y>0且
‑
1.2<z<2.5。
26.此外，因构建二维栅格地图需要的是二维平面激光数据，因此再通过立体空间垂直平面投影（将全部点云的z坐标变为0）的方式转为二维激光点云数据作为gmapping建图节点和amcl定位节点的输入，以保证对场景信息描述的全面完整。
27.之后，robot_pose_ekf节点将里程计数据及imu（惯性传感器）数据通过ekf算法融合为更精准的里程计数据以作为gmapping建图节点的输入。
28.最后，gmapping建图节点基于里程计数据及二维激光雷达点云数据采用slam算法实时构建阀厅场景的二维栅格地图。二维栅格地图建成后需人工调参处理，将地图的方向和uwb传感器组件中定义的xy轴方向设定为一致，完成建图过程。
29.步骤3：在完成建图的基础上，响应于灭火请求，进行机器人定位与导航功能。
30.机器人通过无线传输的方式接收到远程控制室中操作人员在平板或基站手动确认的灭火请求以及二维栅格地图中灭火目标点坐标后，机器人开启定位、导航及避障功能，具体处理过程参见图3所示。
31.首先进行机器人初定位。获得当前位置（作为作业起点）的uwb坐标，并将当前位置的uwb坐标和作业待机点（也即二维栅格原点）的uwb坐标作差对比，因uwb坐标位置差和二维栅格地图坐标位置差是等比例同方向的，因此基于uwb坐标差值，可获得当前位置的二维栅格地图坐标，完成机器人的作业起点初定位。以解决机器人在场景随机位置重启导航功能而无法准确初定位的困难。而现有技术中，机器人无论在场地内的任何地点重开导航功能，机器人起始位置都会重定位在栅格地图原点即待机作业点，与机器人实际作业起点位置不匹配以致初定位错误。
32.其后，进行全局路径规划。利用a*算法计算出二维栅格地图中初定位点与目标点
的最短目标路径。例如操作人员可按照历经所有灭火点、拐弯少的要求规划一条可行路线，并通过手持遥感控制器控制机器人沿该灭火路径移动。
33.最后，在全局路径规划完成的基础上，利用ftc（follow the carrot，跟随萝卜算法）算法进行局部路径规划，该算法适用于差分底盘机器人，通过将全局路径中的点作为局部目标进行动态跟随，使机器人尽可能地贴合全局规划路径。ftc算法将计算的速度及方向传输向运动模块执行。ftc对于前后方向的处理没有区分，此特性可使灭火作业完成后，以待机作业点为导航目标时，机器人沿灭火路线倒向返回，从而避免机器人因调头影响碾压到尾部拖动的水管线和电线。
34.此后的导航移动过程中，amcl（自适应蒙特卡洛定位）定位模块通过接收里程计数据及二维激光雷达数据，可输出准确的机器人定位。
35.步骤4：在路径规划合理的基础上，需要实现避障功能。
36.该功能重点通过代价地图实现，具体过程是全局路径规划模块可在二维栅格地图中截取机器人周边区域的局部栅格地图作为局部静态层，局部栅格地图是以机器人为中心的正方形地图，设定的截取范围应包含机器人的占地范围，将截取的局部静态地图叠加不同的层次的地图，包括车道层和障碍物层，车道层通过步骤2中描述的手动配置，而障碍物层则将激光雷达和超声波传感器采集到的障碍物信息反应在地图上，实时变化。在二维栅格地图的基础上，局部代价地图由多个层次叠加并根据每个栅格距离障碍物的远近为每个栅格赋予不同的代价值而生成。由于阀厅机器人体积大且后面拖有较为沉重的水管及线缆，当机器人行进方向障碍物对应的代价（机器人到障碍物之间所有栅格的代价值总和）大于设定阈值的情况下，避障模块会命令机器人停止（非绕行），并将当前状态反馈到控制室的基站或手持平板上，等待人工消除障碍后再继续行进至目标。这样机器人可以灵活实现障碍物的躲避。
37.本发明通过激光雷达、imu、里程计多种传感器融合，实现对阀厅场景的立体感知，通过gmapping建图节点采用slam算法构建含有空间障碍物的高精二维地图；利用uwb技术实现精准初定位，激光雷达、imu、里程计传感融合数据的amcl模块实现机器人的高精度移动定位；全局路径规划采用a*算法规划合理最短路径，局部路径规划利用ftc算法，使阀厅机器人能实现平滑的前进后退速度控制，避障模块结合多线激光雷达和超声波传感器，实现对空间的障碍物避障。
38.实施例2基于与实施例同样的发明构思，本发明的一种阀厅消防机器人自动导航及避障装置，包括：地图原点定位模块，用于获取阀厅场地中机器人作业待机点的uwb坐标，并将此uwb坐标作为阀厅场地的二维栅格地图的原点坐标；地图构建模块，用于获取机器人在阀厅场地移动过程中的里程计数据及二维激光雷达点云数据，构建阀厅场地的二维栅格地图；目标点获取模块，用于响应于灭火请求，获取目标点在二维栅格地图中坐标；导航初定位模块，用于获取作业起点的uwb坐标，基于作业起点的uwb坐标和二维栅格地图的原点坐标，计算得到作业起点在二维栅格地图的坐标；路径规划模块，用于对二维栅格地图中作业起点到目标点的路径进行规划，得到
对应的规划路径；空间避障模块，用于在机器人沿规划路径移动过程中，若判断行进方向有障碍物且此障碍物对应的代价大于设定阈值，则等待消除障碍物后继续沿规划路径向目标点移动。
39.本发明装置的各模块具体实现方案参见实施例1方法的步骤处理过程。
40.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
41.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
42.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
43.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
44.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。