针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人

1.本专利属于环境监测及环境参数(例如：voc、颗粒物、风速风向、温湿度等)场重建领域，特别涉及针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人。


背景技术：

2.在现代社会中，人们有大约90％以上的时间在室内度过。所以环境参数(例如：温湿度、颗粒物和voc浓度等)与室内人员的舒适和健康密切相关。同时，一些有毒、易燃和易爆的危险物质在空气中的传播甚至会危害人的生命安全。因此有效实现室内环境监测和多环境参数场重建对于保障室内空气品质、控制病菌传播、应对生化恐怖袭击、处置危险物质泄漏等均具有重要意义。以浓度场为例，通过采集环境中的浓度参数绘制浓度分布图，可以在排灾减灾中辅助定位泄漏源，在灾害救援中为救援人员规划搜救路线提供依据，指导救援人员避开高浓度区域，免受二次伤害。
3.监测并重建室内环境参数场最直接的方法是通过在空间中部署传感器网络，但这种方式具有很多局限性：采集室内环境参数的传感器比较昂贵，难以在室内环境中大规模布置；当传感器在室内密集布置时，节点较多，灵活性较差，传感器的维护和校准工作也较为繁琐，并且传感器网络固定的拓扑结构难以和多变的室内环境参数场相匹配，导致此类方法受到规模和适应性的使用限制。
4.与固定传感器网络相比，采用搭载传感器的移动机器人对环境参数场监测和重建具有显著优势： (1)采集参数的范围更广，对于空间的解析度更高；(2)机器人能够凭借灵活的移动能力，搭载少量传感器就可以采集环境中多个点的参数，从而避免繁琐的传感器校准工作；(3)对于环境的实时适应能力强，能够根据环境变化进行调整。
5.前期，课题组发明了一种“针对室内危险物质泄漏及空气污染的三维溯源机器人”，专利公开号为cn112238438a。与之相比，首先本发明提出的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人在机器人结构上具有较大差异。并且本文明主要用于室内环境参数的移动采集及其空间分布量化。本发明的目的在于自主开发一种能够实现在复杂的真实室内环境中自主巡检，实时采集室内不同高度处的多种环境参数，并动态更新室内环境参数分布的场重建机器人
6.在实际的室内场景中，由于室内人员活动、空调系统的不同气流组织形式造成环境中流场的高度湍流化，使得环境参数在空间中不同高度上的分布是不均匀的，具有较大差异。为了捕捉环境参数在不同高度上的分布差异，需要一种符合环境参数三维分布结构的、能够实时重建和监测不同高度的环境参数场的自主移动平台。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于自主开发一种能够实现在复杂的真实室内环境中自主巡检，实时采集室内不同高度处的多种环境参数，并动态更新室内环境参数分布的场重建机器人。本发明依托于微型电脑中的ros开发环境协调机器人中的各执行机构工作，实现机器人在
室内空间中自主巡检，并把室内空间中实时采集的多种环境参数(例如：voc、颗粒物、风速风向、温湿度等)和风信息(风速、风向)与机器人的自主定位相融合。最后，通过运行于微型电脑内的场重建算法(用于构建环境参数的空间分布的方法)动态更新室内空间中的环境参数场。
8.本发明的目的通过如下技术方案实现：针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人，其特征在于包括机器人移动机构、供电模块、支撑机构、数据采集模块。
9.所述机器人移动机构作为机器人的移动平台，用于移动、自主定位、避障、路径规划以及与外部设备信息交互，其中包括移动底盘、微型电脑、激光测距雷达和wifi模块；所述移动底盘内置芯片和slam算法，为机器人提供自主定位和路径规划；所述微型电脑用于向机器人其他执行机构下达指令，并接收其他模组采集到的数据信息并汇总，信息包括：移动底盘的位置信息、风信息监测模组采集的风速风向信息、环境参数浓度监测模组采集到的环境参数浓度信息。此外，所述微型电脑提供了场重建算法的运行环境；所述激光测距雷达扫描室内环境获得点云数据与所述的移动底盘内的slam算法配合实现移动避障和定位；所述wifi模块提供一个随机器人移动的局域网，实现外部设备与微型电脑进行信息交互。
10.所述机器人的供电模块用于为机器人各机构提供能源，其中包括第一外部电源和第二外部电源；所述第一外部电源用于直接为机器人移动机构、微型电脑供电，间接为环境参数浓度监测模组控制模块与环境参数浓度监测模组供电；所述第二外部电源用于直接为风信息监测模组和wifi模块供电。
11.所述支撑机构用于构成所述场重建机器人垂直方向上的外形框架，其中包括支撑杆和支撑板；所述支撑板和支撑杆通过螺杆相互连接，并安装于移动底盘上，便于固定不同高度的风信息监测模组和环境参数浓度监测模组来采集不同空间高度的风信息和环境参数浓度信息。
12.所述数据采集模块用于采集空间中的风信息和多种环境参数的浓度信息；其中包括环境参数浓度监测模组控制模块、风信息监测模组和环境参数的浓度监测模组；所述环境参数浓度监测模组控制模块用于为环境参数浓度监测模组供电，并为环境参数浓度监测模组的驱动程序提供运行环境，接收环境参数浓度监测模组采集到的环境参数浓度信息，并反馈给微型电脑；所述风信息监测模组用于采集室内复杂的真实环境下的风速和风向信息，并反馈给微型电脑；所述环境参数浓度监测模组采集环境中的多种环境参数的浓度信息，并反馈给环境参数浓度监测模组控制模块。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
14.图1：本发明的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人的结构示意图；
15.图2：本发明的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人的工作流程图。
16.附图标记：
17.1-移动底盘、2-第一外部电源、3-微型电脑、4-激光测距雷达、5-第二外部电源、6-wifi模块、7-环境参数浓度监测模组控制模块、8-支撑板、9-支撑杆、10-风信息监测模组、11-环境参数的浓度监测模组；
具体实施方式
18.本发明自主设计了针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人，该发明在室内空间内自主巡航，采集空间上不同高度的环境参数数值，利用运行于微型电脑内的场重建算法对采集到的时空离散的环境参数数据进行解析，找到时空离散的采样数据之间的关联，从而将采样数据外推到未采样的空间位置和时间点，随着机器人的移动实时的更新室内空间中的环境参数场。
19.为了更好地理解按照本发明方案的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人，下面结合本发明实例中的附图，对本发明的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人实施的技术方案进行详细的描述。
20.本发明实施例提供的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人，准备工作包括：打开第二外部电源5并启动wifi模块6建立局域网；打开第一外部电源2并启动移动底盘1和微型电脑3，等待微型电脑自动连入局域网；打开外部设备连入局域网与微型电脑建立通信，以便于从外部设备操纵机器人；通过外部设备控制微型电脑3启动移动底盘1内置的slam算法和激光测距雷达4，构建室内地图并对机器人所处的位置实时定位；通过外部设备指令控制微型电脑3启动风信息监测模组10和环境参数的浓度监测模组11，采集到的风信息(风速、风向)和环境参数浓度值反馈给微型电脑3；通过外部设备控制微型电脑3运行场重建算法，实现机器人移动采样和实时更新室内空间中的环境参数场。
21.本发明实施例提供的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人，连接流程包括：所述移动底盘1通过数据传输线与微型电脑3连接；所述第一外部电源2通过电源线分别与移动底盘1和微型电脑3相连；所述第二外部电源5通过电源线分别与风信息监测模组10和wifi模块6相连；所述风信息监测模组10的数据传输线连接微型电脑3；所述激光测距雷达4通过数据传输线与微型电脑3连接；所述环境参数浓度监测模组控制模块7通过数据传输线与微型电脑3连接；所述环境参数浓度监测模组11与环境参数浓度监测模组控制模块7通过数据传输线相连接；所述wifi模块 6通过无线信号与微型电脑3建立连接。
22.本发明实施例提供的针对室内三维多环境参数场重建的移动机器人，使用方法包括：通过外部设备控制微型电脑3启动各机器人机构模块后，运行场重建算法，此时所述场重建机器人按照场重建算法在室内环境中移动采集空间中的环境参数浓度信息和风速风向信息，并解析获得的时空离散的采样数据之间的关联，通过外推的方式，获得未采样的空间位置和时间点处的环境参数浓度信息，从而随着机器人的移动采样实时的更新室内空间中的环境参数场。
23.以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。