探測機(jī)器人煤礦井下地圖創(chuàng)建
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礦井是一種人工開采的地下建筑結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)狀狹長巷道為體，主要包括主副井、通風(fēng)井、大巷、皮帶運(yùn)輸巷、采煤工作面等具有不同結(jié)構(gòu)、路面和環(huán)境特征的結(jié)構(gòu)單元。
井下探測機(jī)器人主要是對井下的各種巷道進(jìn)行探測與環(huán)境參數(shù)采集，這些巷道首先是具有不同的路面特征，呈現(xiàn)出路面情況的復(fù)雜性和多樣性，如水泥路面等結(jié)構(gòu)化平整路面，起伏不平但表面堅硬的土質(zhì)路面，沙地，階梯，鐵軌，泥濘路面以及因開采施工等因素對方的雜物組成的更加復(fù)雜的地形條件等等。因此，用于井下機(jī)器人導(dǎo)航的環(huán)境地圖，首先需要能夠較為準(zhǔn)確的表達(dá)出這些地形情況的起伏度、坡度等基本信息，從而使機(jī)器人可以在這種非平整路面環(huán)境下通過可通過性分析等手段完成基本的路徑規(guī)劃任務(wù)。
其次，由于井下各種巷道的結(jié)構(gòu)條件以及巷道內(nèi)設(shè)備、物料等堆放物以及自然形成的各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)多種多樣，其現(xiàn)場既存在確定性、結(jié)構(gòu)化的特征，也存在不確定、非結(jié)構(gòu)化的特征。在這些特征當(dāng)中，有些是可以作為導(dǎo)航、定位的特征區(qū)域或特征點(diǎn)來使用的，如鐵軌、巷道的交叉口、階梯等；有些則是在遠(yuǎn)程操作或自主路徑規(guī)劃中需要躲避的可能對機(jī)器人本身造成傷害的危險區(qū)域或危險環(huán)境，如較深的積水、泥潭等。因此，如何對可利用的結(jié)構(gòu)化的特征以及可能對機(jī)器人造成傷害的特征進(jìn)行有效的識別與定位，并將這些目標(biāo)的分類、危險程度、穿越或翻越的可能性及代價等信息在地圖上進(jìn)行表示，也是在井下機(jī)器人地圖創(chuàng)建過程中的一個重要的目標(biāo)。在本節(jié)接下來的內(nèi)容里，將分別分析煤礦井下典型區(qū)域中各種人工或地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地形特征及其可能對井下機(jī)器人導(dǎo)航產(chǎn)生的影響。
大巷是地下采礦時，為采礦提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、動力供應(yīng)等而掘進(jìn)的通道。一般情況下煤礦大巷內(nèi)結(jié)構(gòu)化的環(huán)境特征比較明顯，路面情況也比較好，多以平坦堅硬的路面為主，偶爾有階梯或其他物料堆積物。因而，大巷對于井下機(jī)器人來說其導(dǎo)航的條件是比較理想的。
巷道交叉口，巷道交叉口一般為“Y”型結(jié)構(gòu)，少數(shù)也有“+”型結(jié)構(gòu)，對于交叉口的識別是井下導(dǎo)航一個非常實(shí)用的功能，可以用于局部地圖與先驗的井下拓?fù)涞貓D的融合，使局部路徑規(guī)劃與全局路徑規(guī)劃結(jié)合起來。
鐵軌是井下常見的一種結(jié)構(gòu)特征，作為井下機(jī)器人來說，鐵軌既可以被操作員利用作為保持機(jī)器人航向操作的參考；也可以直接被機(jī)器人的感知系統(tǒng)所采集并作為結(jié)構(gòu)化特征為機(jī)器人的定位等任務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除此之外，由于在正常情況下，鐵軌因為經(jīng)常被維護(hù)從而基本不會有人為的堆放物或其他障礙物，因此在地形環(huán)境比較復(fù)雜的時候，在鐵軌中間行走不失為井下探測機(jī)器人一個理想的路徑規(guī)劃選擇。
階梯常出現(xiàn)在井底大巷或上下山巷道中，對于階梯結(jié)構(gòu)DEEC_II機(jī)器人有一套相對自主的攀爬模式，通過視覺引導(dǎo)的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在階梯上的姿態(tài)保持，這部分內(nèi)容將出現(xiàn)在論文的后續(xù)章節(jié)中。因此，如何準(zhǔn)確的識別階梯及其走向和坡度等信息，并存儲到井下地圖中，從而使機(jī)器人可以啟動階梯攀爬程序?qū)崿F(xiàn)自主攀爬，也是很有意義的。
在井下積水是非常普遍的，只是因為大多數(shù)的礦井都會有地下水的滲入，甚至?xí)捎诖笠?guī)模出水造成透水事故。這些積水區(qū)域有的只是淺淺的是一個小水坑，有的則很深。雖然DEEC_II機(jī)器人本體是按照IP67進(jìn)行設(shè)計的，其本體可以在不超過1米的水下短時間工作，但機(jī)器人所攜帶的環(huán)境氣體探測器等設(shè)備卻由于必須與空氣接觸而需要暴露在外面，這些設(shè)備進(jìn)水將造成其不可修復(fù)性損壞。對積水深度的判斷是比較復(fù)雜的一件事，這在很大程度上需要借助操作員本人的經(jīng)驗來實(shí)現(xiàn)判斷。對于機(jī)器人來說，較大面積的積水則由于其情況不明作為路徑規(guī)劃中具有潛在威脅的目標(biāo)來對待。
泥濘的路面環(huán)境在井下也是非常普遍的，履帶式移動機(jī)器人對泥濘道路具有一定的適應(yīng)能力，但對于大面積過度飽和的泥濘路面，特別是具有一定深度的泥潭，將會使機(jī)器人深陷其中，從而無法繼續(xù)完成探測任務(wù)。因此，機(jī)器人同樣需要能夠檢測較為飽和的大面積泥濘路面，并作為一種有危害的特征在井下地圖中進(jìn)行標(biāo)注。
綜上所述，無論是用于對操作員的遠(yuǎn)程操作進(jìn)行現(xiàn)場地形和環(huán)境信息的支持，還是作為移動機(jī)器人井下導(dǎo)航的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于井下地形環(huán)境的地圖不僅要具有描述井下復(fù)雜的不平整路面的能力，還應(yīng)該能夠進(jìn)一步描述一些典型的景物特征，如鐵軌、階梯、巷道交叉口、大面積泥濘、積水等。
2移動機(jī)器人常用地圖表達(dá)方式
移動機(jī)器人環(huán)境空間的表示方法主要包括幾何地圖(GeometricalMap)和拓?fù)涞貓D(TopologicalMap)兩大類。其中，柵格地圖(Grid-basedMap)和特征地圖(LandmarkMap)是比較常見的幾何地圖表達(dá)形式。這些地圖表示方法分別具有其各自的特點(diǎn)，因而被應(yīng)用于不同的場合，或者通過不同類型地圖的組合實(shí)現(xiàn)其環(huán)境空間更為適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)。
(l)柵格地圖
柵格地圖表示法最早由Moravec和Elfes于1985年提出，其原理是將環(huán)境分解成若干相同大小的柵格，每一單元代表環(huán)境的一部分，并包含一個表示該單元格被占據(jù)可能性的概率值。相比之下，柵格地圖易于創(chuàng)建、表示和維護(hù)，每個柵格單元的信息直接與環(huán)境對應(yīng)用于表示空閑或障礙物信息，因而方便聲納等低成本傳感器實(shí)現(xiàn)這種地圖的創(chuàng)建。借助于柵格地圖，機(jī)器人可以方便地完成自定位、路徑規(guī)劃等。柵格地圖是一種用于近似表達(dá)環(huán)境信息的地圖，它對特定感知系統(tǒng)的假設(shè)參數(shù)不敏感，因而具有較好的魯棒性。然而在大規(guī)模環(huán)境或環(huán)境復(fù)雜需要詳細(xì)劃分時，柵格數(shù)量將會增大，這就導(dǎo)致維護(hù)地圖所需的計算量增加從而導(dǎo)致地圖處理的實(shí)時性變差。然而從另一方面考慮，由于傳統(tǒng)的柵格地圖僅僅表達(dá)了相應(yīng)位置的“空閑”(可通過區(qū)域)或“占據(jù)”(障礙物區(qū)域)，因而更多的應(yīng)用于室內(nèi)或結(jié)構(gòu)化特征明顯的室外平整路面導(dǎo)航中，對于非平整路面或非結(jié)構(gòu)化特征很強(qiáng)的環(huán)境，傳統(tǒng)的柵格地圖就由于信息量不足而顯得無能為力了。
經(jīng)過眾多研究人員多年的努力，柵格地圖表示法也在不斷的發(fā)展和改進(jìn)當(dāng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，逐漸形成了四叉樹等改進(jìn)的模型結(jié)構(gòu)。Burgard采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后映射到地圖中。Angelo提出基于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的柵格概率計算方法，從而可以有效的減少傳感器鏡面反射、隨機(jī)性誤差等的影響。Ribo對Bayesian概率模型、D-S證據(jù)理論、模糊集三種算法更新柵格地圖模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析。針對非平整路面機(jī)器人導(dǎo)航問題，Moravec，Rankin等提出并應(yīng)用了多種形式的2.5D柵格地圖，進(jìn)而加強(qiáng)了柵格地圖的表達(dá)能力，解決了柵格地圖信息量不足的問題。
(2)特征地圖
特征地圖又稱為幾何特征地圖，它是通過機(jī)器人從環(huán)境的感知信息中提取更為抽象的幾何特征，這些特征由若干包含環(huán)境位置信息的特征組成，例如線段、角點(diǎn)、目標(biāo)邊緣、規(guī)則曲線、平面等均可作為地圖特征，這些特征通過特定的表達(dá)形式存儲在地圖中，并且易于被機(jī)器人觀測到，方便用于位置估計和目標(biāo)識別。幾何特征地圖也有著較為廣泛的應(yīng)用，如Ayache通過視覺傳感器獲取環(huán)境中的直線段信息作為特征，Ip等人通過對原始聲納數(shù)據(jù)的處理獲得線段信息作為特征，Choset等采用ATM模型精確提取環(huán)境中的點(diǎn)特征。多傳感器信息融合是提高特征檢測能力的重要手段，Castellanos對激光和攝像機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征級數(shù)據(jù)融合以提高識別準(zhǔn)確度。特征地圖缺點(diǎn)是特征的提取需要對感知信息作額外的處理，需要一定數(shù)量的感知數(shù)據(jù)才能得到結(jié)果，而且特征地圖的更新比柵格地圖復(fù)雜很多。
(3)拓?fù)涞貓D
拓?fù)涞貓D，首先由Kuipers在1978年提出，是一種緊湊的環(huán)境表示方法，通常以圖(Graph)的結(jié)構(gòu)形式表現(xiàn)一個環(huán)境的連通性。拓?fù)涞貓D描述法是對真實(shí)世界的一種近似描述，它并沒有一個明顯的尺度概念，而是選用一些特定的地點(diǎn)來描述環(huán)境空間信息。一般來說拓?fù)涞貓D把環(huán)境表示為帶節(jié)點(diǎn)和相關(guān)連接線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中節(jié)點(diǎn)表示環(huán)境中的重要位置，如墻角、門等有一定可檢測特征的結(jié)構(gòu)，拓?fù)涞貓D的邊表示節(jié)點(diǎn)之間的連接通道，如環(huán)境中的走廊、通道等。相對而言拓?fù)涞貓D非常便于實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，適用于基于行為的導(dǎo)航；而更大的優(yōu)勢在于，拓?fù)涞貓D可以直接使用諸多成熟高效的圖形搜索和推理算法;這種地圖以描述環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)，因而對環(huán)境沒有精確的位置要求；并且對存儲空間和計算資源要求相對較低，因此，基于拓?fù)涞貓D的計算效率較高。盡管拓?fù)涞貓D在很多方面具有優(yōu)勢，但它要求機(jī)器人可以準(zhǔn)確地觀測到拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，對拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的定義是拓?fù)涞貓D創(chuàng)建的難點(diǎn)，在很多情況下往往會造成節(jié)點(diǎn)定義的失敗；特別是在相似性較強(qiáng)的環(huán)境中，很容易使系統(tǒng)陷入節(jié)點(diǎn)混淆的狀態(tài)。因此，拓?fù)涞貓D對于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，特別是對于不是很復(fù)雜的大尺寸結(jié)構(gòu)化環(huán)境，是一種高效的表示方法。然而，對于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的識別將變得非常復(fù)雜從而使地圖創(chuàng)建的難度增大。拓?fù)涞貓D的節(jié)點(diǎn)定義一般采用三種方式:第一種是人為預(yù)定節(jié)點(diǎn)標(biāo)志的方式，第二種是特定位置法，即根據(jù)特定位置的環(huán)境信息定義節(jié)點(diǎn)。Kuipers采用爬山法尋找局部唯一特征點(diǎn)，利用外部傳感器感知的信息定義節(jié)點(diǎn)，第三種是傳感器的觀測數(shù)據(jù)的相似性特征進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定義，Nehmzow直接根據(jù)柵格直方圖信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定義。
井下環(huán)境是一個大尺度的空間環(huán)境，并且具有一定的先驗知識，這些先驗知識可以較為容易的轉(zhuǎn)換為以巷道口、巷道交叉點(diǎn)、井下重要設(shè)備或場所為節(jié)點(diǎn)的拓?fù)涞貓D。以這個地圖作為全局路徑規(guī)劃的拓?fù)涞貓D，可以初步規(guī)劃出機(jī)器人在井下當(dāng)前位置通往目的點(diǎn)進(jìn)行探測的全局路徑信息。但由于這些地圖僅僅提供了井下理想情況下的連通性信息，而實(shí)際的井下環(huán)境復(fù)雜多變，即使是很短的一段巷道的通行都需要一個包含有更加詳細(xì)信息的局部地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃。對這樣復(fù)雜的地形環(huán)境，本文提出一種能夠存儲和表達(dá)更加詳細(xì)信息的2.5D柵格地圖，用于表示地形及附著在地形以上的各種物體，從而為移動機(jī)器人路徑規(guī)劃提供更加充分的地圖信息。
3基于雙目視覺的井下2.5維柵格地圖創(chuàng)建
3.1一種2.5D柵格地圖
面對復(fù)雜的井下環(huán)境，探測機(jī)器人要想成功的實(shí)現(xiàn)井下探測中的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，不僅需要對地形環(huán)境的可靠感知，更需要對各種地形環(huán)境的準(zhǔn)確而全面的表達(dá)。在井下探測過程中，一個可靠的地形表達(dá)形式對于探測機(jī)器人能夠規(guī)劃出一條安全的路徑，并最終順利到達(dá)預(yù)設(shè)的目標(biāo)點(diǎn)起著至關(guān)重要的作用。一般來說，地形環(huán)境的表達(dá)主要依靠安裝于移動機(jī)器人本體上的具有測距功能的傳感器來實(shí)現(xiàn)，如激光掃描儀、毫米波雷達(dá)等設(shè)備，但這些設(shè)備或者體積較大或者價格昂貴；影像傳感器也是一種重要的感知器件，如可見光攝像機(jī)、多光譜攝像機(jī)、熱成像儀、偏振光相機(jī)等等，這些傳感器本身或它們的組合也可以較為方便的實(shí)現(xiàn)地形信息的獲取。
經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，各種各樣的直角坐標(biāo)系柵格地圖被應(yīng)用在移動機(jī)器人導(dǎo)航的研究當(dāng)中，到底采用2D,2.5D還是3D柵格地圖，取決于地形環(huán)境的復(fù)雜情況以及移動機(jī)器人所需的運(yùn)算和動作速度。如前所述，2D柵格地圖是一種典型的占有格形式，它主要存儲每個柵格區(qū)域的不可通過、可通過以及未知這幾種狀態(tài)，即當(dāng)一個障礙物被探測到位于其中一個占有格當(dāng)中的時候，該占有格則被設(shè)置為不可通過狀態(tài)。2D柵格地圖主要應(yīng)用于障礙物相對簡單而分散，且地形環(huán)境不太復(fù)雜的情況下，因而多用于室內(nèi)或其他平坦地面環(huán)境下。對于更加復(fù)雜的環(huán)境，則需要更高維的柵格地圖來表達(dá)。2.5D柵格地圖的基本形式是一種數(shù)字高程地圖形式，它將相應(yīng)柵格的高程信息存儲在所表達(dá)的柵格數(shù)據(jù)當(dāng)中。對于工作在野外等非平整路面的移動機(jī)器人來說，更加常用的2.5D柵格地圖是一種存儲有高程信息以及地形特征等信息的地形地圖。當(dāng)然，3D柵格地圖也是一種可選擇的方式，3D柵格地圖可以用來描述立體的空間信息，其主要應(yīng)用于空間、水下等機(jī)器人的三維路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。但相比較而言，對于地面移動機(jī)器人來說2.5D地圖在存儲效率和計算復(fù)雜度方面的優(yōu)勢都是比較明顯的。
本文提出一種方便井下機(jī)器人導(dǎo)航的2.5D柵格地圖結(jié)構(gòu)，該地圖是由一系列局部地圖與含有井下地形環(huán)境先驗信息的全局地圖融合后形成，其中每一個局部地圖是立體視覺相機(jī)的一次采集的信息處理后形成的數(shù)據(jù)，有些研究人員把它稱作單幀地圖(SingleFrameMap)，這些地圖根據(jù)其位置和姿態(tài)被匹配到全局地圖當(dāng)中。每個地圖柵格由高度、地形分類、起伏度、可通過性代價以及可信度等元素組成。考慮到機(jī)器人的外形尺寸、越障能力等因素，該地圖的水平柵格尺寸定為10cm，而高度分辨率根據(jù)立體視覺精度的平均值，定位2cm。由于機(jī)器人跨越陡直障礙物的能力為30cm，因此2cm的分辨率足以滿足障礙物翻越算法的要求。根據(jù)前述機(jī)器人基于視覺的定位于姿態(tài)估算算法，機(jī)器人的姿態(tài)在每次立體視覺采集后都需要重新計算一次，因此每個單幀地圖都需要根據(jù)機(jī)器人本身位姿的數(shù)據(jù)計算出地圖與全局地圖之間的位置和方向關(guān)系，從而保證其在全局地圖中位姿的正確性，這也是保證實(shí)現(xiàn)地圖融合的前提條件。
該結(jié)構(gòu)的每個地圖單元由4個字節(jié)組成，第1位到第9位用于柵格高度的存儲，其中第1位是符號位，后8位表示與機(jī)器人觀測點(diǎn)平面的絕對高度差；第9-11位用于表達(dá)該單元格的起伏度信息，用于描述該單元格內(nèi)部及其與相鄰單元格之間高度變化的平均幅度；第12-14位表達(dá)地形分類，表征該單元格屬于哪種特定的地形特征，如可通過地形、階梯、鐵軌、泥濘、積水、未知等等；15-16位表示可通過性代價，是通過起伏度、地形特征等數(shù)據(jù)計算出來的可直接應(yīng)用于井下機(jī)器人路徑規(guī)劃及遠(yuǎn)程操作參考的數(shù)據(jù)，如圖1所示。
圖1地圖單元組成 三維掃描儀相關(guān)文章:三維掃描儀原理 熱成像儀相關(guān)文章:熱成像儀原理
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