探測(cè)機(jī)器人煤礦井下地圖創(chuàng)建
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井下水面的高程相對(duì)周圍環(huán)境較小，可以明顯的將水面和周圍環(huán)境分類。
為了更為精確地檢測(cè)到井下水體，本文采用了多傳感器圖像融合技術(shù)，將不同傳感器（熱像儀，立體視覺）獲得同一景物不同特征的圖像相融合，克服了單一傳感器獲取的圖像在幾何、光譜、分辨率等方面存在的局限性和差異性，提高了檢測(cè)井下環(huán)境中水體的精度。
3.4.3泥濘區(qū)域的檢測(cè)
在自主導(dǎo)航的機(jī)器人活動(dòng)的范圍內(nèi)有各種各樣的地形（例如，平整的路面，雜物，泥濘的路面，水體等等），泥濘的路面檢測(cè)在機(jī)器人自主導(dǎo)航中是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，檢測(cè)算法還不夠成熟。但是在農(nóng)業(yè)中，依靠估計(jì)土壤的水分含量（SMC）去檢測(cè)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展幾十年了。土壤水分含量已經(jīng)可以通過直接與土壤接觸的設(shè)備或者遙感傳感器測(cè)量。[[vii]][[viii]]測(cè)量SMC的遙感傳感器設(shè)備可以安裝在衛(wèi)星上，可以安裝在無人機(jī)上，也可以安裝在車輛上。但是安裝在衛(wèi)星和無人機(jī)上不適合移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)閺母呖罩羞b感的土壤水分含量信息精度對(duì)地面自主導(dǎo)航機(jī)器人來說不夠高；而直接安裝在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上時(shí)傳感器天線會(huì)很大，而且直接指向地面，這就要求移動(dòng)機(jī)器人要已經(jīng)活動(dòng)在泥濘的區(qū)域才能檢測(cè)到，給機(jī)器人帶來潛在的危險(xiǎn)。
泥濘路面的檢測(cè)對(duì)在井下工作的自主導(dǎo)航機(jī)器人也是一個(gè)具有十分重要挑戰(zhàn)。井下移動(dòng)機(jī)器人如果在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候陷入泥濘的區(qū)域，不但需要執(zhí)行的任務(wù)不能順利的完成而且需要去對(duì)其救援。由于井下環(huán)境有其自身的特點(diǎn)：沒有陽(yáng)光，沒有植物，沒有天氣因素的影響(溫度變化不明顯，無風(fēng)，無冰雪等)，地質(zhì)構(gòu)成與地表不同等等，采用通常的檢測(cè)方法不能滿足井下泥濘地形的檢測(cè)。
本文中采用了多光譜傳感器和短波紅外傳感器相融合的方式檢測(cè)井下環(huán)境中泥濘的環(huán)境。
在遙感領(lǐng)域內(nèi)，當(dāng)采用近紅外光譜和紅色反射空間繪制光譜數(shù)據(jù)的時(shí)候，裸土的多光譜數(shù)據(jù)會(huì)落在一條線上面（簡(jiǎn)稱為土壤線）。裸土在土壤線上的位置由土壤的水分含量決定。濕的土壤在土壤線的一端，干的土壤在土壤線的另一端。為了測(cè)量土壤的水分含量，采用了鄧肯科技的MS2100多光普傳感器，其光譜掃描范圍為400-1000nm。這種傳感器是基于顏色分離棱鏡和三個(gè)成像通道，通過一個(gè)共同的孔徑可以獲得四種光譜帶（紅色，綠色，藍(lán)色，近紅外），如圖9所示。
圖9紅色反射空間
通過安裝固定在機(jī)器人上的多光譜傳感器，采集到了2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一組數(shù)據(jù)為裸土和地面雜物；另一組為一條較長(zhǎng)的路面。在這兩個(gè)測(cè)試地面上灑上一定的水，使地面變成泥濘的狀態(tài)。在圖10中顯示的是在第一種地形中的紅色和近紅外光譜。圖中也表示了紅光和近紅外光的反射率在像素表中的比率。紅色的小區(qū)域代表干燥的土壤，綠色的小區(qū)域代表泥濘的地方，而藍(lán)色的區(qū)域代表處于陰影中的干燥土壤。黃線是由最小二乘法得到的線條。從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，土壤線現(xiàn)象能夠基于地面上的傳感器獲得，在對(duì)地面干燥與泥濘分類上有一定的效果。
圖10紅色和近紅外光譜
在圖10中顯示了使用多光譜帶去分離出泥濘的區(qū)域。圖10(a)（b）分別是在紅光譜下和近紅外光譜下對(duì)測(cè)試環(huán)境的采集圖像，通過采集到的圖像很容易對(duì)雜物，路面和地面中的泥濘區(qū)域分類。分類結(jié)果如圖10(c)(d)所示。
為了對(duì)井下泥濘路面的檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，使機(jī)器人在路徑規(guī)劃中選擇最優(yōu)的路徑，更好的完成人們給機(jī)器人下達(dá)的任務(wù)，本文中又采用另一種方法與多光譜分離方法相融合。
水對(duì)于短波紅外具有很強(qiáng)的吸收能力，因此泥濘的土壤也具有這樣的屬性。Lobell和Asner在2002年就已經(jīng)用光譜儀和一個(gè)校準(zhǔn)過的光源在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量了四種含水量等級(jí)不同的土壤對(duì)短波輻射（400-2500nm）的反射能力。他們的報(bào)告中說，當(dāng)用可見光反射，土壤水分含量在20%時(shí)就達(dá)到飽和，而用短波紅外在土壤水分含量50%時(shí)才達(dá)到飽和。他們得出的結(jié)論是短波紅外比近紅外更適測(cè)量土壤的水分含量。研究結(jié)果表明了隨著土壤水分含量的增加，在短波紅外帶上土壤的反射系數(shù)的拐點(diǎn)是在1450nm附近。這也證明了短波紅外適合檢測(cè)泥濘的路面。
在井下移動(dòng)機(jī)器人上安裝了一個(gè)SU320M-1.7RT短波紅外傳感器也來檢測(cè)泥濘的井下路面。
圖11短波紅外傳感器和通用的攝像頭采集到的圖像對(duì)比
圖11顯示的是用短波紅外傳感器和通用的攝像頭采集到的圖像對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在圖11（下）中可以明顯的分辨出路面的干濕程度，用聚類的方法就可以將泥濘的區(qū)域分離出來。
通過以上兩種傳感器（多光譜傳感器和短波紅外傳感器）的相互融合，將大大提高對(duì)井下環(huán)境中泥濘路面的檢測(cè)精度，為井下移動(dòng)機(jī)器人任務(wù)的順利完成又增加了一層安全保障。
4路徑規(guī)劃
DEEC是一臺(tái)具有輔助臂的履帶式機(jī)器人，它的主要特點(diǎn)是對(duì)非平整路面環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，因此對(duì)它的運(yùn)動(dòng)控制不同于其他工作于室內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境或室外具有平坦路面環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人。對(duì)于工作于平整路面的移動(dòng)機(jī)器人來說，其路徑規(guī)劃的主要目標(biāo)是從地圖中沒有被障礙物占據(jù)的自由空間集合中搜索可達(dá)規(guī)劃目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。例如在傳統(tǒng)的柵格地圖中，只需要判斷柵格是否被障礙物占用，如果被占用則采取壁障的策略，假若存在無法避開的障礙物則會(huì)導(dǎo)致路徑規(guī)劃的失敗。而對(duì)于DEEC來說，除了考慮到其自身安全性因素而盡量選取無障礙物通道之外，還可以選擇通過對(duì)障礙物的翻越或攀爬在更大的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)路徑的規(guī)劃任務(wù)，因此DEEC的路徑規(guī)劃需要一個(gè)具有高程信息的地圖來表達(dá)路面環(huán)境信息。
5結(jié)束語
本文從煤礦井下地圖創(chuàng)建的需求出發(fā)，采用雙目視覺方法創(chuàng)建井下2.5維柵格地圖，并對(duì)探測(cè)機(jī)器人路徑進(jìn)行了規(guī)劃。 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
評(píng)論