监狱智能巡检机器人系统架构设计与实现.docx

监狱智能巡检机器人系统架构设计与实现 1 辅助监控报警，系统可完善场景信息 在监狱的日常管理中，监狱警方巡逻监护室不仅复杂，而且危险。目前，监狱系统主要通过布置大量摄像头获取监狱中的场景信息，从而进行辅助监控和报警工作。随着机器人、无人驾驶等技术的不断进步，通过智能巡检机器人对监狱进行自动巡检，能够代替狱警的巡检工作，及时发现监狱的异常情况和潜在的隐患，提升监狱的安全性以及信息化程度。因此，无论从提高巡检效率、安全性，还是减轻狱警工作量、释放劳动资源的角度出发，对监狱智能巡检机器人的研究是具有长远意义的。 2 监狱智能监控 在监狱系统中，主要的监控手段是通过在关键区域布置摄像头进行监控，依托定制化的监控平台，以及各类监控系统软件，实现视频显示，重点录制等功能。此类系统通常包含一个监控指挥中心以及多个分控中心，指挥中心负责整体的调度以及所有数据的收集处理，分控中心则是监控某个监区，并将数据上传到指挥中心，从而实现协调管理。监控中心一般需要配备几名专职狱警，时刻对视频画面进行监控。由于警力有限，以及长时间工作导致人的疏忽，通过人来监控存在较大难度。在巡检方面，大多数监狱目前仍是人工巡检，由狱警直接到各个监区进行现场巡视，这种方式会带来很大的工作量，并且存在一定风险。在某些智慧监狱中，也在隔离网、狱墙等周界布置轨道，将摄像头安装在轨道上，通过摄像头沿轨道自主行走，从而实现周界的自动巡视警戒，目标追踪、异常警报等。但是，轨道机器人因为轨道位置的限制，在巡检上也存在一定局限性。在此背景下，为了提升工作效率，降低人力成本，代替监狱干警完成监区巡检工作，及时发现人员异常情况，具有较高智能化的轮式巡检机器人必将在巡检中发挥重要作用。 3 巡检机器人的技术 从需求角度分析，监狱巡检机器人主要是代替狱警完成日常的监控巡检作用。因此，要求机器人要具备一定的程度的抗震动以及外部强力冲击的功能。机器人的整体机械结构要充分牢固。同时，在此基础上，为了更高精度地控制机器人，巡检机器人也应尽量小巧、灵活，并且没有可以直接徒手拆卸的零件，防止罪犯直接拆卸进而进行犯罪行为。同时，巡检机器人还应当具备一定的识别功能，可以对罪犯进行监控，包括事故检测，人员数量识别，罪犯定位等。并且巡检机器人还要有躲避障碍物、自主导航定位，报警等基本功能。基于上述的需求分析，监狱智能巡检机器人系统架构图如图1所示。 4 机器人维修模块 巡检机器人主要包含环境感知模块，定位模块，路径规划模块、行为预测模块、决策控制模块等。下面对每个模块的功能和实现方式做出详细分析。 4.1 环境感知功能 环境感知模块主要是通过摄像头，激光雷达等传感器，获取周围环境信息，通过目标检测算法，识别出场景当中的各类物体，包括地面、静态物体、动态物体。目前，基于视觉的环境感知较为成熟，通过深度学习等技术实现目标识别检测。但机器视觉算法受光照影响较大，且单目相机不易获取物体的深度信息，进而难以确定物体空间位置，因此在某些场景或夜间，需要结合激光雷达数据进行感知。激光雷达通过旋转向四周发射激光，通过接收激光来测距，一般分为单线和多线，单线激光雷达采集到的是平面点云，只能获取物体较少的特征。多线激光雷达可以采集三维点云，能够提供更多的特征，因此一般采用多线激光雷达来进行环境感知。除了普通的摄像头或激光雷达，也有采用深度相机来获取周围环境信息。因为具有深度信息，同时也有颜色信息，所以深度相机在某些场景也有很好的应用。 在监狱中，巡检机器人需要能够定时地查看监区宿舍的状态，能够清点监区内的人数，这就需要机器人具备识别犯人的功能。可以借助摄像头采集图像信息，通过人脸识别或人体识别算法，检测出犯人数量。同时，需要机器人可以检测出犯人的异常行为，并及时报警。该功能可以通过感知模块识别人体上的关键点，从而获取人体的肢体信息，进而识别罪犯的动作，通过大量的罪犯行为数据以及深度学习等算法，分析出肢体动作所代表的含义，以此来提醒狱警可能存在的危险。 4.2 基于gps的绝对定位技术 定位模块主要是解决“我在哪”的问题，即使得机器人知道自己所在的位置。机器人定位通常采用激光雷达或摄像头以及里程计、IMU等多传感器融合定位。监狱机器人主要是进行不间断的巡检工作，需要机器人能实现高精度的定位，从而是得机器人能在指定位置进行相关工作。因此，定位技术是监狱机器人需要重点研究的技术。 目前我们的手机等工具使用较多的是基于GPS的定位方式，但需要在较为空旷的环境下，该方式才能有较好的定位效果。在监狱宿舍，通常均为封闭环境，因此机器人采用基于差分GPS的定位方式不适合。目前也有部分机器人采用相对定位的方式，即通过里程计、IMU等传感器获取机器人的速度、角速度、加速度等数据，再通过积分的方式求取机器人相对起始时刻所在地点的相对位置。但是随着时间的推移