石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法。装置包括防爆壳体，内含主控腔、接线腔和电源腔，主控腔内设有工控机、差分GPS模块、惯性测量模块、信号隔离安全栅模块、通讯模块和电源转换模块，接线腔用于转接各供电和通信电缆，电源腔内设有电源模块，防爆壳体的外部设有视觉模块、激光雷达、差分GPS模块天线和里程测量模块，工控机根据采集的视觉信息、激光雷达信息、差分GPS信息、里程信息和惯性信息，实现机器人自动适应环境的高精度定位，并基于此定位结果构建厂区的环境模型和地图。本发明专利技术通过多类型传感器的不同位姿信息方法，获取高精度的环境模型和地图，提高系统对于环境的适应性和精确性，同时系统满足防爆安全要求。

Device and method for environmental modeling and map building of inspection robot in petrochemical plant

The invention discloses an environmental modeling and map building device and method for a petrochemical factory inspection robot. The device includes the explosion-proof housing, including the main control cavity, the connection cavity and the power supply cavity. The main control chamber has the industrial control machine, the differential GPS module, the inertial measurement module, the signal isolation safety gate module, the communication module and the power conversion module. The connection cavity is used to transfer the power supply and communication cables. The power supply module is equipped with the power supply module and the explosion-proof shell is set in the electric source cavity. The exterior is equipped with visual module, laser radar, differential GPS module antenna and mileage measurement module. The industrial control computer realizes the high precision positioning of the robot's automatic adaptation to the environment according to the acquisition of visual information, laser radar information, differential GPS information, mileage information and inertial information, and builds the factory environment based on this positioning result. Model and map. This invention obtains high precision environment model and map through different position and pose information method of multi type sensor, improves the adaptability and accuracy of the system to the environment, and meets the safety requirements of explosion protection system.

【技术实现步骤摘要】
石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法
本专利技术属于特种机器人定位导航领域，特别涉及了石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法。
技术介绍
石化企业、油库、储运公司等工厂的工作区域面积通常较大，安全隐患不易排查。目前只能通过人工对各个罐区、泵区、变电所等工作场合的仪器仪表进行徒步现场检测，对输油管路、储油罐底部、泵站、计量间、流量间等工作场合的各类阀门、仪表、设备进行重点逐一检查。人工巡检的工作强度大、复杂度高，需要巡检的区域繁杂极容易漏检，存在较大的安全隐患。采用自主巡检机器人代替人工执行巡检任务，可以极大的降低工人工作强度，降低工作风险；容易扩展为多机器人协作方式，昼夜不间断工作，提高巡检效率；可以通过事先标识和自主感知发现，对需要重点巡检的场合进行程序化排查，排除人为漏检错检失误，安全性更高。目前，巡检机器人在变电站、室内工作区域等结构化条件较好的环境已经取得应用和推广，在巡检工作自动化和智能化方面上有了一定的提高。相比于变电站，石化工厂的环境非结构化程度更高，需要巡检的内容和场所类型更复杂。例如，巡检机器人除了需要在厂区室外环境对罐区、泵区等设备进行巡检，同时还要进入变电所、流量间、计量间等室内环境。由于巡检任务的复杂性，给机器人定位和自主导航带来巨大的困难。通过石化工厂的环境建模和地图构建可以为机器人提供高精度的环境模型，基于地图可以大幅度降低机器人定位的难度，极大提高定位精度。同时环境模型的建立可以预先对重要仪器和事故多发地区的位置进行标识，对于制定巡检策略和后期机器人自主导航具有重要的作用，其质量直接影响路径规划、避障的难度和精度，决定巡检效率。另外环境模型的建立也为可视化监控机器人运行状况和环境情况带来巨大便利。为了满足石化工厂自主巡检机器人的精确定位和自主导航的功能要求，需要对石化工厂室内和室外环境进行精确的环境建模和地图构建。目前石化行业应用的巡检机器人较少。其他领域巡检机器人常用的环境建模方法有以下几种：(1)人工测绘构建电子地图：通过专业测绘人员采用全站仪、米尺、激光测距仪等设备进行人工测绘。此类方式主要缺点是工作量大，自动化程度低，测绘精度较差，测绘误差对于移动机器人定位和自主导航性能影响较大，同时不利于厂区环境变化后地图的实时更新；(2)采用激光扫描仪等建模设备在厂区内进行多点测量，后期通过地图拼接方法绘制三维地图。此类方法使用的设备造价高，同时也不利于厂区环境变化后地图的实时更新。(3)采用卫星影像或无人机测绘获得区域的地理信息构建环境地图：此类方法造价高，误差大，获得的地图仅适用于适用采用GPS等全局定位方式的机器人定位使用，无法应对大量的室内和有遮蔽环境。(4)机器人携带如二维激光雷达、视觉相机等传感器采用在线或离线方式构建环境地图的方法。此类方法通常采用二维激光雷达或相机使用同步定位和建图方法构建二维环境地图，结合其他传感器提高定位精度。此类方法通常适用于室内环境，要求地面平坦场景简单，对于斜坡、颠簸场景应用效果差。同时，上述建模方法仅是包含对于环境的范围描绘信息，没有精确的设备和仪器仪表标识信息，对于工作量极大的石化工厂巡检机器人执行具体巡检任务没有实质帮助，仍然只能依赖其他传感器如相机等进行大场景下的仪器仪表目标识别与监测。另外重要的一点，石化工厂使用的设备还需要满足防爆安全要求，对于现阶段使用的各类测量设备，都难以满足直接应用到此类环境区域。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法，通过多类型传感器的不同位姿信息方法，获取高精度的环境模型和地图，提高系统对于环境的适应性和精确性，同时系统满足防爆安全要求。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置，该装置安装或集成在巡检机器人平台上，包括防爆壳体，该防爆壳体包含3个腔体：主控腔、接线腔和电源腔，主控腔内设有工控机、差分GPS模块、惯性测量模块、信号隔离安全栅模块、通讯模块和电源转换模块，接线腔用于转接各供电和通信电缆，电源腔内设有电源模块，防爆壳体的外部设有视觉模块、激光雷达、差分GPS模块天线和里程测量模块，视觉模块、激光雷达和里程测量模块的输出端分别经信号隔离安全栅模块与通讯模块的输入端连接，差分GPS模块天线的输出端经信号隔离安全栅模块与差分GPS模块的输入端连接，差分GPS模块的输出端连接通讯模块的输入端，惯性测量模块和通讯模块的输出端与工控机连接，电源模块的输出端与电源转换模块的输入端连接，电源转换模块的输出端输出各模块所需的供电电压，工控机根据采集的视觉信息、激光雷达信息、差分GPS信息、里程信息和惯性信息，实现机器人精确定位，并基于定位结果构建厂区的环境模型和地图。基于上述装置的环境建模与地图构建方法，在工控机上建立第一位姿估计单元、第二位姿估计单元、第三位姿估计单元、第四位姿估计单元、坐标转换模块、信息综合模块、建图模块和集成估计模块，步骤如下：(1)通过第一位姿估计单元、第二位姿估计单元、第三位姿估计单元、第四位姿估计单元分别获得四种定位方式得到的位姿信息，并输入到坐标转换模块；其中，第一位姿估计单元通过差分GPS模块与惯性测量模块组合导航获得位姿信息，输出惯导中心相对于世界坐标系的第一位姿估计；第二位姿估计单元根据激光雷达信息，通过扫描匹配的运动估计方法获得位姿信息，输出激光雷达中心相对于世界坐标系的第二位姿估计；第三位姿估计单元根据视觉信息，采用视觉里程计方法获得位姿信息，输出视觉模块中心相对于世界坐标系的第三位姿估计；第四位姿估计单元通过里程信息与惯性测量模块获取的方位角信息组合，通过扩展卡尔曼滤波器融合获得位姿信息，输出惯导中心相对于世界坐标系的第四位姿估计；(2)坐标转换模块将四种位姿估计结果统一到以机器人质心为坐标系原点的机器人坐标系下，并将经过坐标变换的四个位姿估计结果输入到信息综合模块；(3)信息综合模块利用自适应加权评估方法进行机器人位姿信息的综合评估，将评估后的位姿结果分别输入到建图模块和集成估计模块；(4)建图模块根据机器人当前位姿，经过坐标转换得到激光雷达位姿，结合激光扫描获得的点云信息匹配到已构建地图，实现增量式地图构建；(5)集成估计模块结合信息综合模块的位姿信息和建图模块的点云地图信息，计算相对于地图的精确机器人位姿估计；(6)存储环境模型，对建模数据进行人工标识；(7)当环境发生局部变化时，对地图进行动态更新。进一步地，在步骤(2)中，利用第一～第四位姿估计Li以及对应的位姿传感器相对于机器人质心的安装位置变换矩阵Ti，得到机器人质心相对于世界坐标系的位姿估计pi：上式中，下标i＝1,2,3,4，分别表示四种位姿估计。进一步地，在步骤(3)中，机器人位姿信息的综合评估值P：上式中，αi为pi对应的权重，其初始值由人为设定，在机器人运行过程中，αi的取值根据环境变化自适应地改变。进一步地，第一位姿估计的权重α1的取值由下式确定：上式中，t为GPS信号连续丢失的采样数，tG为设定的阈值；若观测卫星数量少于4颗或位置精度因子小于4，则判断GPS信号丢失；第二位姿估计的权重α2的取值由下式确定：上式中，ΔL为公倍数采样周期T内第四位姿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置，该装置安装或集成在巡检机器人平台上，其特征在于：包括防爆壳体，该防爆壳体包含3个腔体：主控腔、接线腔和电源腔，主控腔内设有工控机、差分GPS模块、惯性测量模块、信号隔离安全栅模块、通讯模块和电源转换模块，接线腔用于转接各供电和通信电缆，电源腔内设有电源模块，防爆壳体的外部设有视觉模块、激光雷达、差分GPS模块天线和里程测量模块，视觉模块、激光雷达和里程测量模块的输出端分别经信号隔离安全栅模块与通讯模块的输入端连接，差分GPS模块天线的输出端经信号隔离安全栅模块与差分GPS模块的输入端连接，差分GPS模块的输出端连接通讯模块的输入端，惯性测量模块和通讯模块的输出端与工控机连接，电源模块的输出端与电源转换模块的输入端连接，电源转换模块的输出端输出各模块所需的供电电压，工控机根据采集的视觉信息、激光雷达信息、差分GPS信息、里程信息和惯性信息，实现机器人精确定位，并基于定位结果构建厂区的环境模型和地图。

【技术特征摘要】
1.一种石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置，该装置安装或集成在巡检机器人平台上，其特征在于：包括防爆壳体，该防爆壳体包含3个腔体：主控腔、接线腔和电源腔，主控腔内设有工控机、差分GPS模块、惯性测量模块、信号隔离安全栅模块、通讯模块和电源转换模块，接线腔用于转接各供电和通信电缆，电源腔内设有电源模块，防爆壳体的外部设有视觉模块、激光雷达、差分GPS模块天线和里程测量模块，视觉模块、激光雷达和里程测量模块的输出端分别经信号隔离安全栅模块与通讯模块的输入端连接，差分GPS模块天线的输出端经信号隔离安全栅模块与差分GPS模块的输入端连接，差分GPS模块的输出端连接通讯模块的输入端，惯性测量模块和通讯模块的输出端与工控机连接，电源模块的输出端与电源转换模块的输入端连接，电源转换模块的输出端输出各模块所需的供电电压，工控机根据采集的视觉信息、激光雷达信息、差分GPS信息、里程信息和惯性信息，实现机器人精确定位，并基于定位结果构建厂区的环境模型和地图。2.基于权利要求1所述装置的环境建模与地图构建方法，其特征在于：在工控机上建立第一位姿估计单元、第二位姿估计单元、第三位姿估计单元、第四位姿估计单元、坐标转换模块、信息综合模块、建图模块和集成估计模块，步骤如下：(1)通过第一位姿估计单元、第二位姿估计单元、第三位姿估计单元、第四位姿估计单元分别获得四种定位方式得到的位姿信息，并输入到坐标转换模块；其中，第一位姿估计单元通过差分GPS模块与惯性测量模块组合导航获得位姿信息，输出惯导中心相对于世界坐标系的第一位姿估计；第二位姿估计单元根据激光雷达信息，通过扫描匹配的运动估计方法获得位姿信息，输出激光雷达中心相对于世界坐标系的第二位姿估计；第三位姿估计单元根据视觉信息，采用视觉里程计方法获得位姿信息，输出视觉模块中心相对于世界坐标系的第三位姿估计；第四位姿估计单元通过里程信息与惯性测量模块获取的方位角信息组合，通过扩展卡尔曼滤波器融合获得位姿信息，输出惯导中心相对于世界坐标系的第四位姿估计；(2)坐标转换模块将四种位姿估计结果统一到以机器人质心为坐标系原点的机器人坐标系下，并将经过坐标变换的四个位姿估计结果输入到信息综合模块；(3)信息综合模块利用自适应加权评估方法进行机器人位姿信息的综合评估，将评估后的位姿结果分别输入到建图模块和集成估计模块；(4)建图模块根据机器人当前位姿，经过坐标转换得到激光雷达位姿，结合激光扫描获得的点云信息匹配到已构建地图，实现增量式地图构建；(5)集成估计模块结合信息综合模块的位姿信息和建图模块的点云地图信息，计算相对于地图的精确机器人位姿估计；(6)存储环境模型，对建模数据进行人工标识；(7)当环境发生局部变化时，对地图进行动态更新。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：在步骤(2)中，利用第一～第四位...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱华，李猛钢，李雨潭，由韶泽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，徐州神工智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32