地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统的制作方法

本发明实施例涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统。

背景技术：

随着经济的快速发展，城市化进程不断加快，城市交通需求的总量也在急剧增长，城市交通运输矛盾日益突出。与传统的地面交通模式相比，地铁作为城市交通的重要工具，具有运量大、速度快、准时、方便、节能环保等优点，在改善城市交通环境方面发挥着越来越大的作用，在许多城市得到广泛应用。为了对地铁隧道进行巡检，目前在隧道内主要依靠人工进行巡检以及仪器巡检，即依靠人眼检测以及人工仪器检测。这两种方法的优点是技术成熟可靠，但同时存在对检测人员要求较高，检测人员的安全作业难以保证的缺点。随着机器人技术的发展，出现了采用安全巡检机器人对地铁隧道进行安全检查的技术，但由于地铁隧道狭长，机器人巡检的时间较长，因此难以实时对机器人进行准确定位及隧道变形测量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统。

本发明实施例提供一种地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统，该系统包括：激光发射单元、激光感光单元、处理单元及激光反射单元；激光发射单元及激光感光单元设置于巡检机器人本体，多个激光反射单元沿轨道方向间隔设置于地铁隧道的侧壁上；激光发射单元用于在巡检机器人沿地铁隧道内的轨道运行时，向地铁隧道的侧壁发射激光；激光感光单元用于接收到激光反射单元反射回的激光；处理单元用于根据反射回的激光的角度信息和距离信息确定巡检机器人的实时位置信息。

本发明实施例提供的系统，通过沿轨道方向在地铁隧道的侧壁上设置多个激光反射单元，并在巡检机器人在进行巡检时，通过激光发射单元和激光感光单元获得反射回的激光的角度信息和距离信息，确定巡检机器人的位置信息，从而能够实现对地铁隧道内的巡检机器人进行实时、准确地定位。

附图说明

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。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的扫描坐标系示意图；

图4为本发明实施例提供的单反射条示意图；

图5为本发明实施例提供的双反射条示意图；

图6为本发明实施例提供的巡检机器人本体的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的提取集合特征的方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的机器人避障系统的结构示意图；

图中，1：激光反射单元；2：机器人本体；3：激光；4：超声波发射传感器；5：超声波接收传感器；6：摄像头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在已建或在建的城市中，在地铁隧道沿线附近或上方进行非地铁施工的建设项目越来越多，这些项目存在卸载、加载、抽水、降水或振动等施工程序或因素，它们可能对地铁隧道结构产生一定的结构变形、倾斜、位移、隆起或沉降等等影响。而结构变形可能会降低列车的运营性能和效率；可能会增大列车车轮与轮轨之间的摩擦，从而加快列车车轮和轮轨的损耗；当地铁道床隆起或沉降3mm以上时，需对路轨进行调整。在变形严重而检测不到位的情况下，甚至会颠覆高速运行的列车，引发严重的交通安全事故，因此对地铁隧道安全进行巡检是地铁安全运营的一个重要工作。

地铁隧道结构裂缝主要分为道床裂缝、边墙裂缝和拱顶裂缝等，这些结构裂缝的产生是设计施工、运营荷载、外部环境改变等多因素导致，大致可归纳为以下6类因素：

1)地基差异沉降，地铁隧道结构在建设期如工程设计方案不合理，则可能导致地基加固效果不明显、不均衡，在后期运营荷载作用下，导致地基出现差异沉降现象，当沉降程度远超出设计和实际工程结构允许范围时，进而出现大量的结构病害性裂缝。

2)隧道结构周边土地变位，地铁运营隧道周边存在深基坑开挖时，在基坑降水及支护结构水平位移的共同作用下，容易导致地铁隧道结构周边土地产生变位，使得地铁隧道结构侧限土压力不足，隧道断面水平收敛不断增大，继而导致隧道结构产生拱顶裂缝及道床与衬砌结构的剥离裂缝，同时伴随管片边角部位的崩角掉块现象。

3)变形缝的设置，变形缝主要包括沉降缝和伸缩缝两种，而考虑到地铁结构的整体道床基础可承受的垂直错位最大值，除特殊要求外，基本不设置沉降缝。但是在土质较为松软的地区，为达到增加结构的纵向刚度的目的，通常设置数量有限的伸缩缝。这也导致当地基加固效果不好或遭受外部环境影响时，施工后的沉降程度增加，使得结构应力集中度增大，易导致结构裂缝的出现。

4)结构强度不足，在地铁隧道设计和施工过程中，如果工程设计有问题或者施工过程中壁后回填土压实程度不足等，会导致结构强度和质量没有达到相关设计施工要求，同样易产生隧道结构裂缝。

5)列车振动影响，地铁列车发车频率较高，使得地铁隧道结构长期受到低频连续振动，这种状态易使得软土下卧层地基出现较大程度的纵向沉降，易在隧道结构应力集中区段产生裂缝。对于现有裂缝，长时间的地铁运营荷载易导致道床上下振动而出现倒吸现象，倒吸现象使得水不停的潜蚀裂缝，易使得裂缝扩大。

6)渗漏水问题，渗漏水是地铁隧道结构另一种较为普遍的病害，会导致并加速隧道结构衬砌风化和剥蚀，如果渗漏水中含有腐蚀物质，会进一步腐蚀损坏衬砌混凝土，导致衬砌可承载量下降，严重影响地铁隧道结构的耐久性。一般而言，渗漏水出现的位置在环缝、纵缝和区间联络通道等部位，产生原因主要在于结构裂缝持续发展，以及结构防水层出现问题导致防水体系失效等。

由于人工或仪器对地铁隧道巡检存在安全不确定性，同时人工检测具有较大的主观性，即使经验丰富的检测人员也难以保证检测结果的完整性与准确性。随着当前检测工作量的不断增大，这种人工加仪器的方式越来越难以满足检测的需求，完成全部检测所需时间也越来越长，检测人员的安全性也无法得到保证。而近年来出现的隧道小车进行安全监测时采用人工操作的方式，也受制与人员素质，特别巡检常在夜间、凌晨开展，工作效率较低。因此，采用机器人自动对地铁隧道进行巡检能够避免上述人工巡检存在的缺陷。为了解决由于地铁隧道狭长，机器人巡检的时间较长导致的难以实时对机器人进行准确定位的缺陷，本发明实施例提供一种地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统，参见图1和图2，该系统包括：激光发射单元、激光感光单元、处理单元及激光反射单元1；激光发射单元及激光感光单元设置于巡检机器人本体2，多个激光反射单元1沿轨道方向间隔设置于地铁隧道的侧壁上；激光发射单元用于在巡检机器人沿地铁隧道内的轨道运行时，向地铁隧道的侧壁发射激光；激光感光单元用于接收到激光反射单元1反射回的激光；处理单元用于根据反射回的激光的角度信息和距离信息确定巡检机器人的实时位置信息。

其中，巡检机器人可由沿地铁的轨道前进，本发明实施例对巡检机器人的机械机构和驱动方式不作限定。激光发射单元可以为红外激光光源，而激光感光单元可以为红外雪崩管。激光反射单元1设置在地铁隧道的侧壁上，本发明实施例对设置激光反射单元1的高度不作限定，只需满足激光发射单元发射的激光能够到达激光反射单元1，并经激光反射单元1反射后由激光感光单元感测到。由于激光反射单元1是间隔设置于地铁隧道内的，因此，每个激光反射单元1的位置信息是预先可以获知的。因此，处理单元可以基于处于特定位置的激光反射单元1反射回的激光确定巡检机器人的实时位置信息。确定实时位置信息的方法包括但不限于以下方法：

参见图3，以激光测距扫描仪(激光测距扫描仪可以为激光发射单元)的扫描平面作为xoy平面建立局部扫描坐标系，oy轴正方向指向激光测距扫描仪的正前方，ox轴正方向垂直于oy轴指向右方。若一次扫描(即激光发射单元扫描)中第i个扫描点对应障碍点a，则称i为点a的序号，其中，i＝1...n(n为每次扫描得到的扫描点总数)。ρi为点a到激光测距扫描仪的距离(即可以通过激光测距扫描仪获得反射回的激光的距离信息)，θi为点a方向在局部扫描坐标系中对应的角度(即反射回的激光的角度信息)，θi用角度表示为：

θi＝(1-i)δ×θ-θ开始

式中，δθ为激光测距扫描仪的角分辨率，θ开始为第1个扫描点方向在局部扫描坐标系中对应的角度。则点a的极坐标表达式为(ρi，θi)，转换到直角坐标系后，

x＝ρi×cosθi

y＝ρi×sinθi

由于基于上述过程可获得a的坐标，因此，在a为激光反射单元1，且该激光反射单元1的位置已知的情况下，可以获得巡检机器人的实时位置信息。可以基于多个(例如3个)激光反射单元1反射回的激光的角度信息和距离信息，准确确定巡检机器人的实时位置信息。

本发明实施例提供的系统，通过沿轨道方向在地铁隧道的侧壁上设置多个激光反射单元1，并在巡检机器人在进行巡检时，通过激光发射单元和激光感光单元获得反射回的激光的角度信息和距离信息，确定巡检机器人的位置信息，从而能够实现对地铁隧道内的巡检机器人进行实时、准确地定位。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统还包括：电机转速监控单元；电机转速监控单元用于对巡检机器人的电机进行监控，并将监控获得的电机转速信息发送至处理单元；处理单元用于根据电机转速信息计算巡检机器人的位置信息，并根据实时位置信息和/或机器人位置信息确定巡检机器人的目标位置信息。

具体地，由于地铁巡检机器人是在电机的驱动下，沿地铁轨道运行的，因此，在巡检机器人的起点已知的情况下，由于巡检机器人是沿固定的轨道前进的，因此，基于监控获得的电机转速信息及运行时长可计算获得巡检机器人的前进距离，从而可以确定巡检机器人的机器人位置信息。机器人位置信息可以在相对较近的距离内来确定巡检机器人的目标位置信息。

另外，考虑到电机丢步或者滚轮打滑等情况，基于电机确定的机器人位置信息可能存在一定的误差。因此，可在两个激光反射单元1之间将机器人位置信息作为目标位置信息，并在获得实时位置信息后，利用实时位置信息对目标位置信息进行校准，从而能够根据实时位置信息和机器人位置信息更加准确地实现对巡检机器人的定位。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，激光反射单元1的外表面设置有激光反射条，激光反射条中反射条的数量由地铁隧道的侧壁的垂直度确定。具体地，为了使激光反射单元1能够反射激光，需要在激光反射单元1的外表面贴上激光反光条或反光板。激光反射条包括至少一条反射条，其中，单反射条的激光反光条可参见图4，双反射条的激光反光条可参见图5，其中，反射条为图中的填充部分。反射条的数量越多，其反射的能力越强。当隧道侧壁的垂直度较好时，激光反射条可只包含一条反射条，激光发射单元发射的激光3对单反射条的激光反射条进行一次照射，单反射条的激光反射条就可以反射一次激光3。而对于较为复杂的侧壁，此时单反射条由于只反射一次激光，因此不能有效的反射激光，而双反射条可以对激光3进行两次反射，弥补一次反射不能反射回巡检机器人的缺陷，从而保证能够反射激光3。另外，应当说明的是，若采用包含有多个反射条的激光反射条，则处理单元需要对反射回的激光进行滤波，可选择最后收到的反射回的激光进行实时位置信息的计算，保证计算结果的准确性。由于多反射条相对于单反射条的成本较高，因此，本发明实施例提供的系统，通过根据侧壁的垂直度来确定反射条的数量，并在垂直度较好时采用单反射条，能够降低成本。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统还包括：传感器单元，传感器单元设置于巡检机器人本体2；传感器单元用于对巡检机器人的周围环境进行扫描测距，获得用于表征被测对象与巡检机器人之间距离的数据点集；处理单元用于从数据点集中提取几何特征，并根据几何特征，构建地铁隧道的地下空间地图；并根据地下空间地图，判断隧道结构是否发生变形。

其中，本发明实施例对传感器单元的具体类型和数量不作限定，只需该传感器单元能够对巡检机器人的周围环境进行扫描，并获得周围环境中各物体(被测对象)与巡检机器人之间的距离。作为一种可选实施例，传感器单元包括但不限于：视觉传感器、超声波阵列及激光扫描测距传感器中的至少一种。

其中，视觉传感器中包含红外光和ccd相机组成传感器发出经调制的近红外光后，遇到被测对象反射回来，相机中的感光单元感测到反射光后，计算出激光从发射出去到接收到反射光所需的时间，进而根据飞行时间乘以光速，得到被测对象距离相机的距离后获取周围空间点云图像，再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。视觉传感器的获取范围为8-12米。

其中，巡检机器人上设有超声波阵列，超声波阵列包括超声波发射传感4器和超声波接收传感器5，例如参见图6，巡检机器人本体2上可设置4个超声波发射传感4器及4个超声波接收传感器5。当超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来后获取周围距离参数。超声波阵列的获取范围为5-8米。

其中，激光扫描测距传感器，可预先在周围环境(即地铁隧道内)中预先设置反射器或标志，激光扫描测距传感器主要应用于空间位置的检测，利用激光束的发射和返回接收的时间差来测量空间物的距离信息，然后获取周围环境的距离参数。激光扫描测距传感器的获取范围为8-50米。

因此，通过设置获取范围不同的各类型传感器单元，能够对地铁隧道内的对象进行准确、全面的感测。

具体地，利用传感器单元可以获得点云数据点集，该数据点集内包括多个离散的数据点。由于每个数据点的扫描角及与巡检机器人之间的距离均是已知的，因此可以利用扫描角及距离表示每一数据点的位置。在获得数据点集后，参见图7，处理单元从数据点集中提取出特征线段几何特征的流程。

在提取出几何特征后，处理单元具体基于几何特征地图表示法，根据几何特征构建出地铁隧道的地下空间地图。其中，几何特征地图表示法是基于几何信息(即几何特征)的地图的表示方法，处理单元从传感器单元中提取几何特征(如线段、角点等)并从巡检机器人的角度定位这些信息，然后使用这些几何信息来描述周围环境，描述的结果为地下空间地图。另外，在构建地下空间地图之前，需要定义坐标系，例如以激光测距扫描仪为基准的局部扫描坐标系和以室内环境为基准的全局定位坐标系，从而基于该坐标系计算出巡检机器人及被测对象在地下隧道中的位置。应当说明的是，若激光测距扫描仪的位姿发生变化，则表征同一物理点的数据点的坐标也会发生变化，但该物理点与巡检机器人的相对位置并未发生变化。因此，本发明实施例提供的系统能够通过传感器单元和处理单元构建出地铁隧道的地下空间地图，从而通过运行巡检机器人对地铁隧道内的周围环境进行几何表示。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，传感器单元具体用于其设定角分辨率及设定扫描角度范围对巡检机器人的周围环境进行扫描测距。具体地，可以预先对传感器单元的角分辨率和角度范围进行设置，使传感器单元对特定范围内的周围环境进行扫描测距，满足构建指定范围的地下空间地图的需求。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，几何特征包括线特征、角度特征及路标特征；路标特征是传感器单元通过扫描在巡检机器人行走的路径上每隔设定距离设置的反光板路标获得的；相应地，处理单元还用于根据路标特征对地下空间地图进行校正。

具体地，通过几何特征将周围环境定义为线特征、角度特征、其他几何特征以及移动目标等，然后通过这些特征合成直接抽象为隧道侧壁或其他物体。其中，针对线特征，线特征提取最常用的方法是变换，用于区域边界形状描述的方法，其基本思想是将图像或数据的空间域变换到参数空间，用大多数边界点满足的地下空间参数形式来描述数据对象中的直线或曲线；其中，针对角度特征，角度是由激光传感器的两条边缘直线组成，它相对周围其它3个点的梯度方向是连续的，因此在目标跟踪、立体匹配和位置估计中，可计算出机器人的方位角；针对路标特征，在机器人行走的路径上每隔设定距离(例如50米)设置一个反光板路标作为环境中标志性的特征，具有易读取性，信息性和稳定性特点，能够作为拓扑结构参考定位弥补计算中带来的误差。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，超声波阵列包括多组超声波器件，每组超声波器件包括至少一个超声波发射传感4器及至少一个超声波接收传感器5；超声波发射传感4器用于向设定方向发射超声波；超声波接收传感器5用于接收经障碍物反射回的超声波；处理单元还用于根据发射超声波的时刻与接收超声波的时刻之间的时长计算障碍物与巡检机器人之间的间隔距离，并在确认间隔距离小于间隔距离阈值后，控制巡检机器人等待运行。

具体地，机器人的超声波阵列及其他的传感器单元为定位系统提供数据，其中一部分给巡检机器人定位与导航相关的，巡检机器人通过处理这部分数据进行红外激光定位，获得巡检机器人的实时位置信息。超声波阵列还可用于巡检机器人机械避障使用。巡检机器人对这部分数据进行初步处理，并通过无线模块发送给控制基站，实时控制机器人位置及避障，以上各系统的功能如图8所示。

超声波器件可分别安装于巡检机器人的前后左右四个方向，分别对四方的障碍物进行检测。当超声波发射传感4器向某一方向发射超声波后，在发射时刻的同时，计数器开始计时；超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收传感器5收到反射回的超声波后，计时器就立即停止计时。处理单元进行以下处理：超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的间隔距离s，即：s＝340t/2。在计算获得间隔距离后，可预先设定间隔距离阈值，例如1m，则当系统设定为1m内有物体时，后台可向机器人发出停止动作，使机器人等待运行，避免机器人撞上障碍物。因此，本发明实施例能够根据超声波阵列指示巡检机器人避障，防止机器人在巡检过程中撞上障碍物。

其中，超声波器件可采用集中式设计，每个器件最多支持8通道超声波，为了避免信号串扰，控制部分采用分时控制，一个扫描循环最大周期为50ms，该器件检测范围为150～8000mm，平面测试误差为20mm。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，处理单元还用于在确认间隔距离大于间隔距离阈值后，控制巡检机器人继续运行。具体地，若处理单元控制巡检机器人等待运行，则可在巡检机器人等待后，继续通过超声波器件获取间隔距离与间隔距离阈值之间的大小关系，并在障碍物移开后，即此时的间隔距离大于间隔距离阈值，那么处理单元可以控制巡检机器人继续运行。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，地铁隧道内安全巡检机器人的定位系统还包括：摄像头6；摄像头6用于拍摄障碍物的图像以使处理单元根据图像确定障碍物的种类。其中，摄像头6可以为彩色摄像头。具体地，可对障碍物的图像进行图像识别处理，获得障碍物的类别。并可进一步根据障碍物的类别通知相关人员移开障碍物，使机器人能够继续运行。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。