一种基于轮式机器人的室内环境检测系统及方法与流程

本发明属于环境测量领域，具体的说，是涉及一种针对室内环境检测的智能化系统及方法。

背景技术：

在环境测量领域中，由于人为事故或恶劣环境的影响，常常会发生高度危险品的泄漏污染，如危险化学物质泄漏、核废料污染、强电磁辐射等，普通检测人员无法接近，使用一般手段无法实施检测。针对上述情况，采用专门用于环境检测的移动机器人来替代检测人员进入污染现场实施检测和处理是切实可行的有效手段，也是环境检测行业发展的趋势。

技术实现要素：

为了解决上述污染环境的检测问题，本发明提供一种基于轮式机器人的室内环境检测系统及方法，能够代替检测人员进行危险环境下的检测工作或完成工作量巨大的环境检测工作。

为了实现本发明的目的，本发明的具体技术方案如下：

一、一种基于轮式机器人的室内环境检测系统：

包括环境检测机器人本体和检测人员操作平台；所述的环境检测机器人包括四轮小车、驱动模块、环境感知模块、运动控制模块、环境检测模块、无线通信模块和电源；所述的四轮小车上方设有升降装置，可根据具体需求调节升降装置的高度；所述的驱动模块包括底盘电机和升降电机，所述的底盘电机固定于四轮小车的底部，用于驱动环境检测机器人，所述的升降电机用于驱动升降装置，从而使安置于升降装置上的环境检测模块可升降至不同高度；所述的环境感知模块至少包括一个深度相机，还可包括激光雷达，用于采集周围环境的特征信息，并用于周围环境的三维构建；所述的无线通信模块用于发送所述的检测人员操作平台的指令和将环境检测机器人采集到的数据进行回传；所述的运动控制模块用于根据环境感知模块采集的环境特征来实现环境检测机器人的实时定位、躲避障碍物和路径规划等功能，从而构建全局的运动轨迹和环境地图；所述的环境检测模块包括专业环境检测模块、红外测距模块和温湿度检测模块，所述的环境检测模块固定于升降装置上，所述的专业环境检测模块可用于室内环境的检测，功能包括但不限于空气质量、噪声、电磁辐射等领域的环境检测，所述的红外测距模块用于测量与障碍物之间的距离和与典型参照物之间的距离，所述的温湿度检测模块用于测量当前测量位置的温湿度信息；所述的电源置于四轮小车的内部，用于对驱动模块、环境感知模块、运动控制模块、环境检测模块、无线通信模块进行供电；所述的检测人员操作平台可实现对环境检测机器人进行任务设置、实时观看检测画面、接收和处理检测数据以及遥控环境检测机器人等功能。

所述的专业环境检测模块与系统之间为可插拔式连接，可实现即插即用，便于模块更换与系统集成。

二、一种基于轮式机器人的室内环境检测方法：

步骤s1：检测人员在检测人员操作平台上完成任务设置后，系统对所设置的待检测目标图像进行分析、预处理和特征提取，形成待检测目标分类器；

步骤s2：同时，环境检测机器人在室内环境中移动，利用深度相机完成周围环境空间的图像信息采集，包括彩色图像和深度图像。环境检测机器人将深度相机所采集的彩色图像作为待识别环境图像，图像数据经过预处理、特征提取和选择后运用svm支持向量机算法对其进行训练，判断待识别环境图像是否与原始设置的待检测目标一致，从而实现检测目标的智能识别；

步骤s3：当判定待识别环境图像为原始待检测目标时，按照需求调节专业环境检测模块中心位置与待测目标之间的距离和升降装置的高度，测量当前环境的温湿度值，测量当前位置与周围典型参照物之前的距离，依据所测量物理量的相关标准方法进行测量，每次测量时间不应小于15s，若测量数据不稳定，系统自动延长测量时间，直至读取到稳定的测量数据；

步骤s4：当判定待识别环境图像不是原始待检测目标时，对深度相机采集的彩色图像进行特征提取与匹配，将得到的二维深度图像转化为空间坐标系中的三维信息和点云数据，完成环境信息的三维构建；并采用slam算法实现环境检测机器人在当前环境下的位置估计，进而构建出全局的运动轨迹和环境地图，实现环境检测机器人躲避障碍物、路径规划等功能；

步骤s6：当环境检测机器人构建出全局的运动轨迹和环境地图后，判断是否完成所有待检测任务，若是，完成检测，否则，返回步骤s2。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1）本发明将传统环境检测领域和机器人技术相融合，以slam（simultaneouslocalizationandmapping，即时定位与地图构建）技术为核心，提供了一种基于轮式机器人的室内环境检测系统及方法，可替代检测人员进行危险环境的完成检测或完成工作量巨大的检测工作，在空间环境中可实现智能识别待检测目标、躲避障碍物和路径规划，安全可靠地完成环境检测任务。

2）本发明采用环境检测机器人和检测人员操作平台相结合的方式，可实现检测人员对环境检测机器人发送指令、实时观看检测图像、数据接收和处理、构建环境地图等功能，有利于确保检测过程的有效性和正确性，也便于应对检测过程中的突发事件。

本发明所提供的环境检测机器人通过深度相机获取环境信息，采用支持向量机算法和slam算法在空间环境中可实现智能识别待检测目标、躲避障碍物和路径规划，从而在危险环境下完成智能化判别检测目标和自动化环境检测，极大程度上降低了环境检测人员的工作风险和劳动强度，具有极高的行业价值和应用价值。

附图说明

图1是本发明所提供的基于轮式机器人的室内环境检测系统的结构框图。

图2是本发明所提供的环境检测机器人的结构图。

图中：1.四轮小车，2.升降装置，3.驱动模块，4.环境感知模块，5.无线通信模块，6.运动控制模块、7.环境检测模块、8.电源。

图3是本发明所提供的基于轮式机器人的室内环境检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，一种基于轮式机器人的室内环境检测系统，包括环境检测机器人和检测人员操作平台。环境检测机器人包括四轮小车1、驱动模块3、环境感知模块4、无线通讯模块5、运动控制模块6、环境检测模块7和电源8。系统以四轮小车1为底座，四轮小车1的上方连接升降装置2，环境检测模块7安置于升降装置2的平台上方；驱动模块3置于四轮小车1的底部，用于驱动环境检测机器人和升降装置2；电源8置于四轮小车1的内部，用于对驱动模块3、环境感知模块4、无线通信模块5、运动控制模块6、环境检测模块7进行供电；升降装置2的平台下方空间内安装环境感知模块4、无线通讯模块5和运动控制模块6。

系统的底座采用四轮小车1，运行速度可调范围大、结构简单，结合升降装置2，可使得环境检测模块7移动至不同位置、不同高度的任意检测点进行数据采集。

驱动模块3包括底盘电机和升降电机，底盘电机固定于四轮小车的底部，用于驱动环境检测机器人，升降电机用于驱动升降装置2，使得置于升降装置2上的环境检测模块7升降至不同高度完成检测。

环境感知模块4至少包含深度相机，用于获取周围环境的特征信息，从而进行周围环境的三维构建；优选的，采用激光雷达辅助测量与障碍物的距离信息，提高环境信息的测量精度。

无线通讯模块5通过wifi、4g或5g等无线网络，完成环境检测机器人与检测人员操作平台之间的通讯，实现发送检测人员操作平台的指令和将环境检测机器人采集到的数据进行回传的功能。

运动控制模块6是使用slam算法进行环境地图的构建，实现环境检测机器人的实时定位、躲避障碍物和路径规划等功能。

环境检测模块7包括专业环境检测模块、红外测距模块和温湿度检测模块。专业环境检测模块预置usb、光纤等多种接口，专业环境检测模块与系统之间为可插拔式连接，可实现即插即用，便于模块更换与系统集成，包括但不限于空气质量、噪声、电磁辐射等领域的环境检测；在环境检测的同时，采用红外测距模块和温湿度检测模块同时记录与障碍物之间的距离和环境的温湿度值，便于后期环境数据的记录和测点示意图的绘制。

如图1所示，检测人员操作平台基于ros系统进行开发，可对环境检测机器人进行任务设置、实时观看检测画面、接收和处理检测数据等功能，使得环境检测机器人在检测人员的监督下完成环境信息的检测，并且当室内环境需要调控时，可进行人为干预并遥控环境检测机器人，即人的控制级别高于巡检平台。

如图3所示，本发明具体实施例及其实施过程如下：

步骤s1：检测人员在检测人员操作平台上进行任务设置，包括待检测目标图像的设置，测量点位、高度、时长、次数等设置；系统对所设置的待检测目标图像进行分析、预处理和特征提取，形成待检测目标分类器；

步骤s2：同时，环境检测机器人在室内环境中移动，利用深度相机完成周围环境空间的图像信息采集，包括彩色图像和深度图像。环境检测机器人将深度相机所采集的彩色图像作为待识别环境图像，经过数据的预处理、特征提取和选择后运用svm支持向量机算法对其进行训练，判断待识别环境图像是否与原始设置的待检测目标一致，从而实现检测目标的智能识别；

步骤s3：当判定待识别环境图像为原始待检测目标时，按照需求调节专业环境检测模块中心位置与待测目标之间的距离和升降装置的高度，测量当前环境的温湿度值，测量当前位置与周围典型参照物之前的距离，依据所测量物理量的相关标准方法进行测量，每次测量时间不应小于15s，若测量数据不稳定，系统自动延长测量时间，直至读取到稳定的测量数据；

步骤s4：当判定待识别环境图像不是原始待检测目标时，对深度相机采集的彩色图像进行特征提取与匹配，将得到的二维深度图像转化为空间坐标系中的三维信息和点云数据，完成环境信息的三维构建；并采用slam算法实现环境检测机器人在当前环境下的位置估计，进而构建出全局的运动轨迹和环境地图，实现环境检测机器人躲避障碍物、路径规划等功能；

步骤s5：当环境检测机器人构建出全局的运动轨迹和环境地图后，判断是否完成所有待检测任务，若是，完成检测，否则，返回步骤s2。

综上所述，本发明所提供的基于轮式机器人的室内环境检测方法，通过深度相机获取环境信息，采用支持向量机算法和slam算法在空间环境中可实现智能识别待检测目标、躲避障碍物和路径规划，从而在危险环境下完成智能化判别检测目标和自动化环境检测，极大程度上降低了环境检测人员的工作风险和劳动强度。

以上对本发明所提供的一种基于轮式机器人的室内环境检测系统及方法进行了详细的说明。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对本领域的一般技术人员而言，在不背离发明实质精神的前提下对它所做的任何改动而形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。