安防巡邏機(jī)器人研究綜述

葛耿育

摘要：作為機(jī)器人的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，安防巡邏領(lǐng)域目前剛開始研發(fā)應(yīng)用，本文分析了國內(nèi)外安防巡邏機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，討論了多種核心技術(shù)的內(nèi)容，給出了研究存在的問題，展望了未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：安防；巡邏；機(jī)器人

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0178-02

Abstract：As one of the important application field of robot， security patrol area has just started to develop application at present.This paper analyzes the security patrol robot research status， discusses the variety of the content of the core technology， presents the problems existing in the study and prospects the development direction of the future.

Key words： security； patrol； robot

1 引言

我國是世界上人口第一大國，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市人口越來越多，因此維護(hù)城市公共安全是對市民正常生活的一個重要保障，特別是公共場所如城市商業(yè)廣場、汽車站、火車站、機(jī)場附近以及學(xué)校等。自從近年來新疆打砸搶燒事件、昆明火車站暴恐事件、湖南校園群毆事件、湖北十堰市一小學(xué)持刀砍人等一系列事件的發(fā)生，城市安全特別是公共場所的安全問題成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)之一，因此城市安全防范力度需要很大程度上的提高。國家雖然在公共場所的安防監(jiān)控做了較大的改善工作，公共場所配備交巡警進(jìn)行安防工作，然而依然存在以下幾個問題：

1）監(jiān)控設(shè)備的位置固定，因此有監(jiān)控死角，還有無法對某處場景做到可調(diào)整距離或者清晰度的視頻監(jiān)控。

2）監(jiān)控設(shè)備無法發(fā)出警示聲音或者標(biāo)識，給予潛在的犯罪事故警示和威懾。

3）交巡警車輛較大，有些場所如火車站、汽車站內(nèi)進(jìn)不去；并且在校園、城市廣場等地影響正常的學(xué)習(xí)或商業(yè)辦公工作。

4）缺乏知識的老人或者小孩在遇到緊急情況時沒有報(bào)警設(shè)備或者忘記相應(yīng)的報(bào)警電話，如火警、匪警、醫(yī)療急救、交通事故等相關(guān)的號碼。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國外研究現(xiàn)狀

美國硅谷的機(jī)器人安保公司Knightscope研發(fā)和生產(chǎn)了K1、K3、K5和K7系列安防機(jī)器人如圖1所示，K1主要用于各種車站場所、K3用于室內(nèi)、K5用于室外、K7用于多種復(fù)雜地形，其中K5系列已經(jīng)和16個國家簽約使用，該機(jī)器人擁有GPS定位、激光掃描、沿指定線路巡邏或者任意自主行走和熱感應(yīng)等多項(xiàng)功能，并配備有監(jiān)控?cái)z像機(jī)、感應(yīng)器、氣味探測器和熱成像系統(tǒng)，連接手機(jī)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送[1]。

新加坡公司Otsaw Digital將安防機(jī)器人和偵查無人機(jī)有機(jī)的整合在一起，所研發(fā)設(shè)計(jì)的O-R3是全球首款偵查范圍覆蓋地面和空中的室外安防機(jī)器人，如圖2所示，配備了深度學(xué)習(xí)算法，不僅能夠動態(tài)的躲避障礙物來識別無人看管的背包等異常物體。該系統(tǒng)同時具備面部識別和車牌識別系統(tǒng)，能夠用于識別人物和車輛。O-R3機(jī)器人的無人機(jī)能夠巡視100米范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的監(jiān)控，從而減少人類安保人員的需求。當(dāng)車輛處于低電狀態(tài)的時候能夠自動到達(dá)就近的充電樁進(jìn)行充電。O-R3機(jī)器人的所有警報(bào)都會發(fā)送給控制中心，而人類團(tuán)隊(duì)將會監(jiān)控這些數(shù)據(jù)甚至在有必要的時候完全接管O-R3。

圖3所示為韓國京畿大學(xué)的Lee Baik-Chu教授團(tuán)隊(duì)所研發(fā)設(shè)計(jì)的Robo-Guard安防機(jī)器人應(yīng)用于韓國浦項(xiàng)市東邊的一家監(jiān)獄。該機(jī)器人擁有1.5m左右的高度，四輪驅(qū)動，具有多個攝像頭和其他傳感器，可協(xié)同守衛(wèi)獄警檢測犯人具有潛在危險(xiǎn)的異常舉動，如暴力或者自殺行為等。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)手萬為智能機(jī)器人技術(shù)有限公司研發(fā)的集安防和服務(wù)于一體的安防巡邏機(jī)器人“AnBot”如圖4所示，已經(jīng)在國防科大營區(qū)、長沙市博物館、中國工商銀行銀河支行、深圳寶安機(jī)場等場所試用，并以其出色表現(xiàn)獲得用戶一致好評。該機(jī)器人高1.49m、重78KG、腰圍直徑0.8m、巡邏時速1Km/h、最大行走速度18Km/h、續(xù)航時間達(dá)8小時，電量不足時可自主尋找附近充電樁進(jìn)行自主充電。綜合了UWB無線定位技術(shù)、激光雷達(dá)SLAM技術(shù)、視覺定位技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、運(yùn)動控制模型與驅(qū)動、人工智能主控大腦、自組織網(wǎng)絡(luò)以及智能視頻分析與學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，具有自主巡邏、智能監(jiān)控探測、遙控制暴、聲光報(bào)警、身份識別、自主充電等多種功能。

在天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故之后，萬科建筑研究中心于2015年底對外發(fā)布代號為“VX-1”（中文名稱：悟空一號）的巡邏機(jī)器人如圖5所示，具有無線通訊、磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、車牌識別室內(nèi)室外巡邏、360度全方位監(jiān)控、問路引路、垃圾巡檢、行人檢測、熱成像顯示和人臉識別等多種功能，主要用于居民社區(qū)和公共場所提供安全保障。

中智科創(chuàng)機(jī)器人有限公司和香港中文大學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的安防巡邏機(jī)器人如圖6所示，在國內(nèi)首次提出“機(jī)器人+安?！钡摹皠屿o結(jié)合”的立體化安防理念，目前已應(yīng)用到華為坂田工業(yè)園等場景。機(jī)器人可沿預(yù)先設(shè)定好的路徑自主行走，并在指定的地點(diǎn)停留執(zhí)行查看、檢測等任務(wù)，數(shù)據(jù)自動上傳后臺管理云平臺歸檔和分析，在發(fā)現(xiàn)異常時及時自動報(bào)警，無須人工干涉；搭載360度全景高清紅外一體夜視云臺攝像機(jī)，可在復(fù)雜環(huán)境下提供監(jiān)控畫面，搭載拾音器可收集現(xiàn)場聲音，供后臺監(jiān)控人員參考；搭載多種氣體傳感器等實(shí)時監(jiān)控空氣質(zhì)量；集成模式識別算法及人工智能，實(shí)現(xiàn)人臉識別、車牌識別、異常聲音分析、行為分析等智能分析軟件；支持聲光報(bào)警、一鍵SOS報(bào)警、雙向語音對講，前后臺互動等技術(shù)支持[2-4]。圖7所示為該公司的安保服務(wù)機(jī)器人，除了多數(shù)同類機(jī)器人安防功能外，增加了語音交互、自主打印等服務(wù)機(jī)器人的功能。

3 研究方法

對于安防巡邏機(jī)器人的研究而言，有多個技術(shù)研究方向，如：機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人的定位與導(dǎo)航、目標(biāo)檢測、識別和跟蹤、多傳感器信息融合、無線通信網(wǎng)絡(luò)、電源供應(yīng)、人機(jī)交互、運(yùn)動控制、多機(jī)協(xié)作等。

1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)。作為移動機(jī)器人平臺所研究的重要方向，機(jī)器人移動平臺選擇輪式、履帶式、腿式結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)等需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景而定。若應(yīng)用場景為平坦地面，則輪式結(jié)構(gòu)效率最高、功耗最低、控制較為簡單。若應(yīng)用場景為臺階或者粗糙地面，則需要考慮腿式、履帶式、輪履切換式等復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2） 定位與導(dǎo)航。常用的移動機(jī)器人導(dǎo)航定位方法有電磁循跡、紅外光電循跡、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光雷達(dá)導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航等方法。光電和電磁循跡方法簡單可靠，但行走路線受到限制，較為固定和單一。衛(wèi)星定位作為室外定位和導(dǎo)航常用方法，可以連續(xù)實(shí)時提供絕對的經(jīng)緯度參數(shù)信息，卻容易受到建筑物或者山體等遮擋信號。激光雷達(dá)導(dǎo)航具有定位精度高、受干擾小等優(yōu)點(diǎn)，但高精度的設(shè)備成本較高。目前最合適的解決方法是多種導(dǎo)航定位方法融合使用，根據(jù)環(huán)境和場景決定切換到某種方式。

3） 目標(biāo)檢測、識別和跟蹤。傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)多為靜態(tài)的固定位置攝像頭采集圖像信息，而安防巡邏機(jī)器人能夠動態(tài)的采集到多個位置的圖像視頻，涉及運(yùn)動檢測、特征提取、人臉識別、目標(biāo)跟蹤等圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)和方法[5-8]。

4） 無線通信網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器人在前端現(xiàn)場采集到多種傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)、圖像視頻、音頻等，需要將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程后臺，同時后臺需要發(fā)布一些指令給機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時調(diào)整工作方式，因而需要多通道的無線傳輸技術(shù)。常用電信網(wǎng)絡(luò)的4G或5G網(wǎng)絡(luò)、全域覆蓋的WiFi節(jié)點(diǎn)等方式[9]。

4 存在的問題

針對上節(jié)內(nèi)容研究方法和內(nèi)容所述，目前安防巡邏機(jī)器人的研究和應(yīng)用也存在一定的問題需要解決。

1） 室外導(dǎo)航用的GPS等方式在室內(nèi)或者建筑物大廳內(nèi)信號較弱或者無信號時怎么定位機(jī)器人的位置，如何切換到室內(nèi)定位和導(dǎo)航技術(shù)方式。

2） 對于一些非平地路面的輪式移動結(jié)構(gòu)平臺，遇到復(fù)雜路面或者臺階等，如何實(shí)現(xiàn)越障功能。

3） 對于行人或者突發(fā)狀態(tài)中如何識別出圖像中的異常狀態(tài)。

4） 多個同類型的安防機(jī)器人、安防機(jī)器人與無人機(jī)以及安防機(jī)器人與安保人員之間如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作等。

5 展望

隨著安防巡邏機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展，未來將實(shí)現(xiàn)自主化和智能化的運(yùn)作方式，協(xié)同現(xiàn)有的安防監(jiān)控系統(tǒng)，解決公共場所的安全隱患、巡邏監(jiān)控和災(zāi)情預(yù)警等工作，減少安全事故的發(fā)生，減少人民的生命財(cái)產(chǎn)的損失，為公共安全領(lǐng)域做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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