復(fù)合雷達(dá)傳感在電纜隧道四足機(jī)器人避障中的應(yīng)用

陳艷羚，徐 治，周 宏，王驍?shù)?，?承，何 磊

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電纜分公司，上海 200072)

近年來，隨著我國(guó)對(duì)電力電纜基礎(chǔ)設(shè)施的不斷投入，電纜隧道的長(zhǎng)度也在不斷增加。電纜隧道的工況復(fù)雜、總里程長(zhǎng)、分布點(diǎn)多、巡檢周期短，大大增加了人工巡檢的難度。機(jī)器人巡檢通常采用人工控制的方式，若失去人工控制，其自主避障的準(zhǔn)確性則變得尤為重要。若采用單一傳感器，四足機(jī)器人無法在電纜隧道中實(shí)現(xiàn)良好的定位、建圖和自主巡檢功能，而采用復(fù)合雷達(dá)傳感系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)不同傳感器的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使得四足機(jī)器人的定位更加精準(zhǔn)，面對(duì)電纜隧道中的復(fù)雜工況也能安全自主地運(yùn)行。

1 各個(gè)雷達(dá)傳感器的特點(diǎn)

目前在避障方面常采用以下幾種方式：毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、圖像識(shí)別等，而每種雷達(dá)均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

毫米波雷達(dá)傳感器可以精準(zhǔn)測(cè)量其視野范圍內(nèi)與物體的距離以及與任何障礙物的相對(duì)速度，同時(shí)相較于其他雷達(dá)，它具有不受雨、煙、塵、霧或霜等環(huán)境因素的影響，具有很高的穩(wěn)定性。毫米波雷達(dá)傳感器也可以在完全黑暗或陽(yáng)光直射下工作，相較于紅外傳感器、攝像頭圖像識(shí)別，可直接安裝在無外透鏡、通風(fēng)口或傳感器表面的塑料外殼上。另外毫米波雷達(dá)傳感器的體積小、重量輕，僅僅微型激光測(cè)距儀的三分之一。然而，毫米波雷達(dá)傳感器存在測(cè)量量程較短、測(cè)量精準(zhǔn)度較低等缺點(diǎn)。

激光雷達(dá)具有較高的分辨率，可以獲得周圍障礙物的清晰圖像。此外鑒于激光雷達(dá)直線傳播的特性，其抗干擾性極強(qiáng)。然而，電纜隧道中工況復(fù)雜，激光雷達(dá)在霧、煙等環(huán)境中的衰減急劇加大，傳播距離受到很大的影響。此外激光雷達(dá)還會(huì)比較容易受到自然光或是熱輻射的影響，相較于毫米波雷達(dá)，在自然光比較強(qiáng)烈或在輻射區(qū)域的時(shí)候，激光雷達(dá)會(huì)被削弱很多。

超聲波雷達(dá)也是目前主流的測(cè)距傳感器之一。超聲波雷達(dá)的能量消耗比較緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離比較遠(yuǎn)且具有較強(qiáng)的穿透性。超聲波雷達(dá)也有其缺陷，超聲波的傳輸速度會(huì)受到環(huán)境、天氣等因素的影響，且相較于毫米波及激光雷達(dá)而言傳播速度較慢，當(dāng)主體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)存在較大的誤差。由于超聲波的散射角大，方向性較差，在測(cè)量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，其回波信號(hào)會(huì)比較弱，影響測(cè)量精度，分辨率較低。

圖像識(shí)別也是目前發(fā)展方向之一，通過攝像頭采集圖像之后，由攝像頭內(nèi)的感光電路組件及控制組件對(duì)圖像進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為電腦能處理的數(shù)字信號(hào)，從而感知四足機(jī)器人周邊的路況情況，實(shí)現(xiàn)前向碰撞預(yù)警、偏移報(bào)警和障礙物檢測(cè)等功能。借助兩個(gè)攝像頭形成雙目視覺系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)定位、估算目標(biāo)物體與本體之間的相對(duì)距離以及相對(duì)速度。但采用此方法也有缺點(diǎn)，由于工作環(huán)境的不同需要不斷地去更新和拓展樣本數(shù)據(jù)庫(kù)來保證圖像識(shí)別算法的精準(zhǔn)度，計(jì)算量龐大會(huì)對(duì)硬件以及散熱提出一定的要求，但如果使用單攝像頭對(duì)于距離的估算精準(zhǔn)度又會(huì)降低。同時(shí)由于攝像頭對(duì)于自然光的要求相較于其他傳感器要高，過暗或者過亮的環(huán)境會(huì)對(duì)成像造成一定的影響，所以會(huì)受到環(huán)境的影響。

2 復(fù)合雷達(dá)傳感的優(yōu)勢(shì)

電纜隧道中環(huán)境復(fù)雜，光線條件差、通道狹窄且缺少明顯的標(biāo)志物。在這樣的環(huán)境下，為了保證四足機(jī)器人和隧道中電纜的安全性，單一的傳感器已經(jīng)無法滿足要求。鑒于各個(gè)傳感器存在不同的優(yōu)劣勢(shì)，所以選擇將多個(gè)傳感器結(jié)合起來使用于四足機(jī)器人，使四足機(jī)器人在電纜隧道復(fù)雜的工況環(huán)境下也能精準(zhǔn)且快速地定位及避障，實(shí)現(xiàn)無人巡檢功能。

四足機(jī)器人通過搭載雙目視覺系統(tǒng)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)傳感器，形成復(fù)合雷達(dá)傳感系統(tǒng)，兼具3種傳感系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)。當(dāng)四足機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙目視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)同時(shí)啟動(dòng)。毫米波雷達(dá)對(duì)四足機(jī)器人四周環(huán)境發(fā)射連續(xù)調(diào)頻波，接收得到回波信號(hào)，通過混頻器將發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)生成混頻信號(hào)。對(duì)混頻信號(hào)進(jìn)行采樣，一維快速傅里葉變換(FFT)處理，得到對(duì)象的距離信息，再對(duì)距離信息進(jìn)行二維FFT處理，得到對(duì)象的速度信息，最終得到對(duì)象的二維平面坐標(biāo)、速度、角度等信息，實(shí)現(xiàn)初步的定位。

毫米波雷達(dá)分辨率較低的缺點(diǎn)，使其無法得到附近物體精準(zhǔn)的輪廓信息，故采用雙目視覺系統(tǒng)，對(duì)四足機(jī)器人附近環(huán)境進(jìn)行圖片處理，以電纜隧道中的滅火器箱為例，滅火器箱的邊界通常為紅色矩形狀，四足機(jī)器人讀取攝像頭傳輸?shù)漠嬅?，從輸入?shù)據(jù)中提取僅為紅色的像素，借助亮度和對(duì)比度確定紅色邊界的水平和垂直漸變的計(jì)算，然后利用霍夫變換算法找到矩形。將得到的圖案與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖案將目標(biāo)圖像關(guān)聯(lián)起來，以解析最終識(shí)別目標(biāo)物體，并最終得到?jīng)Q策。借助圖像識(shí)別功能，四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)攝像頭中的物體進(jìn)行識(shí)別和分析[1]。雙目視覺系統(tǒng)在能夠得到物體精準(zhǔn)輪廓的同時(shí)也提升了測(cè)距的精準(zhǔn)度。雙目視覺系統(tǒng)的原理與人眼類似，人能夠感知物體的遠(yuǎn)近是借助雙眼對(duì)于同一目標(biāo)所成圖像的差異。目標(biāo)物體越遠(yuǎn)，視差越小，若目標(biāo)物體越近則視差越大。通過對(duì)比兩個(gè)攝像頭所得圖像的視差計(jì)算，直接對(duì)前方的障礙物進(jìn)行距離測(cè)量而無需判斷障礙物的類型，四足機(jī)器人能夠根據(jù)距離信息的變化對(duì)任何類型的障礙物進(jìn)行識(shí)別。然而，由于雙目視覺的計(jì)算量極大，因而其對(duì)于計(jì)算單元的性能要求較高，且由于雙目視覺算法依賴環(huán)境中的自然光線采集圖像，拍攝角度、光線角度的變化、光線強(qiáng)度的變化等因素的影響可能會(huì)導(dǎo)致兩張照片的差異巨大，故其對(duì)匹配算法的要求也很高。此外電纜隧道作為一個(gè)單調(diào)缺乏視覺特征的場(chǎng)景，四周沒有特別的標(biāo)志物，會(huì)存在匹配困難的情況。因此在毫米波雷達(dá)及雙目視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加入激光雷達(dá)，以此保證四足機(jī)器人在電纜隧道中的安全。在電纜隧道環(huán)境光線較差的區(qū)域下，激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的性能能夠得到充分發(fā)揮。激光雷達(dá)向周圍發(fā)射脈沖激光，記錄脈沖激光發(fā)射的時(shí)間數(shù)據(jù)，得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于四足機(jī)器人估計(jì)的位置及四足機(jī)器人相對(duì)于前一次測(cè)量的位置，從而在得到更精準(zhǔn)結(jié)論的同時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)距離、大范圍的環(huán)境進(jìn)行建模。

3 復(fù)合雷達(dá)融合

復(fù)合雷達(dá)傳感系統(tǒng)的基本原理就像人的大腦綜合處理信息的過程，通過將毫米波雷達(dá)、雙目視覺系統(tǒng)、激光雷達(dá)所得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋[2]。信息融合是將通過各個(gè)傳感器得到的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理支配與使用，基于各傳感器獲得的分離觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)多級(jí)別、多方面組合導(dǎo)出需要的數(shù)據(jù)[3]。這不僅彌補(bǔ)了單個(gè)傳感器的劣勢(shì)，而且也綜合處理了不同傳感器所采集的數(shù)據(jù)來提高整個(gè)復(fù)合雷達(dá)傳感系統(tǒng)的精確度[4]。常用的融合算法一般分為前融合算法和后融合算法。前融合算法通過將所有傳感器得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步、空間同步融合在一起，得到XYZ空間數(shù)據(jù)、RGB顏色數(shù)據(jù)、激光反射值數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)等。后融合算法則是每個(gè)傳感器都能夠獨(dú)立處理生成數(shù)據(jù)，處理器通過對(duì)所有傳感器生成的結(jié)果進(jìn)行融合得到最終的結(jié)果。

前融合和后融合算法示意圖如圖1所示。

圖1 前融合和后融合算法示意圖

復(fù)合雷達(dá)傳感首要問題是解決傳感器的標(biāo)定，由于存在多個(gè)傳感器且不同傳感器安裝的位置并不相同，所以為了能夠使不同的傳感器對(duì)同一物體在同一時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)描述，需要保證數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的時(shí)間戳能夠一一對(duì)應(yīng)。相比單一傳感器的標(biāo)定，保證不同傳感器對(duì)同一目標(biāo)描述的時(shí)間戳對(duì)齊是復(fù)合傳感器融合標(biāo)定難點(diǎn)所在。由于單一傳感器中的數(shù)據(jù)采集與發(fā)布都是基于內(nèi)部集成的晶振，所以其發(fā)布的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是對(duì)齊的。精確同步方法要求毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、雙目視覺系統(tǒng)3種傳感器輸入的感知數(shù)據(jù)的時(shí)間戳需要高度對(duì)齊，因此在處理數(shù)據(jù)同步時(shí)，需要得到的均為同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，之后只需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合即可，而這3種傳感器的感知數(shù)據(jù)都是基于各自的晶振，這些晶振之間多少存在一些誤差，因此需要采用時(shí)間近似同步的方法。此外由于近似同步方法處理得到的數(shù)據(jù)在頻率的精確度上可能會(huì)存在誤差，所以需要將多個(gè)傳感器在某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

將雙目視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)3個(gè)傳感器對(duì)于同一個(gè)物體得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步后，可以獲得該物體在雙目視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系、激光雷達(dá)坐標(biāo)系、毫米波雷達(dá)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，由于經(jīng)過了時(shí)間近似同步所以3組數(shù)據(jù)的時(shí)間戳相同，因此該物體在不同傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)均表示該物體的位置，通過這樣的方式就可以得到3種傳感器坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。將多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)時(shí)間近似同步后進(jìn)行融合實(shí)現(xiàn)不同傳感器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使四足機(jī)器人在面對(duì)電纜隧道中復(fù)雜的工況時(shí)也能安全運(yùn)行。通過前端對(duì)復(fù)合傳感得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行近似同步、視覺特征提取等處理能使四足機(jī)器人了解所處環(huán)境，實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人在不規(guī)則障礙物遍布、光線環(huán)境差的場(chǎng)景下完成定位、建圖以及自主巡檢。通過后端對(duì)視覺詞匯、雷達(dá)掃描所得結(jié)果進(jìn)行處理，可使得四足機(jī)器人的定位功能進(jìn)一步優(yōu)化矯正，生成柵格地圖。

電纜隧道中環(huán)境光線較差、無明顯標(biāo)志物、通道較為狹窄且存在樓梯及防火門門檻等，3種雷達(dá)傳感系統(tǒng)各自負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)的方面，毫米波雷達(dá)負(fù)責(zé)近處障礙物的探測(cè)和測(cè)距，但鑒于其分辨率不高，便使用雙目視覺系統(tǒng)對(duì)周圍障礙物進(jìn)行區(qū)分、識(shí)別。毫米波雷達(dá)對(duì)于遠(yuǎn)處的探測(cè)能力有限，而激光雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)處的探測(cè)能力則彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，收發(fā)激光獲取四足機(jī)器人及目標(biāo)障礙物的相對(duì)位置，即使是在光線較差的環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)四足機(jī)器人的定位。因此，四足機(jī)器人通過激光雷達(dá)結(jié)合毫米波雷達(dá)所得的距離數(shù)據(jù)，基于SLAM建立三維環(huán)境模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境及障礙物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得四足機(jī)器人能在無人控制的環(huán)境下做到安全自主巡檢。目前主流的視覺SLAM算法主要基于圖像特征提取和匹配追蹤。通過從圖像中選取具有以下特征的點(diǎn)或者局部區(qū)域作為特征：需要能夠區(qū)別于周圍區(qū)域的顯著性以及不變形包括尺度不變形、旋轉(zhuǎn)不變形、放射不變形。提取輸入圖像的特征后，便可實(shí)現(xiàn)圖像之間的特征點(diǎn)關(guān)聯(lián)，目前主要采用特征匹配的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。一些外部因素如光照變化、相機(jī)劇烈運(yùn)動(dòng)、相機(jī)本身的噪聲等，會(huì)使得到的匹配點(diǎn)中存在大量的異常值，因此可以采用KNN匹配、交叉匹配等方式來剔除異常值。

4 結(jié)語(yǔ)

四足機(jī)器人復(fù)合雷達(dá)傳感系統(tǒng)借助雙目視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)3種傳感器進(jìn)行了多種傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理，完成了數(shù)據(jù)的時(shí)間近似同步與聯(lián)合標(biāo)定。

針對(duì)雙目視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)3種傳感器的晶振時(shí)鐘與發(fā)布頻率不一致，設(shè)計(jì)精確同步與近似同步算法完成了3種傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間同步；然后基于同步后的雙目視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)、毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)完成了復(fù)合雷達(dá)系統(tǒng)的聯(lián)合標(biāo)定。復(fù)合雷達(dá)傳感系統(tǒng)彌補(bǔ)了各自的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了四足機(jī)器人遠(yuǎn)距離、近距離障礙物輪廓識(shí)別，并形成四足機(jī)器人周圍環(huán)境的三維環(huán)境模型，實(shí)現(xiàn)自主避障及巡檢，解決了電纜隧道人工巡檢效率低的問題。