基于立體視覺的核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化方法

摘 要：巡檢機(jī)器人領(lǐng)域的智能導(dǎo)航智能巡檢以前所未有的突破和創(chuàng)新，帶來(lái)了無(wú)縫、高效的巡檢體驗(yàn)。無(wú)論是電力工業(yè)設(shè)備、核電能源系統(tǒng)還是化工產(chǎn)業(yè)，巡檢機(jī)器人利用智能導(dǎo)航進(jìn)行自主巡檢，減少人工對(duì)設(shè)備點(diǎn)位的巡檢。在機(jī)器人自主導(dǎo)航過(guò)程中需要對(duì)導(dǎo)航路線進(jìn)行選擇，機(jī)器人利用其傳感器系統(tǒng)全面感知周圍環(huán)境信息來(lái)確定機(jī)器人相對(duì)于目標(biāo)位置的位置和方向，計(jì)算最佳路徑并控制機(jī)器人沿著路徑移動(dòng)。本文研究核電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航路線選擇算法，為巡檢機(jī)器人提供準(zhǔn)確、高效的自主導(dǎo)航。

關(guān)鍵詞：立體視覺；核電站；巡檢機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)路徑；智能算法

中圖分類號(hào)：TP 242" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

為保證核電站穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，在核電站日常運(yùn)營(yíng)中巡檢工作是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的巡檢工作主要依賴于人工，不僅效率低，還存在安全隱患，應(yīng)用巡檢機(jī)器人成為提升核電站巡檢效率和安全性的重要途徑。運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃是巡檢機(jī)器人應(yīng)用的核心技術(shù)之一，合理的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃不僅能提高巡檢效率，減少不必要的能源消耗，還能有效避開潛在危險(xiǎn)區(qū)域，保障巡檢工作的安全性。因此，越來(lái)越多的學(xué)者針對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃進(jìn)行深入研究，文獻(xiàn)[1]利用鵜鶘優(yōu)化算法進(jìn)行巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃，可以在耗時(shí)更少的條件下得到更短的運(yùn)動(dòng)路徑，但是鵜鶘優(yōu)化算法復(fù)雜性較高，會(huì)限制運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃結(jié)果的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[2]利用蟻群算法來(lái)規(guī)劃巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，可以有效降低機(jī)器人的使用能耗，但是蟻群算法易陷入局部最優(yōu)解，難以保證路徑規(guī)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決現(xiàn)有研究成果的缺陷，本文提出一種基于立體視覺的核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化方法，為核電站巡檢機(jī)器人的發(fā)展提供新的思路和方法。

1 基于立體視覺感知核電站巡檢環(huán)境信息

在核電站內(nèi)部機(jī)器人巡檢任務(wù)中，由于環(huán)境復(fù)雜，因此機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的難度增加，針對(duì)該情況本文引入立體視覺技術(shù)，模擬人類雙眼的視覺機(jī)制來(lái)獲取核電站巡檢環(huán)境信息，為巡檢機(jī)器人提供準(zhǔn)確的環(huán)境感知能力[3]。在核電站巡檢任務(wù)中，利用安裝在巡檢機(jī)器人中的雙目相機(jī)采集環(huán)境圖像，雙目相機(jī)模擬人眼的視覺機(jī)制，利用2個(gè)并列的相機(jī)鏡頭捕捉同一個(gè)場(chǎng)景的圖像，在采集圖像的過(guò)程中，每個(gè)相機(jī)鏡頭都遵循針孔成像原理，即光線通過(guò)一個(gè)小孔投影至圖像平面中，形成圖像，如公式（1）所示。

（1）

式中：x、y和z為核電站機(jī)器人巡檢環(huán)境中任意空間點(diǎn)坐標(biāo)；x'、y'為該點(diǎn)投影在平面圖像中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)；f為核電站巡檢機(jī)器人身上搭載的雙目相機(jī)的焦距。

當(dāng)利用雙目相機(jī)采集核電站巡檢環(huán)境的照片時(shí)，由于環(huán)境噪聲和相機(jī)內(nèi)部噪聲的影響，因此采集的原始圖像包括噪聲。為了提高圖像質(zhì)量，本文采用高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，如公式（2）所示。

（2）

式中：S（x'，y'）為高斯濾波后的核電站巡檢環(huán)境圖像；ε為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)過(guò)公式（2）的預(yù)處理后，本文在保留原始核電站巡檢圖像中低頻信息的基礎(chǔ)上去除圖像中的高頻噪聲。在獲得去噪后的雙目圖像后，本文利用立體匹配算法計(jì)算圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即在2幅圖像之間尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)，這些點(diǎn)在實(shí)際場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)于同一個(gè)三維點(diǎn)[4]。在立體匹配的過(guò)程中，雙目圖像處理主要包括以下3個(gè)關(guān)鍵步驟。1）根據(jù)核電站巡檢機(jī)器人身上搭載的雙目攝像機(jī)配置情況，從2幅核電站環(huán)境圖像中選擇1幅作為參考圖像，并將另一幅圖像作為待匹配圖像。2）確定圖像的匹配基元，也就是核電站巡檢圖像中對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分的最小信息，本文遵循唯一性和可區(qū)分性等原則，選擇像素灰度作為圖像匹配基元，也就是核電站巡檢圖像中像素點(diǎn)的明亮程度是1幅圖像最基本、最直接的特征。3）根據(jù)匹配基元確定核電站巡檢環(huán)境參考圖像和待匹配圖像之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，本文計(jì)算2幅圖像中匹配基元之間的相似度，找到與其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，計(jì)算距離測(cè)度函數(shù)，得到匹配基元之間的相似度，如公式（3）所示。

（3）

式中：D（x'，y'，δ）為以核電站巡檢環(huán)境圖像中像素灰度差的絕對(duì)值之和為目標(biāo)的距離測(cè)度函數(shù)；δ為圖像視差；H1、H2分別為核電站巡檢環(huán)境的參考圖像和待匹配圖像的像素灰度值；u、v為核電站巡檢環(huán)境參考圖像中任意像素點(diǎn)坐標(biāo)；T為核電站巡檢環(huán)境參考圖像中的像素點(diǎn)集合。

距離測(cè)度函數(shù)可以計(jì)算核電站巡檢的參考圖像與待匹配圖像中各基元之間的相似度，找到2幅圖像中與匹配基元相對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)。獲取2幅核電站巡檢圖像中基元匹配點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系，即視差。核電站巡檢機(jī)器人身上搭載的雙目相機(jī)采集的2幅圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的水平偏移量的計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

δ=x1'-x2' " " " " " " " " "（4）

式中：x1'、x2'分別為核電站巡檢環(huán)境的參考圖像和待匹配圖像中對(duì)應(yīng)的最佳匹配點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

由公式（4）可知巡檢機(jī)器人雙目相機(jī)采集圖像立體匹配結(jié)果與相機(jī)焦距、基線距離等參數(shù)，可以確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。完成上述立體匹配步驟，獲得核電站實(shí)際巡檢環(huán)境中大量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用這些坐標(biāo)信息，本文可以構(gòu)建核電站巡檢環(huán)境的完整三維模型，為后續(xù)的路徑優(yōu)化提供豐富的數(shù)據(jù)支持。

2 智能算法優(yōu)化巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑

在獲取核電站巡檢環(huán)境的三維模型后，由于核電站環(huán)境的復(fù)雜性和巡檢任務(wù)的多樣性，簡(jiǎn)單的路徑規(guī)劃方法難以滿足實(shí)際需求，因此本章將利用智能算法對(duì)巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃路徑進(jìn)行優(yōu)化[5]，將改進(jìn)A*算法作為優(yōu)化工具。A*算法結(jié)合Dijkstra算法和最佳優(yōu)先搜索算法的優(yōu)點(diǎn)，在核電站巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃中將巡檢環(huán)境的三維模型中的關(guān)鍵點(diǎn)（例如障礙物、巡檢點(diǎn)等）作為節(jié)點(diǎn)，利用A*算法搜索得到從起點(diǎn)至終點(diǎn)的最短路徑，即運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃結(jié)果，在A*算法搜索過(guò)程中，采用代價(jià)評(píng)估函數(shù)[6]，如公式（5）所示。

F（γ）=D（x'，y'，δ）（G（γ）+K（γ）） " " " " " " " "（5）

式中：F（γ）為核電站巡檢環(huán)境的三維模型中節(jié)點(diǎn)γ的代價(jià)評(píng)估函數(shù)；G（γ）為三維模型中節(jié)點(diǎn)γ的實(shí)際代價(jià)；K（γ）為三維模型中節(jié)點(diǎn)γ的估計(jì)代價(jià)。

一般來(lái)說(shuō)，在核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃中，A*算法利用公式（5）的函數(shù)搜索最佳路徑，即可搜索得到巡檢三維模型中從起始位置至終止位置之間的最短路徑。但是，傳統(tǒng)的A*算法在處理核電站復(fù)雜環(huán)境的過(guò)程中可能存在路徑不夠平滑、無(wú)法有效避開障礙物等問(wèn)題，因此本文在A*算法原始代價(jià)評(píng)估函數(shù)的基礎(chǔ)上引入碰撞威脅代價(jià)進(jìn)行算法改進(jìn)，優(yōu)化核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑[7]。碰撞威脅代價(jià)衡量巡檢機(jī)器人與核電站巡檢環(huán)境中障礙物之間的潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，使用A*算法搜索得到核電站巡檢最短路徑，為防止當(dāng)機(jī)器人在該路徑中運(yùn)動(dòng)時(shí)與障礙物發(fā)生碰撞，本文主要在實(shí)際代價(jià)函數(shù)G（γ）中引入碰撞威脅代價(jià)，并賦予相應(yīng)的權(quán)值，改進(jìn)后A*算法的搜索代價(jià)評(píng)估函數(shù)中實(shí)際代價(jià)函數(shù)如公式（6）所示。

G'（γ）=ω1G1（γ）+ω2G2（γ） " " " " （6）

式中：G'（γ）為改進(jìn)后的A*算法搜索中實(shí)際代價(jià)函數(shù)；ω1、ω2分別為G1（γ）和G2（γ）在實(shí)際代價(jià)中所對(duì)應(yīng)的權(quán)值；G1（γ）為核電站環(huán)境模型中巡檢機(jī)器人已走過(guò)路程的路徑代價(jià)；G2（γ）為巡檢機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中和核電站中障礙物發(fā)生碰撞的代價(jià)。

將公式（6）代入公式（5）代價(jià)評(píng)估函數(shù)中，得到改進(jìn)后的A*算法搜索函數(shù)，利用改進(jìn)后函數(shù)在使用雙目視覺函數(shù)構(gòu)建的核電站巡檢三維環(huán)境模型中進(jìn)行搜索，在模型搜索過(guò)程中A*算法會(huì)不斷評(píng)估每個(gè)節(jié)點(diǎn)的代價(jià)值，并根據(jù)代價(jià)值的大小選擇下一步的移動(dòng)方向，直到A*算法由起始點(diǎn)搜索至目標(biāo)終點(diǎn)后，停止搜索，獲得1條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑，即核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃結(jié)果。在該巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑中不存在任何碰撞威脅，達(dá)到核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化目的。根據(jù)最佳路徑的信息控制巡檢機(jī)器人沿路徑移動(dòng)，完成核電站巡檢任務(wù)。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真環(huán)境

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于立體視覺的核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用性能，將本文設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法應(yīng)用于某核電站的巡檢任務(wù)中，進(jìn)行巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的仿真對(duì)比試驗(yàn)。將該核電站中機(jī)器人實(shí)際巡檢區(qū)域劃分為36×36的柵格，設(shè)置一些模擬障礙物，搭建本次對(duì)比試驗(yàn)的仿真環(huán)境。核電站仿真巡檢環(huán)境如圖1所示。分別采用本文設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法在該仿真核電站環(huán)境中對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)比規(guī)劃結(jié)果。

3.2 仿真結(jié)果

在上述仿真核電站環(huán)境中，本文設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法所得巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在進(jìn)行核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的過(guò)程中，3種方法所得運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃結(jié)果均沒(méi)有出現(xiàn)重復(fù)路徑，當(dāng)躲避障礙物或者改變方向時(shí)才出現(xiàn)拐彎點(diǎn)，說(shuō)明這3種方法都是可行且有效的。但是，與文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法相比，本文設(shè)計(jì)方法在核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方面效果更好，設(shè)計(jì)方法規(guī)劃的巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的總長(zhǎng)度為69個(gè)單元格，與對(duì)照組中方法相比分別縮短了26、42個(gè)單元格。本文設(shè)計(jì)方法能夠準(zhǔn)確感知周圍環(huán)境信息，構(gòu)建更精細(xì)的核電站機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍的三維模型，為路徑規(guī)劃提供更豐富的數(shù)據(jù)支持。改進(jìn)A*算法還能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，規(guī)劃最佳的核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的基于立體視覺的核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化方法在核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃過(guò)程中性能更可靠，效果更優(yōu)越。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了基于立體視覺的核電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化方法，模擬人類雙眼的視覺機(jī)制，利用立體視覺技術(shù)對(duì)核電站巡檢環(huán)境進(jìn)行三維建模，結(jié)合智能算法優(yōu)化巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑。研究結(jié)果表明，該方法能夠顯著提高機(jī)器人巡檢效率，保障核電站安全運(yùn)行。未來(lái)將進(jìn)一步深入研究提升立體視覺技術(shù)精度的方法，探索更多智能算法在巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用，適應(yīng)更加復(fù)雜多變的核電站環(huán)境，為核電事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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