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(kāi)始研發(fā)應(yīng)用，本文分析了國(guó)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(wèn)題，展望了未來(lái)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：安防；巡邏；機(jī)器人
1引言
我國(guó)是世界上人口第一大國(guó)，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市人口越來(lái)越多，因此維護(hù)城市公共安全是對(duì)市民正常生活的一個(gè)重要保障，特別是公共場(chǎng)所如城市商業(yè)廣場(chǎng)、汽車站、火車站、機(jī)場(chǎng)附近以及學(xué)校等。自從近年來(lái)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(chǎng)所的安全問(wèn)題成為社會(huì)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(guó)家雖然在公共場(chǎng)所的安防監(jiān)控做了較大的改善工作，公共場(chǎng)所配備交巡警進(jìn)行安防工作，然而依然存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1）監(jiān)控設(shè)備的位置固定，因此有監(jiān)控死角，還有無(wú)法對(duì)某處場(chǎng)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(wú)法發(fā)出警示聲音或者標(biāo)識(shí)，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(chǎng)所如火車站、汽車站內(nèi)進(jìn)不去；并且在校園、城市廣場(chǎng)等地影響正常的學(xué)習(xí)或商業(yè)辦公工作。
4）缺乏知識(shí)的老人或者小孩在遇到緊急情況時(shí)沒(méi)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(hào)碼。
2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
美國(guó)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(chǎng)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(gè)國(guó)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(cè)器和熱成像系統(tǒng)，連接手機(jī)可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
新加坡公司Otsaw Digital將安防機(jī)器人和偵查無(wú)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(dòng)態(tài)的躲避障礙物來(lái)識(shí)別無(wú)人看管的背包等異常物體。該系統(tǒng)同時(shí)具備面部識(shí)別和車牌識(shí)別系統(tǒng)，能夠用于識(shí)別人物和車輛。O-R3機(jī)器人的無(wú)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(shí)候能夠自動(dòng)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(huì)發(fā)送給控制中心，而人類團(tuán)隊(duì)將會(huì)監(jiān)控這些數(shù)據(jù)甚至在有必要的時(shí)候完全接管O-R3。
圖1 Knightscope公司機(jī)器人
圖2 O-R3機(jī)器人
圖3 Robo-Guard安防機(jī)器人
圖3所示為韓國(guó)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(guó)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(dòng)，具有多個(gè)攝像頭和其他傳感器，可協(xié)同守衛(wèi)獄警檢測(cè)犯人具有潛在危險(xiǎn)的異常舉動(dòng)，如暴力或者自殺行為等。
2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)手萬(wàn)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(guó)防科大營(yíng)區(qū)、長(zhǎng)沙市博物館、中國(guó)工商銀行銀河支行、深圳寶安機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所試用，并以其出色表現(xiàn)獲得用戶一致好評(píng)。該機(jī)器人高1.49m、重78KG、腰圍直徑0.8m、巡邏時(shí)速1Km/h、最大行走速度18Km/h、續(xù)航時(shí)間達(dá)8小時(shí)，電量不足時(shí)可自主尋找附近充電樁進(jìn)行自主充電。綜合了UWB無(wú)線定位技術(shù)、激光雷達(dá)SLAM技術(shù)、視覺(jué)定位技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制模型與驅(qū)動(dòng)、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(cè)、遙控制暴、聲光報(bào)警、身份識(shí)別、自主充電等多種功能。
圖4 國(guó)防科大AnBot
圖5 萬(wàn)科VX-1悟空一號(hào)
在天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故之后，萬(wàn)科建筑研究中心于2015年底對(duì)外發(fā)布代號(hào)為“VX-1”（中文名稱：悟空一號(hào)）的巡邏機(jī)器人如圖5所示，具有無(wú)線通訊、磁導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、車牌識(shí)別室內(nèi)室外巡邏、360度全方位監(jiān)控、問(wèn)路引路、垃圾巡檢、行人檢測(cè)、熱成像顯示和人臉識(shí)別等多種功能，主要用于居民社區(qū)和公共場(chǎng)所提供安全保障。
圖6 安保巡邏機(jī)器人
圖7 安保服務(wù)機(jī)器人
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(guó)內(nèi)首次提出“機(jī)器人+安保”的“動(dòng)靜結(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(chǎng)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(cè)等任務(wù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳后臺(tái)管理云平臺(tái)歸檔和分析，在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，無(wú)須人工干涉；搭載360度全景高清紅外一體夜視云臺(tái)攝像機(jī)，可在復(fù)雜環(huán)境下提供監(jiān)控畫(huà)面，搭載拾音器可收集現(xiàn)場(chǎng)聲音，供后臺(tái)監(jiān)控人員參考；搭載多種氣體傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣質(zhì)量；集成模式識(shí)別算法及人工智能，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、車牌識(shí)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(yǔ)音對(duì)講，前后臺(tái)互動(dòng)等技術(shù)支持。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(yǔ)音交互、自主打印等服務(wù)機(jī)器人的功能。
3研究方法
對(duì)于安防巡邏機(jī)器人的研究而言，有多個(gè)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(cè)、識(shí)別和跟蹤、多傳感器信息融合、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、電源供應(yīng)、人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)控制、多機(jī)協(xié)作等。
1)機(jī)械結(jié)構(gòu)。作為移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)所研究的重要方向，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)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(chǎng)景而定。若應(yīng)用場(chǎng)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(jiǎn)單。若應(yīng)用場(chǎng)景為臺(tái)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(dòng)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(jué)導(dǎo)航等方法。光電和電磁循跡方法簡(jiǎn)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(shí)提供絕對(duì)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(hào)。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(chǎng)景決定切換到某種方式。
3)目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)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(dòng)態(tài)的采集到多個(gè)位置的圖像視頻，涉及運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、特征提取、人臉識(shí)別、目標(biāo)跟蹤等圖像處理領(lǐng)域的技術(shù)和方法。
4)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器人在前端現(xiàn)場(chǎng)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(tái)，同時(shí)后臺(tái)需要發(fā)布一些指令給機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整工作方式，因而需要多通道的無(wú)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。
4存在的問(wèn)題
針對(duì)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(wèn)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(hào)較弱或者無(wú)信號(hào)時(shí)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(duì)于一些非平地路面的輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)平臺(tái)，遇到復(fù)雜路面或者臺(tái)階等，如何實(shí)現(xiàn)越障功能。
3)對(duì)于行人或者突發(fā)狀態(tài)中如何識(shí)別出圖像中的異常狀態(tài)。
4)多個(gè)同類型的安防機(jī)器人、安防機(jī)器人與無(wú)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(lái)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(chǎng)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)。
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