[发明专利]石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法

说明书

本发明公开了石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法。装置包括防爆壳体，内含主控腔、接线腔和电源腔，主控腔内设有工控机、差分GPS模块、惯性测量模块、信号隔离安全栅模块、通讯模块和电源转换模块，接线腔用于转接各供电和通信电缆，电源腔内设有电源模块，防爆壳体的外部设有视觉模块、激光雷达、差分GPS模块天线和里程测量模块，工控机根据采集的视觉信息、激光雷达信息、差分GPS信息、里程信息和惯性信息，实现机器人自动适应环境的高精度定位，并基于此定位结果构建厂区的环境模型和地图。本发明通过多类型传感器的不同位姿信息方法，获取高精度的环境模型和地图，提高系统对于环境的适应性和精确性，同时系统满足防爆安全要求。

技术领域

本发明属于特种机器人定位导航领域，特别涉及了石化工厂巡检机器人环境建模与地图构建装置和方法。

背景技术

石化企业、油库、储运公司等工厂的工作区域面积通常较大，安全隐患不易排查。目前只能通过人工对各个罐区、泵区、变电所等工作场合的仪器仪表进行徒步现场检测，对输油管路、储油罐底部、泵站、计量间、流量间等工作场合的各类阀门、仪表、设备进行重点逐一检查。人工巡检的工作强度大、复杂度高，需要巡检的区域繁杂极容易漏检，存在较大的安全隐患。采用自主巡检机器人代替人工执行巡检任务，可以极大的降低工人工作强度，降低工作风险；容易扩展为多机器人协作方式，昼夜不间断工作，提高巡检效率；可以通过事先标识和自主感知发现，对需要重点巡检的场合进行程序化排查，排除人为漏检错检失误，安全性更高。

目前，巡检机器人在变电站、室内工作区域等结构化条件较好的环境已经取得应用和推广，在巡检工作自动化和智能化方面上有了一定的提高。相比于变电站，石化工厂的环境非结构化程度更高，需要巡检的内容和场所类型更复杂。例如，巡检机器人除了需要在厂区室外环境对罐区、泵区等设备进行巡检，同时还要进入变电所、流量间、计量间等室内环境。由于巡检任务的复杂性，给机器人定位和自主导航带来巨大的困难。通过石化工厂的环境建模和地图构建可以为机器人提供高精度的环境模型，基于地图可以大幅度降低机器人定位的难度，极大提高定位精度。同时环境模型的建立可以预先对重要仪器和事故多发地区的位置进行标识，对于制定巡检策略和后期机器人自主导航具有重要的作用，其质量直接影响路径规划、避障的难度和精度，决定巡检效率。另外环境模型的建立也为可视化监控机器人运行状况和环境情况带来巨大便利。

为了满足石化工厂自主巡检机器人的精确定位和自主导航的功能要求，需要对石化工厂室内和室外环境进行精确的环境建模和地图构建。目前石化行业应用的巡检机器人较少。其他领域巡检机器人常用的环境建模方法有以下几种：

(1)人工测绘构建电子地图：通过专业测绘人员采用全站仪、米尺、激光测距仪等设备进行人工测绘。此类方式主要缺点是工作量大，自动化程度低，测绘精度较差，测绘误差对于移动机器人定位和自主导航性能影响较大，同时不利于厂区环境变化后地图的实时更新；

(2)采用激光扫描仪等建模设备在厂区内进行多点测量，后期通过地图拼接方法绘制三维地图。此类方法使用的设备造价高，同时也不利于厂区环境变化后地图的实时更新。

(3)采用卫星影像或无人机测绘获得区域的地理信息构建环境地图：此类方法造价高，误差大，获得的地图仅适用于适用采用GPS等全局定位方式的机器人定位使用，无法应对大量的室内和有遮蔽环境。

(4)机器人携带如二维激光雷达、视觉相机等传感器采用在线或离线方式构建环境地图的方法。此类方法通常采用二维激光雷达或相机使用同步定位和建图方法构建二维环境地图，结合其他传感器提高定位精度。此类方法通常适用于室内环境，要求地面平坦场景简单，对于斜坡、颠簸场景应用效果差。

同时，上述建模方法仅是包含对于环境的范围描绘信息，没有精确的设备和仪器仪表标识信息，对于工作量极大的石化工厂巡检机器人执行具体巡检任务没有实质帮助，仍然只能依赖其他传感器如相机等进行大场景下的仪器仪表目标识别与监测。另外重要的一点，石化工厂使用的设备还需要满足防爆安全要求，对于现阶段使用的各类测量设备，都难以满足直接应用到此类环境区域。