工业园区悬挂轨道式巡检机器人关键技术分析及发展趋势

石登龙 李文义 崔碧晟 孙忠杨 黄勇森 把建龙

摘  要：本文对一种在工业生产领域的悬挂轨道式巡检机器人关键技术进行了分析，探讨了该机器人如何利用信息采集系统、图像处理系统、智能控制系统、定位与路径规划、自主充电、通信系统等关键技术实现由传统人工巡检逐步走向以人工智能技术为依托的“智能巡检”和“立体巡检”。并对该机器人的未来发展方向做出展望，指明工业园区悬挂轨道式巡检机器人关键技术的发展方向，以供参考和借鉴。

关键词：巡检机器人技术  悬挂轨道  智能巡检  发展方向

中图分类号：TM63                           文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）01（a）-0087-08

Abstract： In this paper， a suspension rail type inspection robot in the field of industrial production key technologies are analyzed， and the robot is discussed how to utilize the information collection system， image processing system， the intelligent control system， the orientation and path planning， autonomous charging， communication system and other key technologies to realize from the traditional manual inspection step by step towards based on artificial intelligence technology "intelligent inspection" and "stereo inspection". The future development direction of the robot is prospected， and the development direction of the key technology of the suspended rail inspection robot in the industrial park is indicated for reference.

Key Words： Inspection robot technology; Suspension rail; Intelligent inspection; Development direction

产业园区承担了企业的生产、经营、管理等各项业务，因此对产业园区的稳定、安全运行提出了更高的要求，监管能力需要进一步提升，在现代安防项目建设中，大部分企业会以固定摄像头监控为主，安保人员巡逻为辅的方式来设计解决方案。但这种固定式摄像头监控设置以“固定式”为主，对于视频监控视角以外的死角区域无法做到面面俱到，已经不能满足当前智能制造建设的要求。工业园区悬挂轨道式巡检机器人就是在这种背景下发展起来的，它依托各种相关检测设备和信息处理算法可在巡检过程中对园区环境安全因素进行识别、把控、火灾预警与消防等，相比传统人工巡检具有更大优势，能够实现比人工巡检更智能的工厂辅助管理与紧急情况处置，对企业的正常生产活动发挥至关重要的作用。

1  概述与研究现状

1.1 悬挂轨道式巡检机器人概述

工业园区悬挂轨道式巡检机器人是一个集环境感知、信息融合、动态决策与路径规划、运动控制与任务执行等多功能融于一身的动态系统。该机器人区别于传统的巡检机器人，其运行轨道位于墙壁或者天花板，有特定的运行轨道。它是以移动机器人作为载体，以可见光摄像机、红外热成像仪、多种传感器和其它检测设备作为载荷系统，利用RFID定位—固定轨道—机器视觉—数据分析的多种信息融合作为机器人自主巡检与自主移动的导航系统，并以嵌入式计算机作为控制系统的软硬件开发平台。是一种以智能化技术为基础，可编程并且融合了电力电子、导航定位、无线通信网络、多传感器融合和图像识别等技术的巡检机器人，系统结构图如图1所示。

工业园区悬挂轨道式巡检机器人可作为移動式监控平台，巡检过程中模拟人工操作，通过调用总数据库的标准数据来与检测到的数据进行比对和分析处理，对工业设备的状态和突发灾害做出正确的判断和相应的操作，例如控制电闸通断、打开消防水阀等，赋予工业园管理者的角色，替代了传统人工巡检。图2为工业园区悬挂轨道式巡检机器人三维模型示意图。

1.2 发展历程及研究现状

现代巡检机器人的研究最早可以追溯到20世纪60年代末期，由美国斯坦福研究院（SRI）研制出了名为Shakey的自主移动机器人，初步具备在复杂环境下自主推理、辨别物体、运动控制和路径规划等功能，被视为巡检机器人最早的雏形。

我国的巡检机器人的研究始于 20 世纪 90 年代，相对国外来说起步较晚。1998年武汉大学研制出了一种通过遥控操作的巡线小车，2000年改进为由两个伞形轮交替跨越障碍，两套带夹具和行程放大臂的交替爬行驱动机构。到2016年，山东鲁能智能科技有限公司开发出了一种用于变电站的轨道式室内巡检机器人，可实现环境监测设备测温功能，仪表状态识别等功能。

巡检机器人自20世纪60年代问世以来，已经取得了许多实质性的成果。尤其是在电力行业中的应用，逐步取代了传统的人工巡检。而且在其他行业也开始蓬勃发展。关于巡检机器人的巡检应用方案目前主要有三种：第一种是地面式巡检机器人，用于地面巡检。可沿地面自主移动，目前应用较为广泛，这种机器人运动灵活性较高，但运动路线的不确定因素较多，巡检轨迹规划对算法的依赖程度较大，对传感器依赖程度高。第二种是飞行式巡检，主要由无人机承担巡检，巡检范围广，灵活性最高。但局限于空间广阔的地方执行任务，受天气等环境因素影响较大。第三种则是悬挂轨道式巡检机器人，沿固定导轨进行移动。该机器人运动路线由悬挂式轨道固定，由机械结构保证，运动安全性高，而且不占用地面空间，灵活性不如地面式巡检机器人，但在未来，这种悬挂轨道式巡检机器人将成为智能制造必不可少的关键环节，起到智慧园区的“智能管家”作用。

2  关键技术

2.1 定位与路径规划

定位是传统巡检机器人要解决的三个基本问题之一，目前虽然GPS已经能够提供高精度的全局定位，但对于工业园区悬挂轨道式巡检机器人来说，其应用具有一定局限性。例如在室内GPS信号很弱、信号被遮挡、多径效应等原因造成位置丢失、精度下降。而且工业园区悬挂轨道式巡检机器人应用环境是在建筑群内，往往都是多机器人、多楼层同步巡检，利用GPS可能会造成位置重叠，因此GPS不适用该巡检机器人。

目前巡检机器人主流的定位技术主要有WIFI定位、RFID定位和Bluetooth定位，这几种定位技术都需要部署定位基站，WIFI要部署AP，RFID要部署RFID Reader，Bluetooth要部署Bluetooth基站或iBeacon。WIFI定位的劣势是定位精度不高，没有方位性，定位精度误差一般在5m左右，而且WIFI基站或AP的信号易受干扰，容易出现不稳定的情况，无法保证定位的精度;Bluetooth定位精度比WIFI定位更高一些，定位精度一般在3～5m左右，目前最新的Bluetooth定位技术已经能够将定位精度精确到厘米级别，但目前还没有被广泛应用，其主要缺点是定位距离较短，一般只能应用在20m的范围内。而RFID定位相对WIFI定位和RFID定位而言，RFID定位精度高于WIFI定位和Bluetooth定位，稳定的工作半径可达到50m左右，有源RFID定位最远距离可达150m，而且应用成本也相对低。综上所述，工业园区悬挂轨道式巡检机器人采用RFID定位技术作为无线定位的方法。

RFID技术又称无线射频识别。是一种非接触式的自动识别技术，可通过无线电信号自动识别目标对象并读写相关数据，不需要识别模块与特定目标之间建立光学或机械接触。RFID技术可识别高速运动物体并且可同时识别多个电子标签。主要由应答器（或电子标签）和询问设备（或读取器）两个部分组成。该技术可用于检测、控制和跟踪工业园区悬挂轨道式巡检机器人，实现定位功能。RFID还分为有源和无源两类，有源电子标签内部包含独立电源，寿命比无源的更长，而且功率更高，识别距离更远。当前有源RFID 技术的主要频段为：433MHz、900MHz、2.45GHz、5.8GHz。超高频有源RFID的通讯距离最高可达150米。无源标签依赖于读取器提供外部电磁信号来为其供电。RFID定位能满足工业园区悬挂轨道式巡检机器人在工业园区复杂的轨道环境的定位要求。

路径规划也是工业园区悬挂轨道式巡检机器人研究中的一项关键的技术。工业园区的巡检轨道布局可能是错综复杂的，那么当该机器人执行智能巡检任务时，如何去选择合适的轨道巡检，这也是我们需要考虑的，这就涉及到路径规划的研究。工业园区悬挂轨道式巡检机器人追求的是类似于巡检人员执行巡视任务时的路径搜索逻辑，即在已知轨道布局情况下搜索到节点间的最优巡检路径。目前主要的路径规划算法主要有：栅格法、人工势场法、可视图法、自由空间法、A^*算法、D^*算法、模糊逻辑算法、神经网络算法等。不同的规划方法各有自己的优势和缺点。格栅法一直是机器人路径的规划的基础方法，现在巡检机器人常用的路径搜索算法之一就是A^*算法和D^*算法，A^*算法是一种应用广泛的启发式搜索算法，能够实现搜索效率和精度的均衡，A^*算法及其衍生的D^*算法是一种行之有效的路径规划的方法。在实际设计巡检机器人过程中，首先考虑到环境的复杂度，再结合巡检机器人自身处理能力的特点，选择最合适的路径规划方法，以实时有效的让巡检机器人选择最优路径完成巡检任务。

2.2 环境感知系统

工业园区悬挂轨道式巡检机器人的环境感知系统也称为信息采集系统，是作为巡检机器人一项最基本的系统。环境感知能力的高低直接决定了工业园区悬挂轨道式巡检机器人的智能性，该巡检机器人集成了激光雷达、超声、深度相机、热成像相机、温度传感器、湿度传感器、气体传感器等多种传感器和信息采集设备，可实时进行工业园区的高清摄像、温度、湿度、粉尘、烟雾、噪音、气体和异常情况等环境指标信息的采集。

工业园区悬挂轨道式巡检机器人在实际应用过程中，巡检任务不仅具有特殊性和复杂性，而且还要融合几种不同作业任务，除了作为固定监控系统的补充和用于开展移动视频监控之外，还将巡检环境中的高低温、干湿度、有毒气体检测、工业设备异常等全方位的环境进行感知与监测。该机器人感知系统采用多传感器融合技术，如图3所示，将传感器的检测数据进行融合，然后从融合的数据中提取特征向量，过滤掉采集的數据中无用的或干扰信息，最后进行判别。把机器人上的多种不同类型的传感器看作一个整体分析，以此获得周围环境更准确、更全面的信息，补偿了各传感器单一处理的不确定性和检测范围的局限性，以此提高系统的可靠性和降低系统的不确定性，以及提高系统描述环境的能力。充分利用多传感器融合技术赋能安防巡检，抽取数据源中关键有用信息进行分析，识别监控画面中的异常情况，并以最快和最准确的方式发出警报或触发其它设备进行联动，保障巡检作业的可靠性。

2.3 图像处理系统

工业园区悬挂轨道式巡检机器人图象处理技术决定着机器人敏锐的识别能力，也是作为工业园区悬挂轨道式巡检机器人的重要技术之一，决定了巡检的准确性，其图像处理技术也是巡检机器人设计环节需要重点考虑的。基于该巡检机器人双目视觉系统，利用红外和IP数字摄像机拍摄采集红外图像、园区的环境数据、仪表数据、设备状态和生产状态等信息，对采集到的图像信息进行处理，与数据库的数据进行匹配对比，累计图像分析、纹理判断等对园区环境和设备是否出现异常做出相应的判断。利用霍夫变换、尺度不变特征变换等算法的研究实现开关位置识别等问题。基于深度学习的图像识别算法实现图像分割、图像分类、物体检测等，图像信息处理算法的优化是图像识别的核心问题。

工业园区悬挂轨道式巡检机器人图象处理技术涉及到基本图像处理方法、二维图像处理方法和三维图像处理方法处理。其中基本图像处理又分为二分值处理、微分处理、Hough变换和模板匹配等方法，二维、三维图像处理方法也会用到基本图像处理的方法。二维图像处理方法也就是用于识别平面图，可实现识别仪表数据和物体位置检测，通常采区域用Hough变换的方法。三维图像通过机器人移动和云台的升降拍摄来获取，三维图像处理方法不仅获取的信息量大，还能够解决在立体匹配中常出现的对应点超出图像边界的问题，主要应用于巡检机器人的视觉导航、识别物体轮廓和监控等。

2.4 智能控制系统

工业园区工业设备较多，巡检区域范围广，环境错综复杂，需要工业园区悬挂轨道式巡检机器人具备强大的自主巡检、多机器人联动和抗干扰能力。这就要求工业园区悬挂轨道式巡检机器人搭载高可靠、高性能的智能控制系统。智能控制是工业园区悬挂轨道式巡检机器人的核心部分，现代智能控制系统主要采用嵌入式系统和互联网等技术相融合，同时利用虚拟三维模型增强信息量和观感度技术，以及多机器人协同控制算法，建立一套完备的调度体系和联动机制。实现“一点触发、全面联动”的控制系统，形成预防、监控、应急和决策的全面安防巡检体系。

目前常用于悬挂轨道式巡检机器人智能控制的方法主要有模糊控制、神经网络控制。至今模糊控制已经成为智能控制的主要组成部分，是一种非线性控制。模糊控制是基于模糊推理及模仿人的思维方法，对难以建立数学模型的对象实施的一种控制，它的优势在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种推理方法，是处理复杂且无法建立精确数学模型的系统控制问题的有效方法。他具有处理非线性、精确数学模型、时滞和时变系统的强大功能，基本的模糊控制系统结构如图4所示。

神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术，包括信息加工、处理、储存和搜索等过程，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络具有信息的并行处理、分布储存和自学习能力等优点，在模式识别、信息处理和智能控制等领域具有很大的应用前景，目前的大多数悬挂轨道式巡检机器人均是利用该技术实现智能控制。

2.5 人工智能技术

人工智能直接影响工业园区悬挂轨道式巡检机器人的功能和应用水平，人工智能技术在智能巡检机器人的应用主要包括：控制与驱动、自主移动、定位导航以及传感器数据采集、图像处理、专家系统分析与决策、大数据分析等方面。工业园区悬挂轨道式巡检机器人不仅仅是要求“看到”某个物体，更要“认识”这物体，还要做出判断和反应。利用人工智能技术可以将這些庞大复杂的数据进行分析和提取，以一个直观的结果反馈给人类。人工智能技术在每一个领域的突破和发展，都会对智能巡检机器人核心功能、平台特性、数据运维管理、专家决策与预警等起到推动作用，下面具体说明：

（1）环境智能监控。园区稳定的环境是工业设备安全运行和企业生产的基础，在出现危机的情况下，巡检机器人将控制环境的风机、报警器、排水装置、灭火器等实现环境智能监控与预警。环境智能监控需要AI在数据处理、联动控制、模式识别等方面起到重要作用。

（2）机器人即时定位。即时定位与导航是该机器人实现各类数据采集任务和作业的基础，而定位的精度、防跌落功能、导航避障功能都有赖于AI算法的先进程度和可靠性。

（3）机器人控制与决策。该机器人在底层伺服驱动、路径规划、任务管理等方面均有神经网络控制、前馈控制等AI算法的应用，未来随着悬挂轨道式巡检机器人结构更加多样化、环境适应性提升以及任务多样化，对AI的依赖越紧密。

（4）机器人数据采集与处理。AI在视频、图像、语音等领域的不断发展，也推动了悬挂轨道式巡检机器人在图像处理、设备音频采集与判断、数据采集与处理等各方面能力的逐步提升。各种深度学习算法的不断应用，有效提升图像识别的适应性和准确性。

（5）大数据平台与专家系统。感知系统采集的数据进入平台后，通过多维度的数据挖掘和数据关联分析等技术，结合专家系统等管理工具，进行辅助决策与判断，从而提升园区管理水平。

2.6 自主充电技术

虽然电池可以为该巡检机器人提供电能， 但是这种供电方式也限制了巡检机器人在长时间、不间断工作场景中的续航能力。因此在对设计该巡检机器人的自主充电方案时提出了更高的要求。当前自主充电技术包括接触式、非接触式和光能充电。接触式自主充电技术需要利用导航定位技术来实现，也就是通过自动定位找到固定充电接口并将机器人本体的接口自动进行连接。非接触式自助充电技术就是利用磁共振、电磁感应、微波无线等无线感应的方式来传输电能，但这种充电方式其电能传输功率较小，不能有效运用于该机器人。光能则是利用太阳能板将光能转换为电能，其电能转换效率也很低，也不适用于工业园区悬挂轨道式巡检机器人。综合工业园区悬挂轨道式巡检机器人的应用环境和作业方式，该机器人一般采用的是接触式的自主充电技术，在悬挂轨道上设置多个充电点，利用 RFID 标签定位技术和路径规划算法，在电源不足的情况下自动可以根据自身位置选择最近充电点进行充电，采用这种充电方式要考虑到充电接口有污秽和出现磨损的情况。但由于工业园区可能存在某些危险性气体，因此在设计充电接口是要注意防止产生电火花，做好防爆、防静电处理，避免点燃可燃气体发生爆炸。

2.7 通信系统

巡检机器人的通信并不是传统意义上的无线蜂窝网络通信或者有线电话网络系统，工业园区悬挂轨道式巡检机器人通信的主体是机器人，不同的巡检机器人的应用背景也不同，因此在对巡检机器人在设计通信系统时应当充分考虑其应用背景的特点，结合多方面的因素选择最优的设计方案。工业园区悬挂轨道式巡检机器人的应用场合是比较特殊的，是面向工业园区设计的智能巡检机器人，园区会有许多生产车间、工业设备和人员等，环境较为复杂。在这些特殊环境下，需要关注以下几个方面：

（1）电源受限。工业园区悬挂轨道式巡检机器人采用电池供电，无线通信本身也是十分消耗电能的，它需要不断地发射功率来发送和接受信号。电池不仅要为无线通信供电，还要为电机驱动和外部信息采集设备等的对电能有较大需求的单元供电。电池的容量是有限的，要保证通信质量的前提下还要关注机器人的续航能力等其它耗电的情况，这关乎巡检机器人所巡检区域的安全性。因此，在设计工业园区悬挂轨道式巡检机器人的通信模块时，要关注通信模块的能耗问题，保证通信质量的前提下尽可能选择能耗较低的通信系统设计方法。

（2）人机交互及QoS保障。工业园区悬挂轨道式巡检机器人系统中，通信系统应当能够保证提供较好的通信质量以及可靠的图像数据传输宽带等，尽可能的降低网络延迟。使工作人员发送的控制指令能够让机器人实时的接收并执行，并且还能够给工作人员提供机器人系统实时的信息。

（3）通信设备体积。工业园区悬挂轨道式巡检机器人采用悬挂式的轨道运行，因此，机身整体体积和质量不宜过大，避免给轨道增加负担和安装上带来的不便，过大的体积和质量会给机器人的运动带来额外的负荷，进而增加能耗，还会造成该机器人的机动性不足。

考虑到上述巡检机器人的通信特点，工业园区悬挂轨道式巡检机器人采用WIFI技术进行通信。在工业园区内，通过AP网桥建立大功率WIFI覆盖区域，该机器人带有无线上网天线，进而实现无线通信，WIFI通信示意图如图5所示。

2.8 多机器人系统

对于工业园区这种复杂的环境，光靠一个巡检机器人进行作业是远远不够的，往往需要多台机器人之间的协调作业才能实现全方位的立体巡检和监控，这就涉及到了多机器人系统。多机器人要实现相互协调作业就必须确定机器人之间在逻辑上和物理上的信息关系和控制关系，以及处理异常问题的能力和如何分布等问题。充分发挥多机器人系统的优势，就要处理好一些关键技术，例如体系结构、任务分配、运动规划、通信、合作与协调、机器人学习与协调适应性等关键技术。

3  发展趋势

通过分析工业园区悬挂轨道式巡检机器人关键性技术，未来工业园区悬挂轨道式巡检机器人的发展重点将会集中在以下几个方面：

（1）多机器人协同作业。未来的智慧化园区、智慧工厂的巡检模式必将是多机器人共同协调作业，充分发挥群体机器人优势。多机器人系统避免了单机器人作业的不足，相比單机器人巡检，多机器人巡检具有以下优势：适合完成复杂巡检工作、有良好的时空分布性、感知分布性和功能分布性、较高的系统可靠性和较好的灵活性。

（2）智能化。未来的工业园区悬挂轨道式巡检机器人智能化发展方向将是“巡检机器人+人工智能+大数据分析”的时代，数据的处理能力和识别效率不断提升。在此基础上再加入深度学习算法和多传感器信息融合技术为智能化提供支撑。例如AR 实景检测、 3D 扫描技术以及预警应急处理等，让该机器人自动规划巡检任务、调整巡检路线和决策等，实现高级智能化。

（3）小型化、轻量化和模块化。机器人的机身结构设计过大会使得机器人移动起来不够机动灵活，也不易于控制，不能实现快捷、精准的运动。所以如何对工业园区悬挂轨道式巡检机器人小型化、轻量化设计是该巡检机器人所需要解决的问题。保证巡检机器人功能的前提下尽量使巡检机器人小型化、轻量化，这样可提高机器人的灵活性和节省空间，还便于维护和保养以及提升电池续航能力。模块化设计则是对该巡检机器人采用模块化的设计理念，针对应用场景不同，更换不同的模块即可实现不同的功能。

（4）多技术融合。未来的工业园区悬挂轨道式巡检机器人发展注重与新兴技术融合，新兴技术领域会给巡检机器人带来更多的机遇。把云计算、智能传感器技术、信息技术、人工智能、等多种新兴技术融合到该巡检机器人的开发中，以弥补单一技术所带来功能缺陷，满足工业园区悬挂轨道式巡检机器人不断转型升级的需求。

4  结语

综上，随着各种技术的迭代更新，智能化的轨道式巡检机器人赋能工业园区的安全领域，它们将传统安防行业的被动式安防转变为智能化主动式安防，利用云计算、人工智能、大数据和图像处理技术、智能控制、多机器人系统等前沿科技，实现与人工巡检具有相同的自主性和灵活性，克服人工巡检存在不足，提升工业园区的智能管理水平，满足智慧化园区、智慧工厂的建设要求。工业园区悬挂轨道式巡检机器人比传统人工巡检和固定式监控具有更大优势，应用前景广阔。本文还对未来该机器人的发展趋势进行了展望，包括多机器人协同、智能化、小型化、轻量化和模块化、多技术融合等技术。为该机器人的进一步发展提供有力的参考依据。

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