Page 24 - 电力与能源2022年第三期

2 1 4 陈艳羚, 等: 复合雷达传感在电缆隧道四足机器人避障中的应用

天气等因素的影响, 且相较于毫米波及激光雷达 到附近物体精准的轮廓信息, 故采用双目视觉系
而言传播速度较慢, 当主体高速运动时会存在较 统, 对四足机器人附近环境进行图片处理, 以电缆
大的误差。由于超声波的散射角大, 方向性较差, 隧道中的灭火器箱为例, 灭火器箱的边界通常为
在测量较远距离的目标时, 其回波信号会比较弱, 红色矩形状, 四足机器人读取摄像头传输的画面,
影响测量精度, 分辨率较低。 从输入数据中提取仅为红色的像素, 借助亮度和
图像识别也是目前发展方向之一, 通过摄像 对比度确定红色边界的水平和垂直渐变的计算,
头采集图像之后, 由摄像头内的感光电路组件及 然后利用霍夫变换算法找到矩形。将得到的图案
控制组件对图像进行处理并转化为电脑能处理的 与数据库中的图案将目标图像关联起来, 以解析

数字信号, 从而感知四足机器人周边的路况情况, 最终识别目标物体, 并最终得到决策。借助图像
实现前向碰撞预警、 偏移报警和障碍物检测等功 识别功能, 四足机器人实现了自动对摄像头中的
能。借助两个摄像头形成双目视觉系统, 可实现 物体进行识别和分析 [ 1 ] 。双目视觉系统在能够得
定位、 估算目标物体与本体之间的相对距离以及 到物体精准轮廓的同时也提升了测距的精准度。
相对速度。但采用此方法也有缺点, 由于工作环 双目视觉系统的原理与人眼类似, 人能够感知物
境的不同需要不断地去更新和拓展样本数据库来 体的远近是借助双眼对于同一目标所成图像的差
保证图像识别算法的精准度, 计算量庞大会对硬 异。目标物体越远, 视差越小, 若目标物体越近则
件以及散热提出一定的要求, 但如果使用单摄像 视差越大。通过对比两个摄像头所得图像的视差
头对于距离的估算精准度又会降低。同时由于摄 计算, 直接对前方的障碍物进行距离测量而无需
像头对于自然光的要求相较于其他传感器要高, 判断障碍物的类型, 四足机器人能够根据距离信
过暗或者过亮的环境会对成像造成一定的影响, 息的变化对任何类型的障碍物进行识别。然而,
所以会受到环境的影响。 由于双目视觉的计算量极大, 因而其对于计算单
元的性能要求较高, 且由于双目视觉算法依赖环
2 复合雷达传感的优势
境中的自然光线采集图像, 拍摄角度、 光线角度的
电缆隧道中环境复杂, 光线条件差、 通道狭窄 变化、 光线强度的变化等因素的影响可能会导致
且缺少明显的标志物。在这样的环境下, 为了保 两张照片的差异巨大, 故其对匹配算法的要求也
证四足机器人和隧道中电缆的安全性, 单一的传 很高。此外电缆隧道作为一个单调缺乏视觉特征
感器已经无法满足要求。鉴于各个传感器存在不 的场景, 四周没有特别的标志物, 会存在匹配困难
同的优劣势, 所以选择将多个传感器结合起来使 的情况。因此在毫米波雷达及双目视觉系统的基
用于四足机器人, 使四足机器人在电缆隧道复杂 础上再加入激光雷达, 以此保证四足机器人在电
的工况环境下也能精准且快速地定位及避障, 实 缆隧道中的安全。在电缆隧道环境光线较差的区
现无人巡检功能。 域下, 激光雷达和毫米波雷达的性能能够得到充
四足机器人通过搭载双目视觉系统、 激光雷 分发挥。激光雷达向周围发射脉冲激光, 记录脉
达、 毫米波雷达传感器, 形成复合雷达传感系统, 冲激光发射的时间数据, 得到每个测量点相对于
兼具 3 种传感系统的优势, 同时也弥补了各自的 四足机器人估计的位置及四足机器人相对于前一
缺点。当四足机器人开始运动时, 双目视觉系统、 次测量的位置, 从而在得到更精准结论的同时, 对
毫米波雷达、 激光雷达同时启动。毫米波雷达对 远距离、 大范围的环境进行建模。
四足机器人四周环境发射连续调频波, 接收得到
3 复合雷达融合
回波信号, 通过混频器将发射信号与回波信号生
成混频信号。对混频信号进行采样, 一维快速傅 复合雷达传感系统的基本原理就像人的大脑
里叶变换( FFT ) 处理, 得到对象的距离信息, 再对 综合处理信息的过程, 通过将毫米波雷达、 双目视
距离信息进行二维 FFT 处理, 得到对象的速度信 觉系统、 激光雷达所得到的原始数据进行多层次、
息, 最终得到对象的二维平面坐标、 速度、 角度等 多空间的信息互补和优化组合处理, 最终产生对

信息, 实现初步的定位。 观测环境的一致性解释 [ 2 ] 。信息融合是将通过各
毫米波雷达分辨率较低的缺点, 使其无法得 个传感器得到的多源数据进行合理支配与使用,