一種巡檢機(jī)器人自適應(yīng)路徑巡檢方法的研究

程晶晶　周明龍

摘要：一種巡檢機(jī)器人的自適應(yīng)路徑巡檢方法，依據(jù)自適應(yīng)巡檢順序依次對(duì)交叉點(diǎn)處的巡檢路徑進(jìn)行與環(huán)境不穩(wěn)定性相匹配的自適應(yīng)巡檢，得到每個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列，將巡檢數(shù)據(jù)序列代入至預(yù)先建立的路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，得到巡檢路徑的路徑狀態(tài)，并根據(jù)巡檢路徑的路徑狀態(tài)對(duì)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度進(jìn)行反饋調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序進(jìn)行反饋調(diào)整來(lái)保障巡檢順序符合巡檢排除不穩(wěn)定性的時(shí)效性。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人；路徑巡檢；自適應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：F270? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）01-0035-03

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，巡檢機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事以及社會(huì)服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[1]，特別是以巡檢機(jī)器人為載體，搭載紅外熱成像儀、可見(jiàn)光攝像頭等設(shè)備完成與故障監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)控等相關(guān)的工作任務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

在移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究中，移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤必須具有高可靠性，并且適應(yīng)強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、高寒、高壓等特殊環(huán)境。電磁感應(yīng)巡線(xiàn)是目前用于巡檢機(jī)器人最可靠的導(dǎo)航方案。電磁感應(yīng)巡檢是利用設(shè)置在機(jī)器人上的電磁感應(yīng)傳感器不斷感應(yīng)鋪設(shè)在巡檢路徑上的磁條，以保證機(jī)器人始終行駛在既定的巡檢路徑上，磁條是永磁鐵，不受環(huán)境光線(xiàn)、溫度、濕度、天氣條件、場(chǎng)地路面的影響[2]。

但是現(xiàn)有技術(shù)中，機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中操作人員并不能直觀(guān)地確定機(jī)器人的當(dāng)前巡檢路段，導(dǎo)致巡檢路徑順序無(wú)法依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況合理規(guī)劃，不能保障巡檢時(shí)效性。

1 一種巡檢機(jī)器人自適應(yīng)路徑巡檢方法的技術(shù)方案

為解決現(xiàn)有技術(shù)中巡檢路徑順序無(wú)法依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況合理規(guī)劃，不能保障巡檢時(shí)效性的技術(shù)問(wèn)題，文章提出了一種巡檢機(jī)器人自適應(yīng)路徑巡檢方法，主要是在多個(gè)巡檢路徑的交叉點(diǎn)依次獲取每個(gè)巡檢路徑的環(huán)境數(shù)據(jù)序列[3]，通過(guò)不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型得到每個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度，排列出巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序，依次對(duì)交叉點(diǎn)處的巡檢路徑進(jìn)行與環(huán)境不穩(wěn)定性相匹配的自適應(yīng)巡檢得到每個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列，代入至預(yù)先建立的路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型得到巡檢路徑的路徑狀態(tài)，對(duì)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度進(jìn)行反饋調(diào)整，以保障巡檢順序符合巡檢排除不穩(wěn)定性的時(shí)效性。

2 一種巡檢機(jī)器人自適應(yīng)路徑巡檢方法的具體實(shí)施流程

一種巡檢機(jī)器人的自適應(yīng)路徑巡檢方法，包括以下步驟：

步驟S1：在多個(gè)巡檢路徑的交叉點(diǎn)依次獲取每個(gè)巡檢路徑的環(huán)境數(shù)據(jù)序列[4]，包括：巡檢機(jī)器人由交叉點(diǎn)出發(fā)依次向每個(gè)巡檢路徑行進(jìn)預(yù)設(shè)長(zhǎng)度得到環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在各個(gè)巡檢路徑上的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)處朝向巡檢路徑終點(diǎn)監(jiān)測(cè)每個(gè)巡檢路徑的環(huán)境數(shù)據(jù)序列，環(huán)境數(shù)據(jù)序列由環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)朝向巡檢路徑終點(diǎn)監(jiān)測(cè)到巡檢機(jī)器人的環(huán)境數(shù)據(jù)序列監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度得到。其中，巡檢機(jī)器人在獲取到一個(gè)巡檢路徑的環(huán)境數(shù)據(jù)序列后由環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)返回至交叉點(diǎn)，再由交叉點(diǎn)重新出發(fā)到另一巡檢路徑的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。

預(yù)設(shè)長(zhǎng)度設(shè)置包括：設(shè)置預(yù)設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，巡檢路徑的路徑總長(zhǎng)度為D，巡檢機(jī)器人的環(huán)境數(shù)據(jù)序列監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度為d；以獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)序列分布于巡檢路徑在上半程路徑和下半程路徑為原則構(gòu)建預(yù)設(shè)長(zhǎng)度的求解函數(shù)，求解函數(shù)的函數(shù)表達(dá)式為：

根據(jù)巡檢路徑的路徑總長(zhǎng)度D、巡檢機(jī)器人的環(huán)境數(shù)據(jù)序列監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度為d設(shè)定出每條巡檢路徑的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使得從該環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)處能夠使巡檢機(jī)器人獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)序列包含巡檢路徑上半程路徑和下半程路徑的環(huán)境情況，能夠更全面地掌握巡檢路徑的現(xiàn)實(shí)環(huán)境情況。

將環(huán)境數(shù)據(jù)序列代入至預(yù)先建立的不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型得到每個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度，包括：將各個(gè)巡檢路徑的環(huán)境數(shù)據(jù)序列代入至各個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，由不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型輸出每個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度。

不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建包括：選取每個(gè)巡檢路徑的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境數(shù)據(jù)序列以及選取多個(gè)表征每個(gè)巡檢路徑不穩(wěn)定程度的環(huán)境數(shù)據(jù)序列作為樣本環(huán)境數(shù)據(jù)序列；計(jì)算各個(gè)樣本環(huán)境數(shù)據(jù)序列與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)相似度，并將數(shù)據(jù)相似度作為樣本環(huán)境數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的巡檢路徑的不穩(wěn)定程度，數(shù)據(jù)相似度的衡量采用歐式距離、余弦相似度或相關(guān)系數(shù)中的任意一種；將每個(gè)巡檢路徑的樣本環(huán)境數(shù)據(jù)序列作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入項(xiàng)，樣本環(huán)境數(shù)據(jù)序列作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出項(xiàng)[5]，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入項(xiàng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出項(xiàng)進(jìn)行模型訓(xùn)練得到每個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型的模型表達(dá)式為：

Pi=BPi （[date]i） ? ? ? ? ?（2）

式中，Pi為第i個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度，[date]i為第i個(gè)巡檢路徑的環(huán)境數(shù)據(jù)序列，BPi為第i個(gè)巡檢路徑的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，i為計(jì)量常數(shù)。

識(shí)別巡檢路徑的不穩(wěn)定程度，其中不穩(wěn)定程度高，表明該巡檢路徑上現(xiàn)實(shí)環(huán)境情況不穩(wěn)定，易造成巡檢路徑上的設(shè)備裝置出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，因此不穩(wěn)定程度高的巡檢路徑應(yīng)當(dāng)設(shè)定為優(yōu)先巡檢，即在交叉點(diǎn)處存在多個(gè)巡檢路徑待排序時(shí)，將不穩(wěn)定程度高的巡檢路徑排列在前，從而盡快在該巡檢路徑上進(jìn)行安全巡檢，識(shí)別出異常狀況或排除異常狀況，如果存在異常狀況，可減少異常狀況的存續(xù)時(shí)長(zhǎng)，降低損失，保證巡檢的時(shí)效性。

步驟S2：基于不穩(wěn)定程度排列出巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序，并依據(jù)自適應(yīng)巡檢順序依次對(duì)交叉點(diǎn)處的巡檢路徑進(jìn)行與環(huán)境不穩(wěn)定性相匹配的自適應(yīng)巡檢得到每個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列，巡檢數(shù)據(jù)包括：設(shè)備影像、設(shè)備熱量、設(shè)備聲音等?；诓环€(wěn)定程度排列出巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序，包括：將交叉點(diǎn)的各個(gè)巡檢路徑依據(jù)不穩(wěn)定程度進(jìn)行由高到低排列得到巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序；其中，若存在至少兩個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度相同且路徑總長(zhǎng)度不相同，則將路徑總長(zhǎng)度短的巡檢路徑排列在前；若存在至少兩個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度相同且路徑總長(zhǎng)度相同，則隨機(jī)將任一巡檢路徑排列在前。依據(jù)自適應(yīng)巡檢順序依次對(duì)交叉點(diǎn)處的巡檢路徑進(jìn)行與環(huán)境不穩(wěn)定性相匹配的自適應(yīng)巡檢得到每個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列，包括：巡檢機(jī)器人由交叉點(diǎn)出發(fā)依次向每個(gè)巡檢路徑行進(jìn)至巡檢路徑終點(diǎn)監(jiān)測(cè)每個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列；其中，巡檢機(jī)器人在獲取到一個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列后由巡檢路徑終點(diǎn)返回至交叉點(diǎn)，再由交叉點(diǎn)重新出發(fā)到另一巡檢路徑的巡檢路徑終點(diǎn)處獲取另一巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列。

步驟S3：將巡檢數(shù)據(jù)序列代入至預(yù)先建立的路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型得到巡檢路徑的路徑狀態(tài)，并根據(jù)巡檢路徑的路徑狀態(tài)對(duì)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度進(jìn)行反饋調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序進(jìn)行反饋調(diào)整來(lái)保障巡檢順序符合巡檢排除不穩(wěn)定性的時(shí)效性。將巡檢數(shù)據(jù)序列代入至預(yù)先建立的路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型得到巡檢路徑的路徑狀態(tài)，包括：將各個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列代入至路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，由路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型輸出每個(gè)巡檢路徑的路徑狀態(tài)。

路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建包括：將各個(gè)巡檢路徑的歷史巡檢數(shù)據(jù)序列和歷史路徑狀態(tài)進(jìn)行提取，并將歷史巡檢數(shù)據(jù)作為SVM分類(lèi)器的輸入項(xiàng)，歷史路徑狀態(tài)作為SVM分類(lèi)器的輸出項(xiàng)，利用SVM分類(lèi)器基于SVM分類(lèi)器的輸入項(xiàng)和SVM分類(lèi)器的輸出項(xiàng)進(jìn)行分類(lèi)器訓(xùn)練得到路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型[6]，路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型的模型表達(dá)式為：

Label=SVM（[Date]）? ? ? ? （3）

式中，Label為路徑狀態(tài)，[Date]為巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列，SVM為SVM分類(lèi)器，路徑狀態(tài)包括正常狀態(tài)或異常狀態(tài)。

根據(jù)巡檢路徑的路徑狀態(tài)對(duì)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度進(jìn)行反饋調(diào)整，包括：

當(dāng)巡檢路徑的路徑狀態(tài)為正常狀態(tài)，則將巡檢路徑的不穩(wěn)定程度調(diào)整為：

當(dāng)巡檢路徑的路徑狀態(tài)為異常狀態(tài)，則將巡檢路徑的不穩(wěn)定程度調(diào)整為：

構(gòu)建路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型用于獲取巡檢路徑的路徑狀況，在確認(rèn)巡檢路徑的路徑狀態(tài)后，根據(jù)巡檢路徑的路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度進(jìn)行調(diào)整，從而為后續(xù)巡檢提供巡檢輔助，即當(dāng)前巡檢確定巡檢路徑為正常狀態(tài)，則在下次巡檢時(shí)以當(dāng)前的路徑狀態(tài)為參考，當(dāng)前巡檢為正常狀態(tài)，說(shuō)明該巡檢路徑上環(huán)境情況對(duì)路徑上設(shè)置裝置的狀況無(wú)影響或影響較小，因此需要對(duì)不穩(wěn)定程度進(jìn)行降低，從而使得該巡檢路徑的巡檢優(yōu)先性降低，本實(shí)施將路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度的調(diào)整設(shè)定與調(diào)整時(shí)間差相關(guān)聯(lián)，其中，下次巡檢較當(dāng)前巡檢的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，環(huán)境情況變化性不可估計(jì)，進(jìn)而路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度的調(diào)整可參考性降低，從而時(shí)間間隔越長(zhǎng)，不穩(wěn)定程度降低程度越小，巡檢路徑的巡檢優(yōu)先性降低程度越小，下次巡檢較當(dāng)前巡檢的時(shí)間間隔較短，環(huán)境情況變化性較小，進(jìn)而路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度的調(diào)整可參考性高，從而時(shí)間間隔越長(zhǎng)，不穩(wěn)定程度降低程度越大，巡檢路徑的巡檢優(yōu)先性降低程度越大。

當(dāng)前巡檢確定巡檢路徑為異常狀態(tài)，則在下次巡檢時(shí)以當(dāng)前的路徑狀態(tài)為參考，當(dāng)前巡檢為異常狀態(tài)，說(shuō)明該巡檢路徑上環(huán)境情況對(duì)路徑上設(shè)置裝置的狀況影響較大，因此需要對(duì)不穩(wěn)定程度進(jìn)行提升，從而使得該巡檢路徑的巡檢優(yōu)先性升高，本實(shí)施例將路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度的調(diào)整設(shè)定與調(diào)整時(shí)間差相關(guān)聯(lián)，其中，下次巡檢較當(dāng)前巡檢的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，環(huán)境情況變化性不可估計(jì)，進(jìn)而路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度的調(diào)整可參考性降低，從而時(shí)間間隔越長(zhǎng)，不穩(wěn)定程度升高程度越小，巡檢路徑的巡檢優(yōu)先性升高程度越小，下次巡檢較當(dāng)前巡檢的時(shí)間間隔較短，環(huán)境情況變化性較小，進(jìn)而路徑狀態(tài)對(duì)不穩(wěn)定程度的調(diào)整可參考性高，從而時(shí)間間隔越長(zhǎng)，不穩(wěn)定程度升高程度越大，巡檢路徑的巡檢優(yōu)先性升高程度越大。

根據(jù)巡檢路徑的路徑狀態(tài)對(duì)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度進(jìn)行反饋調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了巡檢路徑優(yōu)先性的調(diào)整[7]，利用巡檢數(shù)據(jù)對(duì)基于環(huán)境數(shù)據(jù)獲得的巡檢順序進(jìn)行修正，提高巡檢順序設(shè)定的合理性。

對(duì)巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序進(jìn)行反饋調(diào)整[8]，包括：將交叉點(diǎn)的各個(gè)巡檢路徑依據(jù)反饋調(diào)整后的不穩(wěn)定程度進(jìn)行由高到低排列得到反饋調(diào)整后的巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序；其中，若存在至少兩個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度相同且路徑總長(zhǎng)度不相同，則將路徑總長(zhǎng)度短的巡檢路徑排列在前；若存在至少兩個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度相同且路徑總長(zhǎng)度相同，則隨機(jī)將任一巡檢路徑排列在前。在計(jì)算前，將各個(gè)巡檢路徑的巡檢數(shù)據(jù)序列和環(huán)境數(shù)據(jù)序列均進(jìn)行歸一化處理。交叉點(diǎn)的巡檢路徑不包含以交叉點(diǎn)作為巡檢路徑終點(diǎn)的已完成巡檢的巡檢路徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，建立的不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型識(shí)別每個(gè)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度，基于不穩(wěn)定程度排列出巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序[9]，將巡檢數(shù)據(jù)序列代入至預(yù)先建立的路徑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型得到巡檢路徑的路徑狀態(tài)，并根據(jù)巡檢路徑的路徑狀態(tài)對(duì)巡檢路徑的不穩(wěn)定程度進(jìn)行反饋調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡檢機(jī)器人在交叉點(diǎn)的自適應(yīng)巡檢順序進(jìn)行反饋調(diào)整來(lái)保障巡檢順序符合巡檢排除不穩(wěn)定性的時(shí)效性。

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