一种冰结构探测机器人及探测方法
技术领域
本发明涉及机器人自动检测技术领域，特别涉及一种冰结构探测机器人及探测方法。
背景技术
在地球南北极和我国青藏高原等地区，仍存在着大量未经过探测和研究的冰川区域。目前，对未知冰川探测大多数处于半自动化状态，需要人员在现场高海拔区域进行数据记录和样品处理，使得现场工作难度极大，并且未知冰川区域通常遍布有可见或不可见的冰裂隙，对人员和设备的安全造成巨大威胁。现有的方法都难以解决大范围冰川探测、冰上安全路线确定、冰川雪样自动采集的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种冰结构探测机器人及探测方法，以解决现有技术无法检测大范围冰川、确定冰上安全路线、冰川雪样自动采集的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种冰结构探测机器人，包括移动机器人、还包括设置于所述移动机器人上的可见冰裂隙及障碍物探测系统、雷达探测系统、雪样采集系统及机器人端控制器；
所述可见冰裂隙及障碍物探测系统用于获取可见冰裂隙及障碍物信息，并将可见冰裂隙及障碍物信息发送给机器人端控制器；
所述雷达探测系统用于获取不可见冰裂隙信息和冰结构信息，并将不可见冰裂隙信息和冰结构信息发送给机器人端控制器；
所述机器人端控制器用于接收所述可见冰裂隙及障碍物探测系统发送的可见冰裂隙及障碍物信息，及接收所述雷达探测系统发送的不可见冰裂隙信息和冰结构信息，进行路径规划和避障；
所述雪样采集系统用于采集雪样或冰样。
所述雪样采集系统设置于所述移动机器人的前端；
所述雷达探测系统设置于所述移动机器人的后端；
所述可见冰裂隙及障碍物探测系统设置于所述移动机器人的的顶部。
所述可见冰裂隙及障碍物探测系统包括三自由度云台及设置于所述三自由度云台上的激光雷达和远距离观测相机，所述激光雷达和远距离观测相机用于观测和获取移动机器人周围环境的障碍物信息与可见冰裂隙信息。
所述雷达探测系统包括探冰雷达和探冰雷达支撑臂，其中探冰雷达支撑臂的一端与所述移动机器人连接，探冰雷达设置于探冰雷达支撑臂的另一端上；所述探冰雷达用于探测不可见冰裂隙信息和冰结构信息；所述探冰雷达支撑臂可根据地形动态调整所述探冰雷达的探测高度和角度。
所述雪样采集系统包括样品箱、前视觉平台、近距离操作相机、采样机械臂及采样工具，其中样品箱、前视觉平台及采样机械臂设置于所述移动机器人的前端；所述采样工具设置于所述采样机械臂的执行末端；所述近距离操作相机设置于所述前视觉平台内，用于实时监测采样机械臂的采样过程。
所述采样机械臂的基座关节位于所述前视觉平台的下方；所述样品箱位于所述前视觉平台的上方。
所述的冰结构探测机器人还包括惯性导航单元；所述惯性导航单元用于将所述移动机器人实时位置和姿态信息发送给机器人端控制器，所述机器人端控制器根据移动机器人实时位置和姿态信息进行所述移动机器人的运动控制。
所述的冰结构探测机器人还包括无线通讯设备；所述无线通讯设备用于通过无线方式读取所述雷达探测系统采集的冰结构数据信息，及与所述机器人端控制器和监控计算机进行通信。
一种冰结构探测方法，包括上述的冰结构探测机器人，所述方法包括以下几个步骤：
步骤一、监控计算机根据航拍图像进行大尺度路线规划，避开机器人无法通过的大尺寸冰裂隙制定新路线，并将新路线通过无线传输设备发送给机器人端控制器；同时，惯性导航单元
将移动机器人的位置和姿态信息发送给机器人端控制器；
机器人端控制器接收移动机器人的位置和姿态信息后，根据监控计算机的控制指令控制移动机器人运动，实现新路线的跟踪；
步骤二、通过激光雷达和远距离观测相机探测可见障碍物及可见冰裂隙，并将可见障碍物及可见冰裂隙信息发送给机器人端控制器，机器人端控制器记录可见冰裂隙数据并控制移动机器人进行自主避障；
步骤三、当在安全路线探测模式下时，探冰雷达的雷达数据及位置通过无线传输设备实时发送给监控计算机，监控计算机同时对数据进行图形化显示；
步骤四、通过采样机械臂和采样工具进行冰面或雪面的雪样采集，并将样品转运到样品箱内。
在步骤三中，当在大范围冰川结构探测模式下时，探冰雷达的数据可以先储存在存储卡，后期统一进行数据处理和分析。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明冰结构探测机器人前部装有采样机械臂、采样冰钻、前视觉平台、样品箱，能够实现雪样采集。
2.本发明冰结构探测机器人装有大范围观测相机和激光雷达，能够在探测可见冰裂隙数据的同时避开路线上出现的可见障碍物及可见冰裂隙，显著提高设备安全性。
3.本发明探冰雷达支撑臂能根据地形，动态改变探冰雷达的离地高度和探测角度；探冰雷达信号通过机器人无线传输设备实时传输给监控计算机，可以避免储存再处理，实现实时探测冰上安全运输路线。
4.本发明应用冰结构探测机器人的探测方法，操作人员在远距离即可观测探冰雷达探测的冰结构数据，避免了在冰结构探测过程中，不可见冰裂隙导致的人员危险。
5.本发明轮式或履带式机器人可搭载探冰雷达实现在冰面或雪面上的快速行驶，地面机器人负载能力强，能源充足，能实现大范围冰川结构探测，大幅提高探测效率。
附图说明
图1为本发明冰结构探测机器人的结构示意图之一；
图2为本发明冰结构探测机器人的结构示意图之二；
图3为本发明冰结构探测机器人的控制流程框图。
图中：1为探冰雷达，2为探冰雷达支撑臂，3为惯性导航单元，4为无线通讯设备，5为机器人端控制器，6为激光雷达，7为三自由度云台，8为远距离观测相机，9为样品箱，10为前视觉平台，11为近距离操作相机，12为采样机械臂，13为采样工具，14为机器人底盘驱动单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供的一种冰结构探测机器人，包括移动机器人、设置于移动机器人上的可见冰裂隙及障碍物探测系统、雷达探测系统、雪样采集系统及机器人端控制器5，其中可见冰裂隙及障碍物探测系统用于获取可见冰裂隙及障碍物信息，并将可见冰裂隙及障碍物信息发送给机器人端控制器5；雷达探测系统用于获取不可见冰裂隙信息和冰结构信息，并将不可见冰裂隙信息和冰结构信息发送给机器人端控制器5；机器人端控制器5用于接收可见冰裂隙及障碍物探测系统发送的可见冰裂隙及障碍物信息，及接收雷达探测系统发送的不可见冰裂隙信息，进行路径规划和避障；雪样采集系统用于采集雪样或冰样。
本发明的实施例中，如图1所示，冰结构探测机器人还包括惯性导航单元3和无线通讯设备4；惯性导航单元3用于将移动机器人实时位置和姿态信息发送给机器人端控制器5，机器人端控制器5根据移动机器人实时位置和姿态信息进行移动机器人的运动控制。无线通讯设备4用于通过无线方式读取雷达探测系统采集的冰结构数据信息，及与机器人端控制器5和监控计算机进行通信，监控计算机安装在远程控制端。
本发明的实施例中，雪样采集系统设置于移动机器人的前端；雷达探测系统设置于移动机器人的后端；可见冰裂隙及障碍物探测系统设置于移动机器人的的顶部。
本发明的实施例中，如图1所示，可见冰裂隙及障碍物探测系统包括三自由度云台7及设置于三自由度云台7上的激光雷达6和远距离观测相机8，其中激光雷达6和远距离观测相机8用于探测和获取移动机器人周围环境的障碍物信息和可见冰裂隙信息，并将障碍物信息和可见冰裂隙信息发送给机器人端控制器5。
本发明的实施例中，如图1所示，雷达探测系统包括探冰雷达1和探冰雷达支撑臂2，其中探冰雷达支撑臂2的一端与移动机器人连接，探冰雷达1设置于探冰雷达支撑臂2的另一端上；探冰雷达1用于探测不可见冰裂隙信息和冰结构信息；探冰雷达支撑臂2可根据地形动态调整探冰雷达1的探测高度和角度。
本发明的实施例中，如图1所示，雪样采集系统包括样品箱9、前视觉平台10、近距离操作相机11、采样机械臂12及采样工具13，其中样品箱9、前视觉平台10及采样机械臂12设置于移动机器人的前端；采样工具13设置于采样机械臂12的执行末端；近距离操作相机11设置于前视觉平台10内，用于实时监测采样机械臂12的采样过程。
具体地，采样机械臂12的基座关节位于前视觉平台10的下方；样品箱9位于前视觉平台10的上方。
本发明的实施例中，采样机械臂12为六自由度机械臂，机械臂内置有力检测和力反馈系统，末端安装采样冰钻，采样冰钻可视采集对象更换成其他采样工具。探冰雷达支撑臂2为两个自由度机械臂，末端安装探冰雷达1。采样机械臂12、探冰雷达支撑臂2的能源由移动机器人提供。移动机器人的底部设有机器人底盘驱动单元14，机器人底盘驱动单元14通过机器人端控制器5控制。
本发明的工作流程是：
如图3所示，本发明提供的一种冰结构探测机器人，能够实现将冰结构数据和环境信息实时传输到监控计算机。在本发明中，监控计算机负责航拍图像拼接、新任务路线创建与下发、探冰雷达数据接收与处理、人机交互等功能。机器人端控制器5负责传感器数据处理和发送、控制指令收发、底层控制命令处理等。机器人端控制器5和监控计算机之间通过无线传输设备4进行数据通讯。探冰雷达1用于采集冰下结构数据，探冰雷达1的天线型号可根据冰厚进行更换。探冰雷达1通过固定支架连接到探冰雷达支撑臂2，探冰雷达支撑臂2具有两个转动自由度，可调节探冰雷达天线的离地高度，在通过崎岖地形时，可改变雷达探测角度，同时保证雷达不受损坏。激光雷达6和远距离观测相机8都固定安装在机器人前端的三自由度云台7上，对现场环境进行探测感知，并将空间环境信息传输至机器人端控制器5，由机器人端控制器5进行路径规划和避障，三自由度云台7可根据需要进行升降、俯仰、旋转调整视野范围；前视觉平台10安装在机器人前部，近距离操作相机11安装在前视觉平台10内，采样机械臂12倒装在前视觉平台下，近距离操作相机11可以对采样过程进行实时监测；采样机械臂12具备六个自由度，末端固定安装有采样工具13，采样工具13中采集的样品可以通过采样机械臂12回收到固定的采样箱9内。机器人运动过程中惯性导航单元3将机器人实时的位置和姿态信息同时发送给机器人端控制器5，机器人端控制器5根据反馈信息进行机器人运动控制，监控计算机完成机器人位置和姿态信息的实时监控。机器人驱动单元14可以根据实际积雪厚度，采用轮式或履带式两种驱动方式。
一种冰结构探测方法，包括如上述任意之一实施例中的冰结构探测机器人，所述方法分为安全路线探测和大范围冰结构探测两种工作模式，具体包括以下几个步骤：
步骤一、基于航拍照片的大尺度路线规划，首先应用预定路线的航拍图像，在操作人员对航拍图像进行拼接后，找到预定路线上的移动机器人无法通过的冰裂隙区域，避开预定路线上大的冰裂隙，规划新的运行路线，并将新路线通过无线传输设备4发送给机器人端控制器5；同时，惯性导航单元3将移动机器人的位置和姿态信息发送给机器人端控制器5；机器人端控制器5接收移动机器人的位置和姿态信息后，根据监控计算机的控制指令控制移动机器人运动，实现新路线的跟踪；
步骤二、基于远距离观测相机8和激光雷达6的可见冰裂隙探测，移动机器人在接收到新路线后，按新的路线行驶；在行驶过程中，通过激光雷达6和远距离观测相机8探测可见障碍物及可见冰裂隙，并将可见障碍物及可见冰裂隙等环境信息发送给机器人端控制器5，机器人端控制器5经处理后可以识别路线上航拍图像未显示的障碍物或冰裂隙，机器人端控制器5记录可见冰裂隙数据并控制机器人驱动单元14进行自主避障；操作人员可通过机器人端控制器5控制三自由度云台7运动，三自由度云台7通过无线传输设备4将图像传输至监控计算机，操作人员对机器人运动状态实时监控；
步骤三、基于探冰雷达1的不可见冰结构探测，在机器人运行过程中，移动机器人行驶速度需要匹配探冰雷达1信号频率；
当在安全路线探测模式下时，探冰雷达1的雷达数据及位置通过无线传输设备4实时发送给监控计算机，监控计算机同时对信号处理后，进行实时的冰结构图形化显示，供远距离的操作人员记录数据；操作人员须对雷达数据进行实时监测和处理，运输车队可跟随移动机器人在安全路线上行驶；
当在大范围冰川结构探测模式下时，探冰雷达1的数据可以先储存在存储卡，后期统一进行数据处理和分析；
步骤四、基于采样机械臂12和采样工具13的雪样采集，冰结构探测在探冰雷达1运行过程中可同时执行采样任务；通过采样机械臂12和采样工具13进行冰面或雪面的雪样采集，并将样品转运到移动机器人前部固定的样品箱9内。
冰结构探测机器人可以为并列同时工作的多台机器人设备，可显著提高工作效率。冰结构探测机器人可根据冰川积雪情况，采用轮式或履带式两种移动方式。
本发明应用冰结构探测机器人的探测方法，操作人员在远距离即可观测探冰雷达探测的冰结构数据，避免了在冰结构探测过程中，不可见冰裂隙导致的人员危险。本发明轮式或履带式机器人可搭载探冰雷达实现在冰面或雪面上的快速行驶，地面机器人负载能力强，能源充足，能实现大范围冰川结构探测，大幅提高探测效率。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
