一种火面巡视器长距离安全移动和高效探测方法及装置

技术领域

本发明属于长距离移动和探测技术领域，特别涉及一种火面巡视器长距离安全移动和高效探测方法及装置。

背景技术

通过桅杆相机进行图像感知，在10m范围内，障碍高度识别精度约为5cm，考虑到巡视器越障能力为20cm，通常通过局部感知进行路径规划的最远距离不超过10m。此外，通过桅杆相机，进行两站点图像匹配，有效匹配的最远距离也为10m。因此，受限于环境感知能力，考虑路径规划的安全性，传统巡视器一次盲走距离不超过10m；考虑移动前后两个站点定位精度，获取巡视器(火星车)移动滑转率，从而能够发现车轮滑转下陷危险，即使采用自主避障移动模式，通常一次移动距离也不超过10m。综上，传统巡视器单次移动距离不能突破10m限制。

此外，传统的定点探测，由于受载荷设备探测距离的限制，无法实现远距离探测，通常采用先移动到探测停泊点，再进行环境感知，地面确认探测停泊点位置及探测点位置后，再进行探测，需要进行多次器地交互才能完成探测任务。

传统的移动和探测模式，需要进行多次器地交互，效率较低，在地火通信严重受限的情况下，火星表面巡视探测需要开展高效移动和高效探测方案设计。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种火面巡视器长距离安全移动和高效探测方法及装置，火面巡视器具有环境感知、盲走、自主避障移动、视觉测程移动模式和定点探测等工作模式。移动前，火面巡视器首先进行环境感知，地面规划导航目标点后，通过一次控制指令，在环境感知范围内进行盲走，在环境感知范围外进行自主避障移动，前后两次移动间再通过环境感知建立站点地图，解决复杂地形下，高速、安全的长距离移动问题。探测前，火面巡视器首先进行环境感知，地面明确感兴趣点后，通过一次控制指令，通过视觉测程精准移动到探测停泊点，随后开展定点探测，解决大范围探测地火信息交互频繁问题，提高探测效率，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种火面巡视器运行方法，该火面巡视器预设环境感知、盲走、自主避障移动、视觉测程移动模式和定点探测模式；火面巡视器进行长距离安全移动工作，所述运行方法包括如下步骤：

在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面；地面根据环境感知结果，确定第一阶段移动距离，规划安全行走阈值内的移动安全路径，形成第一目标点，同时在第一目标点外选择需要完成第一阶段移动距离的第二目标点，第三目标点，…，第N目标点，N≥2；

接收地面发送的基于路径规划的盲走指令、基于多目标点位置的自主避障移动指令以及环境感知指令；

根据盲走指令，使火面巡视器按地面规划的移动安全路径进行安全行走阈值范围的盲走，移动至第一停止点；

在第一停止点通过导航相机图像采集完成环境感知，通过匹配初始点和第一停止点环境感知下的视场重合区图像，确定第一停止点相对起始点的位置、以及火面巡视器在盲走中的车轮滑转率；

根据自主避障移动指令，使火面巡视器自第一停止点处出发，通过基于移动至第二目标点的自主避障移动，按自主规划路径到达第二停止点，再基于环境感知下的图像匹配，确定火面巡视器在该段行走中的车轮滑转率；

重复第一停止点至第二停止点的自主避障移动过程及车轮滑转率测算，往复迭代，直到完成向最后目标点的自主避障移动过程；

在每段移动中，如果发现火面巡视器车轮滑转率异常，则及时停止火面巡视器移动。

进一步地，火面巡视器进行高效探测工作时，所述方法包括如下步骤：

在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面；

地面根据环境感知结果，在安全行走阈值范围内搜寻感兴趣点，然后选择探测停泊点、规划探测路径及在探测停泊点对感兴趣点进行探测的探测策略；

接收地面发送的基于路径规划的探测路径视觉测程移动指令，以及定点探测指令；

根据探测路径视觉测程移动指令，使火面巡视器按视觉测程移动模式精确移动到探测停泊点位置；

根据定点探测指令，使火面巡视器开展定点探测。

进一步地，所述安全行走阈值为根据环境感知地面能够实现路径规划的最远距离和通过导航相机进行两目标点图像有效匹配以实施行走距离测距的最远距离中的较小值。

进一步地，所述第二目标点至第N目标点的相邻两目标点的间距，不大于安全行走阈值。

进一步地，所述车轮滑转率通过以下方式确定：

式中，L

r为中轮半径，单位m；ω为中轮转速，单位为弧度/s；θ(t)为中轮车轮平面相对目标角度的夹角，单位为度，该参数随时间t变化；t

进一步地，所述车轮滑转率≥20时，判断车轮滑转率异常。

进一步地，在探测的感兴趣点为多个时，则在第一个探测任务结束后，按视觉测程移动模式移动到下一个探测停泊点位置，之后按探测指令对下一个感兴趣点进行载荷探测，往复迭代，直到完成最后一个感兴趣点的载荷探测。

进一步地，所述定点探测允许误差应大于环境感知对探测停止点的定位误差+N次视觉测程移动误差。

第二方面，一种火面巡视器的火面运行装置，该火面巡视器具有环境感知、盲走、自主避障移动、视觉测程移动模式和定点探测模式；火面巡视器进行长距离安全移动工作，所述火面运行装置在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面，使地面根据环境感知结果，确定第一阶段移动距离，规划安全行走阈值内的移动安全路径，形成第一目标点，同时在第一目标点外选择需要完成第一阶段移动距离的第二目标点，第三目标点，…，第N目标点，N≥2；

接收地面发送的基于路径规划的盲走指令、基于多目标点位置的自主避障移动指令以及环境感知指令；

根据盲走指令，使火面巡视器按地面规划的移动安全路径进行安全行走阈值范围的盲走，移动至第一停止点；

在第一停止点通过导航相机图像采集完成环境感知，通过匹配初始点和第一停止点环境感知下的视场重合区图像，确定第一停止点相对起始点的位置，从而确定火面巡视器在盲走中的车轮滑转率；

根据自主避障移动指令，使火面巡视器自第一停止点处出发，通过基于移动至第二目标点的自主避障移动，按自主规划路径到达第二停止点，再基于环境感知下的图像匹配，确定火面巡视器在该段行走中的车轮滑转率；

重复第一停止点至第二停止点的自主避障移动过程及车轮滑转率测算，往复迭代，直到完成向最后目标点的自主避障移动过程；

在每段移动中，如果发现火面巡视器车轮滑转率异常，则及时停止火面巡视器移动。

进一步地，火面巡视器进行长距离安全移动工作，所述火面运行装置在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面，使地面根据环境感知结果，在安全行走阈值范围内搜寻感兴趣点，然后选择探测停泊点、规划探测路径及在探测停泊点对感兴趣点进行探测的探测策略；

接收地面发送的基于路径规划的探测路径视觉测程移动指令，以及定点探测指令；

根据探测路径视觉测程移动指令，使火面巡视器按视觉测程移动模式精确移动到探测停泊点位置；

根据定点探测指令，使火面巡视器开展定点探测。

根据本发明提供的一种火面巡视器长距离安全移动和高效探测方法及装置，具有以下有益效果：

(1)根据本发明提供的一种火面巡视器长距离安全移动和高效探测方法及装置，相对一次最远移动距离不超过10m的传统移动方案，本发明方案巡视器可不受移动距离限制，在安全行走阈值范围内，火面巡视器可按规划路径进行盲走，实现高速、安全的移动；移动安全行走阈值之后，通过自主避障移动模式可继续安全移动，通过移动前后的两次环境感知，确定火面巡视器移动距离，从而确保火面巡视器出现较大滑转后，能够及时发现，上述方案有效解决移动距离和移动安全间的矛盾；

(2)根据本发明提供的一种火面巡视器长距离安全移动和高效探测方法及装置，相对传统探测模式：一个感兴趣点探测需要先进行感知、再进行移动+感知、最后进行探测，需要3个器地交互流程，二个感兴趣点探测需要进行6个器地交互流程，N个感兴趣点探测需要进行3N个器地交互流程。本发明方案对N个感兴趣点只需先进行感知，再进行移动+探测+移动+探测+…，共需要2个器地交互流程就可完成，有效提高探测效率。

附图说明

图1为本发明中长距离安全移动工作示意图；

图2为本发明中高效探测工作示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明的第一方面，提供了一种火面巡视器运行方法，该火面巡视器预设环境感知、盲走、自主避障移动、视觉测程移动模式和定点探测模式；通过桅杆上的导航相机完成0.5～10m距离的环境感知工作，包括障碍识别和前后站点图像匹配定位工作；盲走按地面规划路径进行移动，具有高速的特点；自主避障移动根据地面选择的目标点，边移动边检测前方障碍，按自主规划路径到达目标点，具有无需地面规划路径、低速的特点；视觉测程移动模式按地面规划路径进行移动，同时边移动边进行图像匹配，具有移动精确到位的特点；定点探测模式按地面规划，在近距离范围(1～3m)内，对某感兴趣点开展指向探测，具有短距离、指向精度要求高的特点。本发明中，所述运行包括长距离安全移动工作和高效探测工作。

本发明中，当火面巡视器进行长距离安全移动工作时，所述运行方法包括如下步骤：

在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面；

地面根据环境感知结果，确定第一阶段移动距离，规划安全行走阈值内的移动安全路径，形成第一目标点，同时在第一目标点外选择需要完成第一阶段移动距离的第二目标点，第三目标点，…，第N目标点，N≥2；其中，所述安全行走阈值为根据环境感知地面能够实现路径规划的最远距离和通过导航相机进行两目标点图像有效匹配以实施行走距离测距的最远距离中的较小值。第二目标点至第N目标点的相邻两目标点的间距，不大于安全行走阈值。起始点至第一目标点的移动安全路径为地面根据环境感知结果精确规划，火面巡视器将在该段内盲走，而第二目标点，第三目标点，…，第N目标点的选择并不需要对移动目标点地形精确感知，火面巡视器将按自主规划路径到达目标点，无需地面规划路径；

接收地面发送的基于路径规划的盲走指令、基于多目标点位置的自主避障移动指令以及环境感知指令；

根据盲走指令，使火面巡视器按地面规划的移动安全路径进行安全行走阈值范围的盲走，移动至第一停止点(由于车轮滑转等原因，第一停止点位置与第一目标点存在偏差)；

在第一停止点通过导航相机图像采集完成环境感知，通过匹配初始点和第一停止点环境感知下的视场重合区图像，可精确地确定第一停止点相对起始点的位置，从而确定火面巡视器在盲走中的车轮滑转率；

根据自主避障移动指令，使火面巡视器自第一停止点处出发，通过基于移动至第二目标点的自主避障移动，按自主规划路径到达第二停止点，再基于环境感知下的图像匹配，确定火面巡视器在该段行走中的车轮滑转率；

重复第一停止点至第二停止点的自主避障移动过程及车轮滑转率测算，往复迭代，直到完成向最后目标点的自主避障移动过程；

在每段移动中，如果发现火面巡视器车轮滑转率异常，则及时停止火面巡视器移动，避免车轮产生过多的沉陷，该方案可保证火面巡视器能够长距离安全移动。

本发明中，所述车轮滑转率通过以下方式确定：

式中，L

r为中轮半径，单位m；ω为中轮转速，单位为弧度/s；θ(t)为中轮车轮平面相对目标角度的夹角，单位为度，该参数随时间t变化；t

进一步地，车轮滑转率≥20％时，判断车轮滑转率异常。

本发明中，当火面巡视器进行高效探测工作时，所述方法包括如下步骤：

在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面；

地面根据环境感知结果，在安全行走阈值范围内搜寻感兴趣点，然后选择探测停泊点、规划探测路径及在探测停泊点对感兴趣点进行探测的探测策略；其中，所述安全行走阈值为根据环境感知地面能够实现路径规划的最远距离和通过导航相机进行两目标点图像有效匹配以实施行走距离测距的最远距离中的较小值；

接收地面发送的基于路径规划的探测路径视觉测程移动指令，以及定点探测指令；

根据探测路径视觉测程移动指令，使火面巡视器按视觉测程移动模式精确移动到探测停泊点位置；

根据定点探测指令，使火面巡视器开展定点探测。

在探测的感兴趣点为多个时，则在第一个探测任务结束后，按视觉测程移动模式移动到下一个探测停泊点位置，之后按探测指令对下一个感兴趣点进行载荷探测，往复迭代，直到完成最后一个感兴趣点的载荷探测。

本发明中，地面规划探测停泊点路径后，确定探测停泊点至对应感兴趣点的距离为1～3m。

本发明中，定点探测允许误差应大于环境感知对探测停止点的定位误差+N次视觉测程移动误差。假定火面巡视器对探测停泊点的图像定位误差为△a，视觉测程移动误差为△b，对第一感兴趣点的定点探测允许误差应大于△a+△b，对第二感兴趣点的定点探测允许误差应大于△a+2△b，对第三感兴趣点的定点探测允许误差应大于△a+3△b。

根据本发明的第二方面，提供了一种火面巡视器火面运行装置，该火面巡视器具有环境感知、盲走、自主避障移动、视觉测程移动模式和定点探测模式；

火面巡视器进行长距离安全移动工作，所述火面运行装置在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面，使地面根据环境感知结果，确定第一阶段移动距离，规划安全行走阈值内的移动安全路径，形成第一目标点，同时在第一目标点外选择需要完成第一阶段移动距离的第二目标点，第三目标点，…，第N目标点，N≥2；

接收地面发送的基于路径规划的盲走指令、基于多目标点位置的自主避障移动指令以及环境感知指令；

根据盲走指令，使火面巡视器按地面规划的移动安全路径进行安全行走阈值范围的盲走，移动至第一停止点(由于车轮滑转等原因，第一停止点位置与第一目标点存在偏差)；

在第一停止点通过导航相机图像采集完成环境感知，通过匹配初始点和第一停止点环境感知下的视场重合区图像，可精确地确定第一停止点相对起始点的位置，从而确定火面巡视器在盲走中的车轮滑转率；

根据自主避障移动指令，使火面巡视器自第一停止点处出发，通过基于移动至第二目标点的自主避障移动，按自主规划路径到达第二停止点，再基于环境感知下的图像匹配，确定火面巡视器在该段行走中的车轮滑转率；

重复第一停止点至第二停止点的自主避障移动过程及车轮滑转率测算，往复迭代，直到完成向最后目标点的自主避障移动过程；

在每段移动中，如果发现火面巡视器车轮滑转率异常，则及时停止火面巡视器移动，避免车轮产生过多的沉陷。

本发明中，所述火面运行装置通过以下方式确定车轮滑转率：

式中，L

r为中轮半径，单位m；ω为中轮转速，单位为弧度/s；θ(t)为中轮车轮平面相对目标角度的夹角，单位为度，该参数随时间t变化；t为中轮转动时间，单位为s。以靠近车体形心的车轮(中轮)作为滑转率计算标准，更能反应车体质心的滑转情况。

进一步地，所述火面运行装置判断车轮滑转率异常的标准包括：车轮滑转率≥20％。

本发明中，火面巡视器进行长距离安全移动工作，所述火面运行装置：

在起始点通过导航相机图像采集完成环境感知，并将环境感知结果发送至地面，使地面根据环境感知结果，在安全行走阈值范围内搜寻感兴趣点，然后选择探测停泊点、规划探测路径及在探测停泊点对感兴趣点进行探测的探测策略；

接收地面发送的基于路径规划的探测路径视觉测程移动指令，以及定点探测指令；

根据探测路径视觉测程移动指令，使火面巡视器按视觉测程移动模式精确移动到探测停泊点位置；

根据定点探测指令，使火面巡视器开展定点探测。

进一步地，在感兴趣点为多个时，火面运行装置使火面巡视器在第一个探测任务结束后，按视觉测程移动模式移动到下一个探测停泊点位置，之后按探测指令对下一个感兴趣点进行载荷探测，往复迭代，直到完成最后一个感兴趣点的载荷探测。

如图1所示，以巡视器需要完成20～30m距离移动为实施例，(1)首先巡视器在起始点1进行环境感知1，地面根据图像，在目标方向上，选择距起始点10m范围内的目标点1作为第一个途经的目标点，即L

在每段移动中(不超过10m)，如果巡视器发现滑转率异常，则及时停止移动，避免车轮产生过多的沉陷，该方案可保证火星车能够长距离安全移动。

如图2所示，以巡视器需要完成三个探测点为实施例，(1)首先巡视器在起始点1进行环境感知1，地面根据图像，进行地形重建，在有效的环境感知视场范围内，选择3个感兴趣的探测点(即感兴趣点)，并根据载荷有效探测半径，确定3个探测停止点位置。(2)地面规划巡视器从起始点1移动到探测停止点1的路径，从探测停止点1到探测停止点2的路径，从探测停止点2到探测停止点3的路径，同时规划在探测停止点1对探测点1进行探测的任务，在探测停止点2对探测点2进行探测的任务，在探测停止点3对探测点3进行探测的任务，并将上述规划指令上注巡视器。(3)巡视器以视觉测程移动模式，从起始点1精确移动到探测停止点1，之后按既定策略开展定点探测1；探测后巡视器再以视觉测程移动模式，从探测停止点1精确移动到探测停止点2，同时按既定策略开展定点探测2；探测后巡视器再以视觉测程移动模式，从探测停止点2精确移动到探测停止点3，同时按既定策略开展定点探测3。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。