安防機器人綜述

安防機器人綜述學生：江國來摘要：本文在介紹安防機器人的背景、市場與研究現(xiàn)狀的基礎上，探討了安防機器人的關鍵技術，最后，對安防機器人的發(fā)展方向進行了展望。一、安防機器人的研究背景1o1什么是安防機器人服務機器人是一種半自主或者全自主工作的機器人，是一種能完成有益于人類的服務工作，但不包括從事生產(chǎn)的設備［1,2］。安防機器人是服務機器人的一種，其特征在于：提供包括且不限于指定場景巡視、圖像/視頻監(jiān)控、異常情況探測、自動報警、遠程操控等功能，能夠部分或者全部代替人工執(zhí)行安保任務圖1—1,安防機器人的應用領域與功能安防機器人的種類很多，按照服務場所與服務對象區(qū)分，可分為：家庭監(jiān)控機器人、社區(qū)監(jiān)控機器人、廠區(qū)巡檢機器人、企業(yè)安防機器人等等。針對服務對象場景的不同，安防服務的側重是不同的：比如，家庭監(jiān)控機器人，側重于人的陪護看

護；企業(yè)安防機器人則通常融合巡邏、考勤等功能。另外，值得注意的是，服務機器人的功能是通常多樣化的。安防僅僅是機器人可實現(xiàn)的一種功能，機器人也可以依照場景應用不同，集成其他的功能。比如，在展館商場的機器人，除了安防之外，也可集成娛樂、導購、宣傳等功能；而工廠內的安防機器人，也可代替工程師進行定點巡檢、抄表等常規(guī)作業(yè)。安防機器人的應用領域與功能如圖所示。1o2安防機器人的需求安全一直是居民生活、公司企業(yè)生產(chǎn)首先需要考慮的問題，統(tǒng)計顯示，2015年全球安防行業(yè)總產(chǎn)值達5000億元。新建廠房新建廠房圖1-2現(xiàn)有視頻監(jiān)控安防方式盡管安防監(jiān)控一直是公司企業(yè)必備部門，但是底層保安工作簡單乏味門檻低，職業(yè)前景并不被人看好.近年來，人力成本在不斷上漲，很多企業(yè)都面臨招保安難等問題。與此同時，在一些核心部門使用廉價人力進行安防，本身也存在一定安全隱患。目前的安防系統(tǒng)，多數(shù)以固定攝像頭加人力值班巡邏的方式實現(xiàn).這種方式雖然技術上很容易實現(xiàn)，但同時也面臨安裝成本高、使用不靈活、不夠智能友好等問題。比如，一個簡單的廠區(qū)外圍監(jiān)控，通常需要架設7-10個攝像頭才能基本保障無死角；而對于結構復雜的公司大樓來說，通常需要安裝上百個攝像頭；面對如此多路的視頻信號，哪怕是預先進行過一定的檢測處理，保安也很難從中發(fā)現(xiàn)問題信息；視頻監(jiān)控多數(shù)功用在于事故后查原因，人力值班巡邏必不可少。圖1—3固定攝像頭+中控室+機器人巡邏的安防方式隨著人力成本的不斷上升，采用“固定攝像頭+中控室+機器人巡邏”的方式成為發(fā)展的大趨勢:機器人代替保安，執(zhí)行24小時巡邏任務以及初步的場景檢查。這種方式的最主要優(yōu)勢在于可以大大節(jié)省人力以及管理成本，安保部門人員可以更少更可靠；隨著巡邏的增加，可以實現(xiàn)無死角的監(jiān)控，可以減少大量的固定攝像頭安裝，總的使用成本也更低。機器人上可以安裝各種先進的傳感器，用于自動探測各種異常情況，彌補人力的不足。使用機器人巡邏，也能避免人力巡邏的其他安全隱患。安防機器人以及各種智能安防系統(tǒng)的出現(xiàn)，可逐步替代簡單乏味的安保工作。隨著技術的不斷成熟，安防機器人在企業(yè)大規(guī)模應用，將成為安防產(chǎn)業(yè)新的重要增長點。除此之外，隨著人們生活水平的提高和網(wǎng)絡的普及，安全防護越來越深入人心，個人/家庭用戶安防需求的增長，也成為安防機器人應用的新領域。圖1-4家庭安防看護的應用尤其是近幾年隨著家庭網(wǎng)絡環(huán)境不斷改善、用戶消費能力的提升、安防意識增長、獨立式居住家庭的增多，促使人們對家庭安全防范的意識得到空前強化。同時目前我國正逐漸步入老齡化社會，我國60歲以上人口已超過總人口的10%,預計到2015年全國老年人口總數(shù)將達到2億人，隨著老齡化社會的臨近，老年人也在不斷增多。家庭安防機器人，可通過手機實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控，一方面可用于視頻監(jiān)控報警，防范非法入侵，另一方面可以搭載特殊傳感器，看守家中老人和兒童，當他們發(fā)生危險事件時，能自動識別并自動報警。家庭環(huán)境下的安全監(jiān)護需求也在進一步促進監(jiān)控機器人的發(fā)展。二、安防機器人的研究現(xiàn)狀盡管由于技術的限制，服務機器人進入千家萬戶，還有很長一段路要走，但是提供安防相關服務的機器人技術發(fā)展已經(jīng)基本達到了市場的要求。國內外許多科研單位和高科技公司進行了大量安防機器人的研究和開發(fā)，市面上也出現(xiàn)了不少安防機器人的產(chǎn)品。安防機器人綜述2.1國外現(xiàn)狀在一些發(fā)達國家，已經(jīng)開始采用巡邏機器人對大型樓宇、機場、交通樞紐、倉儲基地、軍事基地等的保安工作.國外典型的安防監(jiān)控類機器人有：Mostitech機器人（圖2—1）,T63—Artemis機器人（圖2-2）,Mosro廠區(qū)巡邏機器人（圖2—3）,MDARS-1型室外保安機器人（圖2—4）,Reborg-X（Reborg-Q）機器人（圖2-5）,KnightscopeK5巡邏機器人（圖2一6）等等.如美國研制出的、RobotWatch等。圖2-1Mostitech機器人Mostitech機器人是韓國最大的移動運營上SK電信推出的監(jiān)控機器人。這種機器人高50厘米，重12公斤。如果遇到失火或者致命的煤氣泄露等緊急情況，機器人的傳感器可以探測到潛在的危險。當不速之客進入家中的時候，機器人能夠把這些人的照片和報警信息發(fā)送出去。圖2—2T63圖2—2T63—ArtemisT63—Artemis是日本TMSUK[3]在2004年推出的一款人形保安機器人。該機器人的體積為157義66義82cm,與普通人體形相似，用戶可以通過無線WLAN網(wǎng)絡來對機器人進行完全控制控制，另外也能通過機器人的監(jiān)視器對大樓的每個角落進行巡視，起到一個流動監(jiān)視器的作用。該機器人還可以感應到火苗的存在并與消防中心取得聯(lián)系以最快速度將火苗撲滅，而機器人本身也有噴水功能.除此之外，一旦有罪犯入侵的話T63也能快速識別并噴出煙霧來暫時使得罪犯喪失行動能力。圖2-3,M0SR0機器人M0SR0廠區(qū)巡邏機器人，由德國Robowatch[4]研發(fā)生產(chǎn)。它能自動感知探測周圍的墻壁、障礙物，從而在室內自由行走，最大行進速度4千米/小時，可爬13°的坡。電池充電時間為4小時，連續(xù)工作時間14一16小時。M0SR0的紅外傳感器能自動探測和跟蹤12米內的人員，雷達傳感器的作用距離為30米。發(fā)現(xiàn)可疑人員后，它還能自動轉身，將頭部的攝像機對準目標。圖2—4MDARS—I型室外保安機器人MDARS-1型室外保安機器人，由美國一家公司研制，MDARS-I的最低速度為3公里/時，一次充電可連續(xù)工作8小時，它可在360度范圍內發(fā)現(xiàn)10米遠的物體。機器人裝有入侵者探測用的微波雷達，熱成像儀，音響傳感器，CCD攝像機，紅外照明器和旋轉及傾斜平臺，還有超聲波傳感器及導航傳感器等。一個無線局域網(wǎng)絡轉接器方便了機器人與控制站的通信.下班后機器人在倉庫內巡邏，可發(fā)現(xiàn)煙、火及入侵者.此外，它還可確定所存物品的狀況及位置，發(fā)現(xiàn)問題及時發(fā)出警報圖2-5,左Reborg—Q（2006年），右Reborg-X（2015年）機器人保安區(qū)660送-*,由日本綜合警衛(wèi)保障ALSOK公司［5］推出，Reborg-X是該公司繼Reborg-Q以及An9-PR之后推出的最新款機器人。距離主行走型機器人1號機面市已經(jīng)有多年的歷史，而這款Reborg—X作為第十代作品，繼承了該系列使用Remote（遠程操控）與Cyborg（半機械人）創(chuàng)造出來的新詞Reborg,被命名為“Reborg—X”。Reborg-X可以根據(jù)使用環(huán)境以及使用用途按客戶要求進行定制，配備了能夠讀取臉部特征以及服裝特征的“圖像認知系統(tǒng)”，能夠幫助尋找走散的孩子。而內置的語言軟件，更讓其精通多國語言，成為了各類大型活動的最佳解說員。此外，當有人進入指定區(qū)域時，Reborg-X能夠讀取資料判斷出入侵人員是可疑人物還是VIP客人，并將拍攝的圖像以及位置信息發(fā)送到警備人員的移動終端上。安防機器人綜述大大節(jié)省了監(jiān)控中心的人力，并提高了安保的效率.KnightscopeK5巡邏機器人，是美國硅谷2013年的初創(chuàng)團隊［6］研發(fā)的最新產(chǎn)品。該機器人搭載了大量的高端傳感器設備，包括高清攝像頭、麥克風、熱感成像、紅外傳感、激光雷達、超聲波測距等等。借助這些傳感器，K5會實時生成大量的環(huán)境數(shù)據(jù)，而通過收集這些數(shù)據(jù)，以及拉取實時的政府數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等所有可以利用的資源進行綜合評估，為環(huán)境設定了不同的警報級別，這使得K5可以對所處的環(huán)境擁有全面的判斷，從而預防犯罪。圖2—6,KinghtscopeK5巡邏機器人2.2國內現(xiàn)狀國內在監(jiān)控機器人方面研究也取得了一些可喜的成績。沈陽新松機器人自動化股份公司研制的第二代智能型機器人（如圖2—7）。該機器人可以靠底部兩個傳感器躲避障礙物完成自如行走，監(jiān)測家中是否漏水、著火、煤氣泄露等，發(fā)現(xiàn)異常時，機器人會主動地向主人的手機發(fā)送報警短信.如果有陌生人闖入時，機器人也會立即用攝像頭將其拍攝下來傳給主人。哈爾濱工業(yè)大學機器人所研制的智能監(jiān)控機器人（如圖2—8），它能在一個家庭的范圍巡視、觀察室內環(huán)境的變化，發(fā)現(xiàn)入侵者，并及時把探測到的信息（盜竊，火、煤氣泄露等）用無線或者網(wǎng)絡的方法通知主人.機器人具有輪式行走結構和障礙

安防機器人綜述圖2—7新松監(jiān)控機器人檢測傳感器，可在用戶家中自主行走與避障。通過自帶攝像頭，可以拍攝室內的圖圖2—7新松監(jiān)控機器人圖7哈工大監(jiān)控機器人圖2-9,親寶機器人圖2-10E-WO機器人在國內，也有一些企業(yè)推出了具備監(jiān)控功能的機器人產(chǎn)品，例如科沃斯的“親寶”型家庭服務機器人（圖2-9）,該機器人集成遠程視頻監(jiān)控與遙控、空氣凈化、娛樂、家電控制等功能。中科智酷公司推出的家庭監(jiān)控機器人E-W0（圖2—10）,具備兒童陪護、兒童娛樂、圖2-9,親寶機器人圖2-10E-WO機器人總體而言，國內外安防機器人種類繁多，功能也各異。由于整體產(chǎn)業(yè)仍然處于起步階段，很多實際應用仍然有待市場檢驗，而更多具體的技術實現(xiàn)仍然有待改進成熟。但是，可以預見的是，距離售價合理且能很好滿足用戶需求的安防機器人產(chǎn)品上市，已經(jīng)為時不遠了。三、安防機器人的關鍵技術作為一款面向安防的產(chǎn)品，除了移動機器人所必備的功能之外，安防機器人也需要多項安防與智能識別相關的技術,為其具體應用提供保障。安防機器人涉及的關鍵技術主要包括：3。1移動機器人導航技術導航技術是移動機器人的核心技術，它是指移動機器人通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài),實現(xiàn)在有障礙的環(huán)境中面向目標的自主運動。能夠自主巡邏、自動充電是多數(shù)安防機器人產(chǎn)品必備的功能，這必須依靠機器人導航。機器人導航主要包括三大問題：（1）“我現(xiàn)在何處?”,（2）“我要往何處去？”，（3）“要如何到該處去？”。其中問題（1）是移動機器人導航系統(tǒng)中的定位及跟蹤問題，（2）（3）是移動機器人導航系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃問題［7］。在定位及跟蹤方面，盡管安防機器人通常工作于相對固定的場景，但他們通常也需要能夠自動創(chuàng)建地圖并實現(xiàn)自主定位。相關的實現(xiàn)方法有很多，可分為兩大類［8］：相對和絕對位置測量。常用的定位實現(xiàn)方法有：里程計、慣性導航、磁羅盤、主動燈塔，全球定位系統(tǒng)，路標導航和地圖模型匹配和仿生導航技術等。其中前兩種屬于相對位置測量，也稱為航跡推算，仿生導航技術包括基于視覺、聲音和氣味的導航技術。近些年來，基于激光掃描儀測量的SLAM技術和基于視覺的SLAM技術是采用較多的主流［9］.而隨著低成本深度攝像頭的推廣，基于RGB-D圖像的SLAM技術已經(jīng)成為新的研究熱點。另夕卜，對于室內機器人而言，采用CV—SLAM（天花板視覺SLAM）的方式實現(xiàn)定位，不失為一種低成本可靠的方法。

g圖3-1移動機器人導航g圖3-1移動機器人導航在導航的目標點選擇以及路徑規(guī)劃方面，安防機器人有其應用的特殊性.在一些情況下，安防機器人依照外部系統(tǒng)或者人為指定的目標點或者規(guī)定路徑行駛；在另一些情況下，安防機器人需要能夠自動探測異常，并自主設定目標位置或者動作，比如，在發(fā)現(xiàn)有人入侵的時候，自主的尋找、跟隨入侵者移動，這些功能的實現(xiàn)，也需要更多智能化決策的能力。3.2智能化檢測識別與傳感器技術“耳聰目明”是對人類保安的要求，對機器人而言，多種智能化檢測識別與傳感器技術是保障安防機器人探測異常情況的關鍵智能化檢測識別主要包括：（1）基于圖像的異常情況探測技術，如：入侵檢測、人體檢測、人臉識別、火災圖像探測等等；（2）異常聲音的探測與定位技術；（3）用于近距離交互的語音識別技術等等。傳感器主要包括：圖像傳感器、人體探測傳感器、煙霧探測傳感器、火災探測傳感器、障礙傳感器等等。

圖3—2多種傳感器的應用盡管優(yōu)秀傳感器的使用，可以大大提升機器人探測周邊環(huán)境的能力，但是，傳感器價格也會大幅提高機器人的成本。如何選擇合適的傳感器，搭配具體應用，對于安防機器人尤為關鍵。另外，在安防機器人設計時，采用可軟硬件擴展的設計，也有助于機器人傳感系統(tǒng)的調整.3o3安防應用邏輯智能化的安防應用邏輯，也就是遇到異常情況發(fā)生時，機器人如何進行處理，是機器人實現(xiàn)安防功能的核心技術.一種最簡單的安防應用邏輯是：發(fā)現(xiàn)異常-》報告主人一〉主人遠程遙控。這種邏輯通常用于非常簡單的安防機器人系統(tǒng)，如家庭監(jiān)控機器人等等。圖3-3圖3-3安防機器人對異常人體的處理對于一些搭載大量傳感器、具備多種檢測手段的機器人系統(tǒng)而言，機器人必須具備一定的自主處理異常情況的能力.比如，在某種傳感器發(fā)現(xiàn)異常時，靠近異常發(fā)生地點，再采用更多不同的傳感器對異常情況進行識別，一方面避免漏報異常情況，同時減少頻繁誤報的不良影響，另一方面，也可在無人管理時第一時間對異常進行處理。另外,作為安防機器人系統(tǒng)，設計應用邏輯時，還必須考慮到消除安防系統(tǒng)的漏洞問題。圖3—3給出了一種安防機器人對探測到的異常人體進行處理的邏輯流程.四、安防機器人的發(fā)展方向安防機器人作為一種技術漸進成熟的機器人產(chǎn)品,擁有著日漸增長的市場應用需求，大規(guī)模走進人們的生產(chǎn)生活已經(jīng)指日可待。除了相關核心技術日趨成熟、軟件硬件成本更低之外，針對市場的不同,可以分為以下幾種發(fā)展方向：4。1更專業(yè)、網(wǎng)絡化的安防服務以KnightscopeK5為雛形代表，這類安防機器人面向專業(yè)的企業(yè)級安防市場，以完全替代并超越保安、警察為終極目標。這類安防機器人將搭載更多強大的安防監(jiān)測傳感器,具備多種智能化的探測手段；同時，它們還能與已有的固定的智能化安防系統(tǒng)緊密配合，在固定安防系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常時,立即自主前往查看；另外，它們還可以通過互聯(lián)網(wǎng)連接警方數(shù)據(jù)庫以及社會安防系統(tǒng),與公安系統(tǒng)配合使用；除此之外，它們甚至可以配備強力裝置，用于制服嫌疑人。4。2多樣化應用的綜合以Reborg-X為雛形代表，這類安防機器人面向的是企業(yè)、商場、展館等普通市場。主要針對企業(yè)、商場的用人成本高等問題，以一機多用的方式完美替代日益稀缺的勞動力。這類安防機器人在具備安防功能的同時，擁有多種人機交互、娛樂宣傳能力