安防機(jī)器人綜述

安防機(jī)器人綜述學(xué)生：江國來摘要：本文在介紹安防機(jī)器人的背景、市場與研究現(xiàn)狀的根底上，探討了安防機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，最后，對安防機(jī)器人的開展方向進(jìn)行了展望。一、安防機(jī)器人的研究背景1.1什么是安防機(jī)器人效勞機(jī)器人是一種半自主或者全自主工作的機(jī)器人，是一種能完成有益于人類的效勞工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備[1,2]。安防機(jī)器人是效勞機(jī)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(yuǎn)程操控等功能，能夠局部或者全部代替人工執(zhí)行安保任務(wù)。圖1-1，安防機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域與功能安防機(jī)器人的種類很多，按照效勞場所與效勞對象區(qū)分，可分為：家庭監(jiān)控機(jī)器人、社區(qū)監(jiān)控機(jī)器人、廠區(qū)巡檢機(jī)器人、企業(yè)安防機(jī)器人等等。針對效勞對象場景的不同，安防效勞的側(cè)重是不同的：比方，家庭監(jiān)控機(jī)器人，側(cè)重于人的陪護(hù)看護(hù)；企業(yè)安防機(jī)器人那么通常融合巡邏、考勤等功能。另外，值得注意的是，效勞機(jī)器人的功能是通常多樣化的。安防僅僅是機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)的一種功能，機(jī)器人也可以依照場景應(yīng)用不同，集成其他的功能。比方，在展館商場的機(jī)器人，除了安防之外，也可集成娛樂、導(dǎo)購、宣傳等功能；而工廠內(nèi)的安防機(jī)器人，也可代替工程師進(jìn)行定點(diǎn)巡檢、抄表等常規(guī)作業(yè)。安防機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域與功能如圖1-1所示。1.2安防機(jī)器人的需求平安一直是居民生活、公司企業(yè)生產(chǎn)首先需要考慮的問題，統(tǒng)計顯示，2023年全球安防行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)5000億元。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，人力本錢在不斷上漲，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(jìn)行安防，本身也存在一定平安隱患。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(shí)現(xiàn)。這種方式雖然技術(shù)上很容易實(shí)現(xiàn)，但同時也面臨安裝本錢高、使用不靈活、不夠智能友好等問題。比方，一個簡單的廠區(qū)外圍監(jiān)控，通常需要架設(shè)7-10個攝像頭才能根本保障無死角；而對于結(jié)構(gòu)復(fù)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(yù)先進(jìn)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(jī)器人巡邏的安防方式隨著人力本錢的不斷上升，采用“固定攝像頭+中控室+機(jī)器人巡邏〞的方式成為開展的大趨勢：機(jī)器人代替保安，執(zhí)行24小時巡邏任務(wù)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)省人力以及管理本錢，安保部門人員可以更少更可靠；隨著巡邏的增加，可以實(shí)現(xiàn)無死角的監(jiān)控，可以減少大量的固定攝像頭安裝，總的使用本錢也更低。機(jī)器人上可以安裝各種先進(jìn)的傳感器，用于自動探測各種異常情況，彌補(bǔ)人力的缺乏。使用機(jī)器人巡邏，也能防止人力巡邏的其他平安隱患。安防機(jī)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(shù)的不斷成熟，安防機(jī)器人在企業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，將成為安防產(chǎn)業(yè)新的重要增長點(diǎn)。除此之外，隨著人們生活水平的提高和網(wǎng)絡(luò)的普及，平安防護(hù)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(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域。圖1-4家庭安防看護(hù)的應(yīng)用尤其是近幾年隨著家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不斷改善、用戶消費(fèi)能力的提升、安防意識增長、獨(dú)立式居住家庭的增多，促使人們對家庭平安防范的意識得到空前強(qiáng)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?cè)丝诘?0%，預(yù)計到2023年全國老年人口總數(shù)將到達(dá)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(jī)器人，可通過實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dāng)他們發(fā)生危險事件時，能自動識別并自動報警。家庭環(huán)境下的平安監(jiān)護(hù)需求也在進(jìn)一步促進(jìn)監(jiān)控機(jī)器人的開展。二、安防機(jī)器人的研究現(xiàn)狀盡管由于技術(shù)的限制，效勞機(jī)器人進(jìn)入千家萬戶，還有很長一段路要走，但是提供安防相關(guān)效勞的機(jī)器人技術(shù)開展已經(jīng)根本到達(dá)了市場的要求。國內(nèi)外許多科研單位和高科技公司進(jìn)行了大量安防機(jī)器人的研究和開發(fā)，市面上也出現(xiàn)了不少安防機(jī)器人的產(chǎn)品。2.1國外現(xiàn)狀在一些興旺國家，已經(jīng)開始采用巡邏機(jī)器人對大型樓宇、機(jī)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(jī)器人有：Mostitech機(jī)器人〔圖2-1〕，T63-Artemis機(jī)器人〔圖2-2〕，Mosro廠區(qū)巡邏機(jī)器人〔圖2-3〕，MDARS-I型室外保安機(jī)器人〔圖2-4〕，Reborg-X〔Reborg-Q〕機(jī)器人〔圖2-5〕，KnightscopeK5巡邏機(jī)器人〔圖2-6〕等等。如美國研制出的、RobotWatch等。圖2-1Mostitech機(jī)器人Mostitech機(jī)器人是韓國最大的移動運(yùn)營上SK電信推出的監(jiān)控機(jī)器人。這種機(jī)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(jī)器人的傳感器可以探測到潛在的危險。當(dāng)不速之客進(jìn)入家中的時候，機(jī)器人能夠把這些人的照片和報警信息發(fā)送出去。圖2-2T63-ArtemisT63-Artemis是日本TMSUK[3]在2004年推出的一款人形保安機(jī)器人。該機(jī)器人的體積為157×66×82cm，與普通人體形相似，用戶可以通過無線WLAN網(wǎng)絡(luò)來對機(jī)器人進(jìn)行完全控制控制，另外也能通過機(jī)器人的監(jiān)視器對大樓的每個角落進(jìn)行巡視，起到一個流動監(jiān)視器的作用。該機(jī)器人還可以感應(yīng)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(jī)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，MOSRO機(jī)器人MOSRO廠區(qū)巡邏機(jī)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(nèi)自由行走，最大行進(jìn)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14-16小時。MOSRO的紅外傳感器能自動探測和跟蹤12米內(nèi)的人員，雷達(dá)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(zhuǎn)身，將頭部的攝像機(jī)對準(zhǔn)目標(biāo)。圖2-4MDARS-I型室外保安機(jī)器人MDARS-I型室外保安機(jī)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(nèi)發(fā)現(xiàn)10米遠(yuǎn)的物體。機(jī)器人裝有入侵者探測用的微波雷達(dá)，熱成像儀，音響傳感器，CCD攝像機(jī)，紅外照明器和旋轉(zhuǎn)及傾斜平臺，還有超聲波傳感器及導(dǎo)航傳感器等。一個無線局域網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接圖2-5，左Reborg-Q〔2006年〕，右Reborg-X〔2023年〕機(jī)器人保安Reborg-X，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(jī)器人。距離主行走型機(jī)器人1號機(jī)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(yuǎn)程操控〕與Cyborg〔半機(jī)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(jìn)行定制，配備了能夠讀取臉部特征以及服裝特征的“圖像認(rèn)知系統(tǒng)〞，能夠幫助尋找走散的孩子。而內(nèi)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正確解說員。此外，當(dāng)有人進(jìn)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。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(jī)器人，是美國硅谷2023年的初創(chuàng)團(tuán)隊[6]研發(fā)的最新產(chǎn)品。該機(jī)器人搭載了大量的高端傳感器設(shè)備，包括高清攝像頭、麥克風(fēng)、熱感成像、紅外傳感、激光雷達(dá)、超聲波測距等等。借助這些傳感器，K5會實(shí)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(shí)時的政府?dāng)?shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等所有可以利用的資源進(jìn)行綜合評估，為環(huán)境設(shè)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(yù)防犯罪。圖2-6，KinghtscopeK5巡邏機(jī)器人2.2國內(nèi)現(xiàn)狀國內(nèi)在監(jiān)控機(jī)器人方面研究也取得了一些可喜的成績。沈陽新松機(jī)器人自動化股份公司研制的第二代智能型機(jī)器人〔如圖2-7〕。該機(jī)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(jī)器人會主動地向主人的發(fā)送報警短信。如果有陌生人闖入時，機(jī)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(xué)機(jī)器人所研制的智能監(jiān)控機(jī)器人〔如圖2-8〕，它能在一個家庭的范圍巡視、觀察室內(nèi)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(luò)的方法通知主人。機(jī)器人具有輪式行走結(jié)構(gòu)和障礙檢測傳感器，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(nèi)的圖像，主人可以通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制和查看家里的情況。圖2-7新松監(jiān)控機(jī)器人圖7哈工大監(jiān)控機(jī)器人在國內(nèi)，也有一些企業(yè)推出了具備監(jiān)控功能的機(jī)器人產(chǎn)品，例如科沃斯的“親寶〞型家庭效勞機(jī)器人〔圖2-9〕，該機(jī)器人集成遠(yuǎn)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(jī)器人E-WO〔圖2-10〕，具備兒童陪護(hù)、兒童娛樂、3G視頻通信等功能。圖2-9，親寶機(jī)器人圖2-10E-WO機(jī)器人總體而言，國內(nèi)外安防機(jī)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(shí)際應(yīng)用仍然有待市場檢驗(yàn)，而更多具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)仍然有待改良成熟。但是，可以預(yù)見的是，距離售價合理且能很好滿足用戶需求的安防機(jī)器人產(chǎn)品上市，已經(jīng)為時不遠(yuǎn)了。三、安防機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)作為一款面向安防的產(chǎn)品，除了移動機(jī)器人所必備的功能之外，安防機(jī)器人也需要多項安防與智能識別相關(guān)的技術(shù)，為其具體應(yīng)用提供保障。安防機(jī)器人涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：3.1移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是移動機(jī)器人的核心技術(shù)，它是指移動機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài),實(shí)現(xiàn)在有障礙的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動。能夠自主巡邏、自動充電是多數(shù)安防機(jī)器人產(chǎn)品必備的功能，這必須依靠機(jī)器人導(dǎo)航。機(jī)器人導(dǎo)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(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中的定位及跟蹤問題，〔2〕〔3〕是移動機(jī)器人導(dǎo)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(jī)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)立地圖并實(shí)現(xiàn)自主定位。相關(guān)的實(shí)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(shí)現(xiàn)方法有：里程計、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動燈塔，全球定位系統(tǒng)，路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配和仿生導(dǎo)航技術(shù)等。其中前兩種屬于相對位置測量，也稱為航跡推算，仿生導(dǎo)航技術(shù)包括基于視覺、聲音和氣味的導(dǎo)航技術(shù)。近些年來，基于激光掃描儀測量的SLAM技術(shù)和基于視覺的SLAM技術(shù)是采用較多的主流[9]。而隨著低本錢深度攝像頭的推廣，基于RGB-D圖像的SLAM技術(shù)已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。另外，對于室內(nèi)機(jī)器人而言，采用CV-SLAM〔天花板視覺SLAM〕的方式實(shí)現(xiàn)定位，不失為一種低本錢可靠的方法。圖3-1移動機(jī)器人導(dǎo)航在導(dǎo)航的目標(biāo)點(diǎn)選擇以及路徑規(guī)劃方面，安防機(jī)器人有其應(yīng)用的特殊性。在一些情況下，安防機(jī)器人依照外部系統(tǒng)或者人為指定的目標(biāo)點(diǎn)或者規(guī)定路徑行駛；在另一些情況下，安防機(jī)器人需要能夠自動探測異常，并自主設(shè)定目標(biāo)位置或者動作，比方，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(shí)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(shù)“耳聰目明〞是對人類保安的要求，對機(jī)器人而言，多種智能化檢測識別與傳感器技術(shù)是保障安防機(jī)器人探測異常情況的關(guān)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(shù)，如：入侵檢測、人體檢測、人臉識別、火災(zāi)圖像探測等等；〔2〕異常聲音的探測與定位技術(shù)；〔3〕用于近距離交互的語音識別技術(shù)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(zāi)探測傳感器、障礙傳感器等等。圖3-2多種傳感器的應(yīng)用盡管優(yōu)秀傳感器的使用，可以大大提升機(jī)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(jī)器人的本錢。如何選擇適宜的傳感器，搭配具體應(yīng)用，對于安防機(jī)器人尤為關(guān)鍵。另外，在安防機(jī)器人設(shè)計時，采用可軟硬件擴(kuò)展的設(shè)計，也有助于機(jī)器人傳感系統(tǒng)的調(diào)整。3.3安防應(yīng)用邏輯智能化的安防應(yīng)用邏輯，也就是遇到異常情況發(fā)生時，機(jī)器人如何進(jìn)行處理，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)安防功能的核心技術(shù)。一種最簡單的安防應(yīng)用邏輯是：發(fā)現(xiàn)異常->報告主人->主人遠(yuǎn)程遙控。這種邏輯通常用于非常簡單的安防機(jī)器人系統(tǒng)，如家庭監(jiān)控機(jī)器人等等。圖3-3安防機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)而言，機(jī)器人必須具備一定的自主處理異常情況的能力。比方，在某種傳感器發(fā)現(xiàn)異常時，靠近異常發(fā)生地點(diǎn)，再采用更多不同的傳感器對異常情況進(jìn)行識別，一方面防止漏報異常情況，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(jìn)行處理。另外，作為安防機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計應(yīng)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(jī)器人對探測到的異常人體進(jìn)行處理的邏輯流程。四、安防機(jī)器人的開展方向安防機(jī)器人作為一種技術(shù)漸進(jìn)成熟的機(jī)器人產(chǎn)品，擁有著日漸增長的市場應(yīng)用需求，大規(guī)模走進(jìn)人們的生產(chǎn)生活已經(jīng)指日可待。除了相關(guān)核心技術(shù)日趨成熟、軟件硬件本錢更低之外，針對市場的不同，可以分為以下幾種開展方向：4.1更專業(yè)、網(wǎng)絡(luò)化的安防效勞以KnightscopeK5為雛形代表，這類安防機(jī)器人面向?qū)I(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(biāo)。這類安防機(jī)器人將搭載更多強(qiáng)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(qiáng)力裝置，用于制服嫌疑人。4.2多樣化應(yīng)用的綜合以Reborg-X為雛形代表，這類安防機(jī)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)、商場的用人本錢高等問題，以一機(jī)多用的方式完美替代日益稀缺的勞動力。這類安防機(jī)器人在具備安防功能的同時，擁有多種人機(jī)交互、娛樂宣傳能力，是一種多功能機(jī)器