安防机器人综述

安防机器人综述学生：江国来摘要：本文在介绍安防机器人的背景、市场与研究现状的基础上，探讨了安防机器人的关键技术，最后，对安防机器人的发展方向进行了展望。一、安防机器人的研究背景1.1什么是安防机器人服务机器人是一种半自主或者全自主工作的机器人，是一种能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备[1,2]。安防机器人是服务机器人的一种，其特征在于：提供包括且不限于指定场景巡视、图像/视频监控、异常情况探测、自动报警、远程操控等功能，能够部分或者全部代替人工执行安保任务。图1-1，安防机器人的应用领域与功能安防机器人的种类很多，按照服务场所与服务对象区分，可分为：家庭监控机器人、社区监控机器人、厂区巡检机器人、企业安防机器人等等。针对服务对象场景的不同，安防服务的侧重是不同的：比如，家庭监控机器人，侧重于人的陪护看护；企业安防机器人则通常融合巡逻、考勤等功能。另外，值得注意的是，服务机器人的功能是通常多样化的。安防仅仅是机器人可实现的一种功能，机器人也可以依照场景应用不同，集成其他的功能。比如，在展馆商场的机器人，除了安防之外，也可集成娱乐、导购、宣传等功能；而工厂内的安防机器人，也可代替工程师进行定点巡检、抄表等常规作业。安防机器人的应用领域与功能如图1-1所示。1.2安防机器人的需求安全一直是居民生活、公司企业生产首先需要考虑的问题，统计显示，2015年全球安防行业总产值达5000亿元。图1-2现有视频监控安防方式尽管安防监控一直是公司企业必备部门，但是底层保安工作简单乏味门槛低，职业前景并不被人看好。近年来，人力成本在不断上涨，很多企业都面临招保安难等问题。与此同时，在一些核心部门使用廉价人力进行安防，本身也存在一定安全隐患。目前的安防系统，多数以固定摄像头加人力值班巡逻的方式实现。这种方式虽然技术上很容易实现，但同时也面临安装成本高、使用不灵活、不够智能友好等问题。比如，一个简单的厂区外围监控，通常需要架设7-10个摄像头才能基本保障无死角；而对于结构复杂的公司大楼来说，通常需要安装上百个摄像头；面对如此多路的视频信号，哪怕是预先进行过一定的检测处理，保安也很难从中发现问题信息；视频监控多数功用在于事故后查原因，人力值班巡逻必不可少。图1-3固定摄像头+中控室+机器人巡逻的安防方式随着人力成本的不断上升，采用“固定摄像头+中控室+机器人巡逻”的方式成为发展的大趋势：机器人代替保安，执行24小时巡逻任务以及初步的场景检查。这种方式的最主要优势在于可以大大节省人力以及管理成本，安保部门人员可以更少更可靠；随着巡逻的增加，可以实现无死角的监控，可以减少大量的固定摄像头安装，总的使用成本也更低。机器人上可以安装各种先进的传感器，用于自动探测各种异常情况，弥补人力的不足。使用机器人巡逻，也能避免人力巡逻的其他安全隐患。安防机器人以及各种智能安防系统的出现，可逐步替代简单乏味的安保工作。随着技术的不断成熟，安防机器人在企业大规模应用，将成为安防产业新的重要增长点。除此之外，随着人们生活水平的提高和网络的普及，安全防护越来越深入人心，个人/家庭用户安防需求的增长，也成为安防机器人应用的新领域。图1-4家庭安防看护的应用尤其是近几年随着家庭网络环境不断改善、用户消费能力的提升、安防意识增长、独立式居住家庭的增多，促使人们对家庭安全防范的意识得到空前强化。同时目前我国正逐渐步入老龄化社会，我国60岁以上人口已超过总人口的10%，预计到2015年全国老年人口总数将达到2亿人，随着老龄化社会的临近，老年人也在不断增多。家庭安防机器人，可通过手机实现远程控制和监控，一方面可用于视频监控报警，防范非法入侵，另一方面可以搭载特殊传感器，看守家中老人和儿童，当他们发生危险事件时，能自动识别并自动报警。家庭环境下的安全监护需求也在进一步促进监控机器人的发展。二、安防机器人的研究现状尽管由于技术的限制，服务机器人进入千家万户，还有很长一段路要走，但是提供安防相关服务的机器人技术发展已经基本达到了市场的要求。国内外许多科研单位和高科技公司进行了大量安防机器人的研究和开发，市面上也出现了不少安防机器人的产品。2.1国外现状在一些发达国家，已经开始采用巡逻机器人对大型楼宇、机场、交通枢纽、仓储基地、军事基地等的保安工作。国外典型的安防监控类机器人有：Mostitech机器人（图2-1），T63-Artemis机器人（图2-2），Mosro厂区巡逻机器人（图2-3），MDARS-I型室外保安机器人（图2-4），Reborg-X（Reborg-Q）机器人（图2-5），KnightscopeK5巡逻机器人（图2-6）等等。如美国研制出的、RobotWatch等。图2-1Mostitech机器人Mostitech机器人是韩国最大的移动运营上SK电信推出的监控机器人。这种机器人高50厘米，重12公斤。如果遇到失火或者致命的煤气泄露等紧急情况，机器人的传感器可以探测到潜在的危险。当不速之客进入家中的时候，机器人能够把这些人的照片和报警信息发送出去。图2-2T63-ArtemisT63-Artemis是日本TMSUK[3]在2004年推出的一款人形保安机器人。该机器人的体积为157×66×82cm，与普通人体形相似，用户可以通过无线WLAN网络来对机器人进行完全控制控制，另外也能通过机器人的监视器对大楼的每个角落进行巡视，起到一个流动监视器的作用。该机器人还可以感应到火苗的存在并与消防中心取得联系以最快速度将火苗扑灭，而机器人本身也有喷水功能。除此之外，一旦有罪犯入侵的话T63也能快速识别并喷出烟雾来暂时使得罪犯丧失行动能力。图2-3，MOSRO机器人MOSRO厂区巡逻机器人，由德国Robowatch[4]研发生产。它能自动感知探测周围的墙壁、障碍物，从而在室内自由行走，最大行进速度4千米／小时，可爬13°的坡。电池充电时间为4小时，连续工作时间14-16小时。MOSRO的红外传感器能自动探测和跟踪12米内的人员，雷达传感器的作用距离为30米。发现可疑人员后，它还能自动转身，将头部的摄像机对准目标。图2-4MDARS-I型室外保安机器人MDARS-I型室外保安机器人，由美国一家公司研制，MDARS-I的最低速度为3公里/时，一次充电可连续工作8小时，它可在360度范围内发现10米远的物体。机器人装有入侵者探测用的微波雷达，热成像仪，音响传感器，CCD摄像机，红外照明器和旋转及倾斜平台，还有超声波传感器及导航传感器等。一个无线局域网络转接器方便了机器人与控制站的通信。下班后机器人在仓库内巡逻，可发现烟、火及入侵者。此外，它还可确定所存物品的状况及位置，发现问题及时发出警报。图2-5，左Reborg-Q（2006年），右Reborg-X（2015年）机器人保安Reborg-X，由日本综合警卫保障ALSOK公司[5]推出，Reborg-X是该公司继Reborg-Q以及An9-PR之后推出的最新款机器人。距离主行走型机器人1号机面市已经有多年的历史，而这款Reborg-X作为第十代作品，继承了该系列使用Remote（远程操控）与Cyborg（半机械人）创造出来的新词Reborg，被命名为“Reborg-X”。Reborg-X可以根据使用环境以及使用用途按客户要求进行定制，配备了能够读取脸部特征以及服装特征的“图像认知系统”，能够帮助寻找走散的孩子。而内置的语言软件，更让其精通多国语言，成为了各类大型活动的最佳解说员。此外，当有人进入指定区域时，Reborg-X能够读取资料判断出入侵人员是可疑人物还是VIP客人，并将拍摄的图像以及位置信息发送到警备人员的移动终端上。大大节省了监控中心的人力，并提高了安保的效率。KnightscopeK5巡逻机器人，是美国硅谷2013年的初创团队[6]研发的最新产品。该机器人搭载了大量的高端传感器设备，包括高清摄像头、麦克风、热感成像、红外传感、激光雷达、超声波测距等等。借助这些传感器，K5会实时生成大量的环境数据，而通过收集这些数据，以及拉取实时的政府数据、社交网络数据等所有可以利用的资源进行综合评估，为环境设定了不同的警报级别，这使得K5可以对所处的环境拥有全面的判断，从而预防犯罪。图2-6，KinghtscopeK5巡逻机器人2.2国内现状国内在监控机器人方面研究也取得了一些可喜的成绩。沈阳新松机器人自动化股份公司研制的第二代智能型机器人（如图2-7）。该机器人可以靠底部两个传感器躲避障碍物完成自如行走，监测家中是否漏水、着火、煤气泄露等，发现异常时，机器人会主动地向主人的手机发送报警短信。如果有陌生人闯入时，机器人也会立即用摄像头将其拍摄下来传给主人。哈尔滨工业大学机器人所研制的智能监控机器人（如图2-8），它能在一个家庭的范围巡视、观察室内环境的变化，发现入侵者，并及时把探测到的信息（盗窃，火、煤气泄露等）用无线或者网络的方法通知主人。机器人具有轮式行走结构和障碍检测传感器，可在用户家中自主行走与避障。通过自带摄像头，可以拍摄室内的图像，主人可以通过因特网实现对机器人的控制和查看家里的情况。图2-7新松监控机器人图7哈工大监控机器人在国内，也有一些企业推出了具备监控功能的机器人产品，例如科沃斯的“亲宝”型家庭服务机器人（图2-9），该机器人集成远程视频监控与遥控、空气净化、娱乐、家电控制等功能。中科智酷公司推出的家庭监控机器人E-WO（图2-10），具备儿童陪护、儿童娱乐、3G视频通信等功能。图2-9，亲宝机器人图2-10E-WO机器人总体而言，国内外安防机器人种类繁多，功能也各异。由于整体产业仍然处于起步阶段，很多实际应用仍然有待市场检验，而更多具体的技术实现仍然有待改进成熟。但是，可以预见的是，距离售价合理且能很好满足用户需求的安防机器人产品上市，已经为时不远了。三、安防机器人的关键技术作为一款面向安防的产品，除了移动机器人所必备的功能之外，安防机器人也需要多项安防与智能识别相关的技术，为其具体应用提供保障。安防机器人涉及的关键技术主要包括：3.1移动机器人导航技术导航技术是移动机器人的核心技术，它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态,实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。能够自主巡逻、自动充电是多数安防机器人产品必备的功能，这必须依靠机器人导航。机器人导航主要包括三大问题：（1）“我现在何处?”，(2)“我要往何处去?”，(3)“要如何到该处去?”。其中问题（1）是移动机器人导航系统中的定位及跟踪问题，（2）（3）是移动机器人导航系统中的路径规划问题[7]。在定位及跟踪方面，尽管安防机器人通常工作于相对固定的场景，但他们通常也需要能够自动创建地图并实现自主定位。相关的实现方法有很多，可分为两大类[8]：相对和绝对位置测量。常用的定位实现方法有：里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配和仿生导航技术等。其中前两种属于相对位置测量，也称为航迹推算，仿生导航技术包括基于视觉、声音和气味的导航技术。近些年来，基于激光扫描仪测量的SLAM技术和基于视觉的SLAM技术是采用较多的主流[9]。而随着低成本深度摄像头的推广，基于RGB-D图像的SLAM技术已经成为新的研究热点。另外，对于室内机器人而言，采用CV-SLAM（天花板视觉SLAM）的方式实现定位，不失为一种低成本可靠的方法。图3-1移动机器人导航在导航的目标点选择以及路径规划方面，安防机器人有其应用的特殊性。在一些情况下，安防机器人依照外部系统或者人为指定的目标点或者规定路径行驶；在另一些情况下，安防机器人需要能够自动探测异常，并自主设定目标位置或者动作，比如，在发现有人入侵的时候，自主的寻找、跟随入侵者移动，这些功能的实现，也需要更多智能化决策的能力。3.2智能化检测识别与传感器技术“耳聪目明”是对人类保安的要求，对机器人而言，多种智能化检测识别与传感器技术是保障安防机器人探测异常情况的关键。智能化检测识别主要包括：（1）基于图像的异常情况探测技术，如：入侵检测、人体检测、人脸识别、火灾图像探测等等；（2）异常声音的探测与定