一種基于生物機器人的微型無線主動式全景視覺傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物機器人、全景激光光源、全方位視覺傳感器、無線傳輸以及計算機 視覺技術在狹小空間內工業(yè)表面的狀態(tài)檢測等方面的應用，尤其涉及一種基于生物機器人 的微型無線主動式全景視覺傳感器。
【背景技術】
[0002] 地下管道存在著結構健康監(jiān)測問題，其必要性和迫切性是不言而喻的。需要有一 種對管道進行自動化的、全方位的、智能化的全面健康體檢技術，定期對管道進行檢測和維 護。
[0003] 非結構環(huán)境下的工業(yè)機器人的運動平穩(wěn)性、靈活性、健壯性、環(huán)境適應性及能源利 用效率等方面遠落后于動物。動物機器人在能源供給、運動靈活性、隱蔽性、機動性和適應 性方面較機器人具有更明顯的優(yōu)勢。
[0004] 2002年的《自然》雜志報道，在美國DARPA的大力支持下，美國紐約州立大學的 Sanjiv Talwar博士領導的科研小組已成功實現(xiàn)了人工制導老鼠的各種運動行為。科研人 員通過在老鼠體上安裝微處理器，在其腦部產生快感的片區(qū)和體覺感受皮層植入電極。在 500m外可遙控其完成轉彎、前行、爬樹以及跳躍等動作，甚至可以控制老鼠產生一些有違其 習性的運動行為，如暴露在充斥強光的空間中。這些研究給動物機器人應用于特殊領域指 引了方向。
[0005] 我國現(xiàn)有各類管道13340km并且每年都在以10萬以上速度增長，對在狹小空間內 工業(yè)表面的狀態(tài)檢測有著十分旺盛的市場需求。如何完成如此浩大工程的管道檢測和檢修 任務，是我國工程人員亟需解決的難題。而生物機器人作為目前采用的管道機器人的重要 補充，在管道狹小、空間受限制時，以及在轉角、直徑較小的管道和非圓管道應用中具有明 顯的優(yōu)勢。因此，生物機器人在狹小空間檢測，管道或大樓空調系統(tǒng)檢測和檢修等業(yè)務中具 有廣泛的應用市場。
[0006] 結構健康監(jiān)測技術是一個多領域跨學科的綜合性技術，它涉及土木工程、動力學、 材料學、傳感技術、測試技術、信號分析、計算機技術、網絡通訊通信技術、模式識別、移動機 器人等多個研究方向。
[0007] 從管道內表面視覺檢測的目的進行分類，可分為以下兩類：第一類是檢測有無缺 陷，例如腐蝕、裂縫、泄漏、變形等，有的檢測需要對缺陷進行精確定位，以此來進行維修；第 二類是檢測幾何量，例如管道的內壁形貌、內徑、直線度等參數(shù)，這類檢測方法與第一類差 別較大，需要準確獲取管道內表面密集點云的精確三維坐標。
[0008] 現(xiàn)今使用最普遍的檢測工具是管道閉路電視檢測系統(tǒng)，即CCTV法，該方法是專門 應用于地下管道檢測的工具。
[0009] 申請?zhí)枮?01010170739.9的中國專利申請公開了一種排水管道視頻檢測機器 人，其中包括攝像系統(tǒng)，鏡頭控制系統(tǒng)，機身驅動系，軟件控制與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和照明裝置。 由驅動系統(tǒng)負載其它系統(tǒng)在管道內爬行，鏡頭控制系統(tǒng)用以調整攝像系統(tǒng)的位置與角度， 攝像系統(tǒng)獲取經照明后的管道內部信息，最后通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將這些信息輸出到計算機 屏幕上。這種技術主要存在的問題是，需要額外的鏡頭控制系統(tǒng)不斷調整攝像系統(tǒng)的位置 與角度來獲取管道內部的全景圖像信息，并且要從這些圖像信息進行三維重構及三維檢測 是極其困難的，另外，需要相關的技術人員根據(jù)這些檢測錄像，進行管道內部狀況的判讀與 分析，從嚴格意義上講，這類技術僅僅是獲取了管內的圖像信息。
[0010] 申請?zhí)枮?01010022782. 0的中國專利申請公開了一種CCTV閉路電視攝像檢測方 法，是采用CCTV管道內窺電視攝像檢測系統(tǒng)，在管道內自動爬行，對管道的結構狀況進行 探測和攝像，通過有線傳輸方式進行顯示和記錄，并依據(jù)檢測技術規(guī)程再進行評估的一種 檢測方法。從嚴格意義上講，這類技術也僅僅是獲取了管內的圖像信息。
[0011] 綜上所述，目前利用CCTV法進行管道檢測時存在著以下的缺陷和不足：首先，攝 像機所拍攝的范圍有限，只能獲取管道內壁某一部分的圖像，為了獲取管道內壁所有圖像， 需要不斷改變攝像機的視角；另外，目前還只能靠檢測人員用眼睛通過所獲取管道內的圖 像來判斷表面是否存在缺陷，一般人眼只能察覺尺寸變化達±10%以上的圖像變異，難以 實現(xiàn)管道檢測的精準自動化和智能化；其次，目前的管內圖像獲取方法導致了難以對缺陷 的尺寸以及具體位置作定量的測量和分析，仍然依靠地面上的工作人員的經驗來判斷，并 對計算機處理結果進行綜合分析，難以對管道內功能性缺陷和結構性缺陷進行高精度的自 動分析和評估，自動地將管道運行狀況分為不同等級；最后，管道內部側壁的三維建模困 難，難以用三維數(shù)據(jù)方式再現(xiàn)管道的詳細情況，為管道的維護管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐，為 制定管道維修計劃提供參考，以便采用不同的修復方法，及時、經濟地進行修復。
[0012] 申請?zhí)枮?01510006892. 0中國專利申請公開了一種基于主動式全景視覺的管道 內部功缺陷檢測裝置及方法，該裝置包括：攝像爬行系統(tǒng)、控制電纜和檢測分析核心操作系 統(tǒng)；檢測分析核心操作系統(tǒng)包括：協(xié)調動作控制單元、爬行系統(tǒng)控制單元、圖像接收單元、 功能性缺陷和結構性缺陷的定性和定量分析判斷模塊和儲存單元；通過對管道內部全景影 像及激光掃描斷面切片圖像兩種圖像進行機器視覺處理分析和識別管道的功能性缺陷和 結構性缺陷。該申請?zhí)岚赣行У乜朔?CCTV法進行管道檢測時存在著一些的缺陷和不足， 但是內容尚未涉及如何高精度進行3D測量的主動式全景視覺傳感器設計技術，更進一步， 該案尚未涉及如何應用主動式全景視覺傳感器對管道內部進行三維重建技術。
[0013] 上述管道視覺檢測機器人技術中，對于小口徑管道的結構健康監(jiān)測有一個非常棘 手的問題，就是如何在一個狹小空間內讓管道視覺檢測機器人攜帶著視覺檢測裝置移動； 目前的工業(yè)解決方案是采用蠕動機器人，但是這類蠕動機器人的制造成本非常昂貴，難以 在實際推廣應用；另一個棘手的問題是管道視覺檢測裝置除了要能實時獲取管道內壁的全 景圖像外還必須微型化和輕量化設計。

【發(fā)明內容】

[0014] 為了克服已有的CCTV法的自動化和智能化水平低、管道檢測車體積大難以對小 口徑管道內功能性缺陷和結構性缺陷進行高精度的自動分析和評估、管道內部側壁的三維 建模困難、蠕動機器人價格昂貴等不足，本發(fā)明提供一種基于生物機器人的微型無線主動 式全景視覺傳感器，能夠提高管道檢測自動化和智能化水平，對管道內功能性缺陷和結構 性缺陷進行高精度的自動分析和評估，實現(xiàn)管道內部側壁的三維建模。
[0015] 要實現(xiàn)上述
【發(fā)明內容】
，必須要解決幾個核心問題：（1)發(fā)現(xiàn)一種適合狹長管道內 爬行的生物機器人并能制導其爬行行為；（2)實現(xiàn)一種價格低廉、總體重量在生物機器人 的負重能力范圍內、具有無線視頻圖像傳輸能力、并能快速并高精度獲得實際物體深度信 息的主動式全景視覺傳感器；（3)采用計算機視覺技術對管道內部側壁的三維重建方法。
[0016] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0017] 首先能夠在光滑或粗糙的各種斜度的表面上運動的移動系統(tǒng)，即三維空間無障礙 運動機器人，即TD0F，是現(xiàn)代機器人最重要和最具難度的分支之一。本發(fā)明設計任務之一是 要發(fā)現(xiàn)一種適合狹長管道內爬行的生物機器人并能制導其爬行行為；壁虎是能夠再地面、 墻壁、天花板等不同角度的斜面上運動的四足動物，它屬爬行類動物，產于我國廣西、云南、 東南亞等地，體重大、運動速度快、靈活、負重能力強。其體色因棲息環(huán)境不同，有黑褐色，黑 綠色，灰褐色等。尾具有6~7個灰白色環(huán)、四肢短小，只能爬不能跳。腳很特殊，有5個腳 趾，能吸附峭壁。喜溫濕陰暗，怕寒冷、畏光。目前壁虎的養(yǎng)殖技術已經成熟，小壁虎成活率 都達到90%以上。利用壁虎作為生物機器人在能源供給、運動靈活性等方面的優(yōu)勢，以及壁 虎只能爬行和畏光的特性，通過光的控制來制導壁虎的爬行行為來替代人類實現(xiàn)狹長空間 偵查工作。
[0018] 成年壁虎體重大可達150克，身長310_，胸背厚4~5_，運動速度可達I. 5m/s， 負重能力強在天花板上負重可達體重的5倍；目前市場上養(yǎng)殖的成年壁虎價格在50元/ 對，因此，采用壁虎作為管道爬行生物機器人具有很強的價格優(yōu)勢。
[0019] 管道視覺檢測設備主要包括無線通信單元、主動式全景視覺傳感器和電源；本發(fā) 明是讓壁虎攜帶管道視覺檢測設備進入管道進行視覺檢測。
[0020] 成年壁虎負重能力與管道視覺檢測設備的重量匹配的計算：無線通信單元，其重 量<10g，有效通信距離5km ;主動式全景視覺傳感器，其重量<200g，成像分辨率為300萬像 素；電源，其重量50g ;這三者重量的總和為260g ;考慮到壁虎在管道中的爬行基本上在水 平狀態(tài)，因此，一個成年壁虎負重能力在水平方向上驅動力能足以帶動管道視覺檢測設備 的總體重量。
[0021] 根據(jù)成年壁虎負重能力與管道視覺檢測設備的重量匹配的計算結果，本發(fā)明的主 動式全景視覺傳感器必須在200g以內；這點要求主動式全景視覺傳感器必須微型化輕量 化設計；
[0022] 利用壁虎對環(huán)境的感知對其進行運動干預：對環(huán)境的感知是運動決策的基礎，也 是實施動物運動干預的基礎；表1所示的是壁虎在不同顏色下的安定情形，實驗研究表明， 壁虎在淺綠和深綠顏色情況下反映了不安定和非常不安定。
[0023] 表1壁虎在不同顏色下的安定情形
[0025] 由于狹長管道中爬行的壁虎基本上規(guī)定了壁虎的爬行方向，利用壁虎畏深綠光的 特性，在壁虎的尾部配置帶有綠色光源控制的主動式全景視覺傳感器；當控制主動式全景 視覺傳感器的綠色光源發(fā)光時一方面為視覺檢測管道提供照明，另一方面用于制導壁虎的 爬行行為，即在深綠光照明情況下制導壁虎的前行，在光源關閉的情況下制導壁虎的停止 爬行；
[0026] 主動式全景視覺傳感器，其硬件包括：全方位視覺傳感器、全景激光光源和LED帶 光源；所述的全方位視覺傳感器與