安防巡逻机器人研究综述

葛耿育

摘要：作为机器人的重要应用领域之一，安防巡逻领域目前刚开始研发应用，本文分析了国内外安防巡逻机器人的研究现状，讨论了多种核心技术的内容，给出了研究存在的问题，展望了未来的发展方向。

关键词：安防；巡逻；机器人

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0178-02

Abstract：As one of the important application field of robot， security patrol area has just started to develop application at present.This paper analyzes the security patrol robot research status， discusses the variety of the content of the core technology， presents the problems existing in the study and prospects the development direction of the future.

Key words： security； patrol； robot

1 引言

我国是世界上人口第一大国，随着城镇化的发展，城市人口越来越多，因此维护城市公共安全是对市民正常生活的一个重要保障，特别是公共场所如城市商业广场、汽车站、火车站、机场附近以及学校等。自从近年来新疆打砸抢烧事件、昆明火车站暴恐事件、湖南校园群殴事件、湖北十堰市一小学持刀砍人等一系列事件的发生，城市安全特别是公共场所的安全问题成为社会关注的焦点之一，因此城市安全防范力度需要很大程度上的提高。国家虽然在公共场所的安防监控做了较大的改善工作，公共场所配备交巡警进行安防工作，然而依然存在以下几个问题：

1）监控设备的位置固定，因此有监控死角，还有无法对某处场景做到可调整距离或者清晰度的视频监控。

2）监控设备无法发出警示声音或者标识，给予潜在的犯罪事故警示和威慑。

3）交巡警车辆较大，有些场所如火车站、汽车站内进不去；并且在校园、城市广场等地影响正常的学习或商业办公工作。

4）缺乏知识的老人或者小孩在遇到紧急情况时没有报警设备或者忘记相应的报警电话，如火警、匪警、医疗急救、交通事故等相关的号码。

2 国内外研究现状

2.1国外研究现状

美国硅谷的机器人安保公司Knightscope研发和生产了K1、K3、K5和K7系列安防机器人如图1所示，K1主要用于各种车站场所、K3用于室内、K5用于室外、K7用于多种复杂地形，其中K5系列已经和16个国家签约使用，该机器人拥有GPS定位、激光扫描、沿指定线路巡逻或者任意自主行走和热感应等多项功能，并配备有监控摄像机、感应器、气味探测器和热成像系统，连接手机可进行数据传送[1]。

新加坡公司Otsaw Digital将安防机器人和侦查无人机有机的整合在一起，所研发设计的O-R3是全球首款侦查范围覆盖地面和空中的室外安防机器人，如图2所示，配备了深度学习算法，不仅能够动态的躲避障碍物来识别无人看管的背包等异常物体。该系统同时具备面部识别和车牌识别系统，能够用于识别人物和车辆。O-R3机器人的无人机能够巡视100米范围，能够實现全天候的监控，从而减少人类安保人员的需求。当车辆处于低电状态的时候能够自动到达就近的充电桩进行充电。O-R3机器人的所有警报都会发送给控制中心，而人类团队将会监控这些数据甚至在有必要的时候完全接管O-R3。

图3所示为韩国京畿大学的Lee Baik-Chu教授团队所研发设计的Robo-Guard安防机器人应用于韩国浦项市东边的一家监狱。该机器人拥有1.5m左右的高度，四轮驱动，具有多个摄像头和其他传感器，可协同守卫狱警检测犯人具有潜在危险的异常举动，如暴力或者自杀行为等。

2.2 国内研究现状

国防科学技术大学联手万为智能机器人技术有限公司研发的集安防和服务于一体的安防巡逻机器人“AnBot”如图4所示，已经在国防科大营区、长沙市博物馆、中国工商银行银河支行、深圳宝安机场等场所试用，并以其出色表现获得用户一致好评。该机器人高1.49m、重78KG、腰围直径0.8m、巡逻时速1Km/h、最大行走速度18Km/h、续航时间达8小时，电量不足时可自主寻找附近充电桩进行自主充电。综合了UWB无线定位技术、激光雷达SLAM技术、视觉定位技术、多传感器融合技术、运动控制模型与驱动、人工智能主控大脑、自组织网络以及智能视频分析与学习等先进技术，具有自主巡逻、智能监控探测、遥控制暴、声光报警、身份识别、自主充电等多种功能。

在天津滨海新区爆炸事故之后，万科建筑研究中心于2015年底对外发布代号为“VX-1”（中文名称：悟空一号）的巡逻机器人如图5所示，具有无线通讯、磁导航、视觉导航、车牌识别室内室外巡逻、360度全方位监控、问路引路、垃圾巡检、行人检测、热成像显示和人脸识别等多种功能，主要用于居民社区和公共场所提供安全保障。

中智科创机器人有限公司和香港中文大学技术团队合作研发的安防巡逻机器人如图6所示，在国内首次提出“机器人+安保”的“动静结合”的立体化安防理念，目前已应用到华为坂田工业园等场景。机器人可沿预先设定好的路径自主行走，并在指定的地点停留执行查看、检测等任务，数据自动上传后台管理云平台归档和分析，在发现异常时及时自动报警，无须人工干涉；搭载360度全景高清红外一体夜视云台摄像机，可在复杂环境下提供监控画面，搭载拾音器可收集现场声音，供后台监控人员参考；搭载多种气体传感器等实时监控空气质量；集成模式识别算法及人工智能，实现人脸识别、车牌识别、异常声音分析、行为分析等智能分析软件；支持声光报警、一键SOS报警、双向语音对讲，前后台互动等技术支持[2-4]。图7所示为该公司的安保服务机器人，除了多数同类机器人安防功能外，增加了语音交互、自主打印等服务机器人的功能。

3 研究方法

对于安防巡逻机器人的研究而言，有多个技术研究方向，如：机械结构、机器人的定位与导航、目标检测、识别和跟踪、多传感器信息融合、无线通信网络、电源供应、人机交互、运动控制、多机协作等。

1） 机械结构。作为移动机器人平台所研究的重要方向，机器人移动平台选择轮式、履带式、腿式结构或复合结构等需要根据实际应用场景而定。若应用场景为平坦地面，则轮式结构效率最高、功耗最低、控制较为简单。若应用场景为台阶或者粗糙地面，则需要考虑腿式、履带式、轮履切换式等复合结构。

2） 定位与导航。常用的移动机器人导航定位方法有电磁循迹、红外光电循迹、卫星导航定位、激光雷达导航定位、视觉导航等方法。光电和电磁循迹方法简单可靠，但行走路线受到限制，较为固定和单一。卫星定位作为室外定位和导航常用方法，可以连续实时提供绝对的经纬度参数信息，却容易受到建筑物或者山体等遮挡信号。激光雷达导航具有定位精度高、受干扰小等优点，但高精度的设备成本较高。目前最合适的解决方法是多种导航定位方法融合使用，根据环境和场景决定切换到某种方式。

3） 目标检测、识别和跟踪。传统的安防监控系统多为静态的固定位置摄像头采集图像信息，而安防巡逻机器人能够动态的采集到多个位置的图像视频，涉及运动检测、特征提取、人脸识别、目标跟踪等图像处理领域的技术和方法[5-8]。

4） 无线通信网络。机器人在前端现场采集到多种传感器的参数数据、图像视频、音频等，需要将数据传给远程后台，同时后台需要发布一些指令给机器人进行实时调整工作方式，因而需要多通道的无线传输技术。常用电信网络的4G或5G网络、全域覆盖的WiFi节点等方式[9]。

4 存在的问题

针对上节内容研究方法和内容所述，目前安防巡逻机器人的研究和应用也存在一定的问题需要解决。

1） 室外导航用的GPS等方式在室内或者建筑物大厅内信号较弱或者无信号时怎么定位机器人的位置，如何切换到室内定位和导航技术方式。

2） 對于一些非平地路面的轮式移动结构平台，遇到复杂路面或者台阶等，如何实现越障功能。

3） 对于行人或者突发状态中如何识别出图像中的异常状态。

4） 多个同类型的安防机器人、安防机器人与无人机以及安防机器人与安保人员之间如何实现协同工作等。

5 展望

随着安防巡逻机器人技术的研究和发展，未来将实现自主化和智能化的运作方式，协同现有的安防监控系统，解决公共场所的安全隐患、巡逻监控和灾情预警等工作，减少安全事故的发生，减少人民的生命财产的损失，为公共安全领域做出应有的贡献。

参考文献：

[1] Knightscopes K5 Robot Stops Crime Before it Happens[J] . Wiltz，Chris. Design News . 2015 （3）

[2] 刘康轩. 安防巡逻机器人设计研究[D].北京邮电大学，2017.

[3] 李坤. 安防巡逻机器人控制系统平台的应用研究[D].华北电力大学（北京），2016.

[4] 黄鹏臻. 安防机器人软件系统设计[D].电子科技大学，2016.

[5] Wang Wei ，Wu Shilin ，Zhu Peihua，et al.Design and experimental study of a new thrown robot based on flexible structure[J].Industrial Robot： An International Journal，2015（5）.

[6] 梅涛，陈剑，陈宏炬，等.安防机器人关键技术与产业化前景[J].高科技与产业化，2016（5）：51-55.

[7] Real-time video stabilization without phantom movements for micro aerial vehicles[J].Wilbert G Aguilar，CecilioAngulo. EURASIP Journal on Image and Video Processing，2014（1）.

[8] Improving Video Stabilization Using Multi-Resolution MSER Features[J].Manish Okade，Prabir Kumar Biswas.IETE Journal of Research，2014（5）.

[9] An auction behavior-based robotic architecture for service robotics[J].Bradford A. Towle，MonicaNicolescu. Intelligent Service Robotics，2014（3）.