自主導(dǎo)航能力是評(píng)價(jià)煤礦移動(dòng)機(jī)器人智能化程度的重要指標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，具有自主導(dǎo)航能力的移動(dòng)機(jī)器人的研究成果和產(chǎn)品應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)。然而，關(guān)于煤礦特殊環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的討論較少，仍有許多關(guān)鍵問題有待研究和解決。面對(duì)煤礦移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航問題，應(yīng)優(yōu)先考慮任務(wù)執(zhí)行過程中的現(xiàn)場(chǎng)性和實(shí)時(shí)性。

提出了一種煤礦井下移動(dòng)機(jī)器人的深度視覺自主導(dǎo)航方法。在該方法中，機(jī)器人配備RGB-D相機(jī)作為深度視覺數(shù)據(jù)采集傳感器，通過地圖創(chuàng)建和自主操作兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航任務(wù)。在地圖創(chuàng)建階段，通過深度視覺數(shù)據(jù)的特征提取和匹配構(gòu)建深度視覺數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的ICP模型，利用圖優(yōu)化理論構(gòu)建并求解ICP-BA圖模型。在自主運(yùn)行階段，使用Octomap作為機(jī)器人的導(dǎo)航地圖，利用PNP原理進(jìn)行實(shí)時(shí)重定位. 在此基礎(chǔ)上，自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)規(guī)劃采用路徑規(guī)劃進(jìn)行無人機(jī)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行，算法流程如圖1所示 。

圖1 無人機(jī)深度視覺自主導(dǎo)航過程

平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.硬件

構(gòu)建的多旋翼無人機(jī)平臺(tái)包括M300 RTK飛控板、視覺傳感器、低功耗機(jī)載主控計(jì)算機(jī)、電機(jī)和14.8V鋰電池?？蓾M足基本負(fù)載要求，最大附加負(fù)載2.7kg，滿載續(xù)航31min，對(duì)稱電機(jī)軸距895mm，圖2顯示了無人機(jī)平臺(tái)。

圖2 自主無人機(jī)平臺(tái)

機(jī)載計(jì)算機(jī)是多旋翼無人機(jī)視覺定位、地圖構(gòu)建和自主飛行控制的核心。機(jī)載計(jì)算機(jī)搭載英特爾酷睿i7處理器，可滿足定位、地圖構(gòu)建、障礙物檢測(cè)和路徑規(guī)劃等高級(jí)任務(wù)的要求。采用Ubuntu 12.04操作系統(tǒng)，搭載Hydro機(jī)器人操作系統(tǒng)。車載計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是其尺寸僅為25mm ×103mm ×113mm，質(zhì)量為0.270 kg。飛行控制面板是自主指揮和飛行控制的樞紐。它有一個(gè)16位陀螺儀、14 位加速度計(jì)和磁力計(jì)，以及ms5611氣壓計(jì)。提供多種接口連接外部傳感器，適用于各類無人機(jī)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，還連接了數(shù)據(jù)傳輸和GPS模塊。飛控板的串行通訊接口與主控電腦的USB接口相連，建立了主控電腦與飛控板之間的數(shù)據(jù)橋梁。單目視覺傳感器通過USB接口直接與主控電腦相連。

2. 軟件

該軟件主要基于機(jī)器人操作系統(tǒng)的ROS框架，建立各模塊的通信，采集傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)自主位置控制。機(jī)器人操作系統(tǒng)是一種新穎的軟件框架，主要應(yīng)用于機(jī)器人平臺(tái)操作和控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)可以歸結(jié)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)、豐富的工具包、高代碼重用率、多語言支持、簡(jiǎn)化和集成、系統(tǒng)模塊化、免費(fèi)源代碼和易于測(cè)試。

通信接口節(jié)點(diǎn)是主控計(jì)算機(jī)與M300 RTK飛控板之間的信息傳輸樞紐。是實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)獲取飛行狀態(tài)和自主控制飛行狀態(tài)的關(guān)鍵。節(jié)點(diǎn)主要通過Mavlink協(xié)議接收多旋翼飛行器的心跳包、姿態(tài)角包和位置包，并將數(shù)據(jù)按類別以特定消息格式發(fā)布到不同主題。然后將主體數(shù)據(jù)以Mavlink協(xié)議的形式發(fā)送給飛控板，獲取外部傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自主飛行控制。自主控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理可以概括為訂閱飛行器當(dāng)前位置主題，提供位置反饋，然后將位置控制命令發(fā)布到通信節(jié)點(diǎn)的主題中。最后，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)來調(diào)整位置控制信息。

視覺定位和地圖構(gòu)建

主要研究一種實(shí)時(shí)、高精度的視覺同步定位與建圖（SLAM）算法。單目視覺定位和地圖構(gòu)建方法可以在地下實(shí)時(shí)運(yùn)行。它可以完成閉環(huán)檢測(cè)和重定位，包括自動(dòng)地圖初始化，并選擇最合適的方法來選擇特征點(diǎn)和關(guān)鍵幀。根據(jù)其特點(diǎn)，對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)并成功應(yīng)用于自主四旋翼無人機(jī)平臺(tái)。在沒有其他定位方法的情況下，完成了四旋翼無人機(jī)的視覺定位和地圖構(gòu)建。

路徑規(guī)劃

  運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的路徑規(guī)劃是通過一定的搜索策略，在導(dǎo)航地圖中找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)不發(fā)生碰撞的連續(xù)路徑。煤礦深度視覺無人機(jī)自主作業(yè)階段的路徑規(guī)劃是在構(gòu)建的Octomap導(dǎo)航地圖中尋找一條無碰撞路徑。時(shí)效性在煤礦無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行中尤為重要，因此搜索策略應(yīng)遵循最短路徑原則。A*算法是一種廣泛使用的高效最短路徑規(guī)劃方法?；贏*算法的搜索策略如圖3所示。

圖3 A*算法的成本函數(shù)

實(shí)驗(yàn)分析

通過開展無人機(jī)視覺導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自主導(dǎo)航的控制精度，完成地下環(huán)境的地圖構(gòu)建。因?yàn)镽OS中的命令一次只能運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)節(jié)點(diǎn)并完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置，所以使用launch文件來安排啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)和初始化參數(shù)， ROS內(nèi)核也可以運(yùn)行。圖4顯示了節(jié)點(diǎn)關(guān)系，其中圓圈代表主題。

圖4 節(jié)點(diǎn)圖

地圖初始化后，無人機(jī)從初始化位置（0，0）起飛，自主控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)定點(diǎn)飛行的要求設(shè)計(jì)導(dǎo)航任務(wù)。圖5為水平位置精度，圖 6為三維位置精度。從數(shù)據(jù)可以看出，DAV完成了設(shè)定的地下導(dǎo)航飛行任務(wù)，沿y軸飛行時(shí)位置波動(dòng)較大。主要原因是飛機(jī)滾動(dòng)時(shí)傳感器水平朝向一側(cè)的視野波動(dòng)，以及傳感器視野環(huán)境的更新和變化引起的定位誤差。實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)航飛控精度在±0.15m以內(nèi)。

圖5?自主導(dǎo)航的三個(gè)方向定位精度

圖6 自主導(dǎo)航的三維定位精度

機(jī)器人搭載RGB-D攝像頭作為深度視覺數(shù)據(jù)采集傳感器，可實(shí)現(xiàn)地圖創(chuàng)建和自主操作的自主導(dǎo)航任務(wù)。多旋翼無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活，可廣泛應(yīng)用于煤礦巡查救援。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以在完全未知的環(huán)境下，利用視覺方法獨(dú)立完成精確的導(dǎo)航飛控和地圖構(gòu)建任務(wù)，不需要其他輔助定位系統(tǒng)，具有較高的導(dǎo)航飛控精度。