一種基于腦機結(jié)合的機器人排爆系統(tǒng)的排爆方法

一種基于腦機結(jié)合的機器人排爆系統(tǒng)的排爆方法\n技術(shù)領(lǐng)域\n[0001] 本發(fā)明屬于機器人智能控制領(lǐng)域，是一種智能控制技術(shù)與機器人排爆相結(jié)合的應(yīng)用，特別是涉及一種基于腦機結(jié)合的機器人排爆系統(tǒng)的排爆方法。\n背景技術(shù)\n[0002] 排爆是一項非常危險的任務(wù)，因此排爆機器人的研究是當前機器人研究的一個熱點。由于排爆機器人一般工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，因此，研究具有局部自主能力的、可以通過人機交互，高效完成排爆任務(wù)的智能機器人是今后一段時間的發(fā)展方向，目前已有的排爆機器人進行排爆時，其結(jié)構(gòu)復雜，智能化程度低，而且操作繁瑣，安全性能低，開發(fā)一套結(jié)構(gòu)相對簡單，能夠?qū)崟r處理各種復雜任務(wù)的智能排爆機器人系統(tǒng)的排爆方法具有非常重要的意義。\n發(fā)明內(nèi)容\n[0003] 為克服現(xiàn)有技術(shù)上的不足，本發(fā)明的目的是在于提供一種具有類似于人腦學習過程的智能機器人排爆系統(tǒng)的排爆方法，充分利用排爆專家的排爆知識，能夠?qū)崟r處理各種復雜任務(wù)，來實現(xiàn)機器人的自主排爆。\n[0004] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于腦機結(jié)合的機器人排爆系統(tǒng)的排爆方法，包括如下步驟：\n[0005] （1）首先排爆專家與機器人進行排爆訓練，在機器人大腦中建立初始排爆知識庫。\n[0006] （2）當排爆任務(wù)下達后，排爆專家攜帶安裝有排爆專家系統(tǒng)的計算機進入排爆區(qū)域外圍監(jiān)控地點開始工作，排爆機器人攜帶兩臺攝像機、超聲波傳感器、激光測距儀及無線通訊設(shè)備進入排爆區(qū)域入口，準備執(zhí)行排爆搜索。\n[0007] （3）排爆任務(wù)開始前，先進行機器人與排爆專家之間的連通性測試。然后利用機器人的雙目視覺系統(tǒng)實時采集圖像并利用無線裝置傳回至排爆專家系統(tǒng)計算機，進行三維場景構(gòu)建。\n[0008] （4）根據(jù)構(gòu)建的三維場景，排爆專家實時控制機器人進行排爆搜索任務(wù)，與此同時，利用電波帽實時采集排爆專家的腦電波信號，經(jīng)處理后傳送給排爆機器人，供其在線學習，并更新排爆知識庫。\n[0009] （5）當排爆專家和機器人之間通信出現(xiàn)故障，則機器人利用可變力場法進行自主導航，并根據(jù)自身知識庫來匹配實時圖像繼續(xù)進行排爆搜索任務(wù)。\n[0010] （6）發(fā)現(xiàn)爆炸物，排爆專家通過無線通訊裝置，實時控制排爆機器人進行排爆，同時利用腦機結(jié)合的方法實現(xiàn)機器人在線學習。如果通訊中斷，則排爆機器人利用自身所存儲的排爆知識進行自主排爆。\n[0011] （7）所有區(qū)域搜索完畢，排爆任務(wù)完成，機器人安全返回。\n[0012] 本發(fā)明利用機器人上的兩臺攝像機分別獲取物體不同角度的兩幅圖像，由圖像處理模塊進行立體特征匹配。本發(fā)明采用Harris-SIFT算法進行特征匹配，具體如下：\n[0013] 首先載入左右攝像機的圖像到計算機，對圖像進行初始化，分別在左右圖像中檢測Harris特征點，計算特征點的主方向，生成SIFT特征點描述算子，最終完成特征匹配。\n[0014] 其中，SIFT算子是一種有效地點特征提取算子，計算公式如下：\n[0015] R=Δ(C)-ktr2(C)\n[0016] 其中，Δ為矩陣行列式；tr為矩陣直跡；C為相關(guān)矩陣。\n[0017] 本發(fā)明的有益效果如下：\n[0018] 本發(fā)明通過腦機結(jié)合技術(shù)用于排爆機器人的學習過程，建立機器人排爆知識庫；\n并且機器人具有雙目視覺，可以實時傳輸并構(gòu)建排爆現(xiàn)場的三維場景，更有利于排爆專家進行精確排爆操作；當機器人和排爆專家通信中斷時，機器人可以利用可變力場法進行自主導航，在通訊中斷或者其他更加復雜情況下，機器人可以利用知識庫進行完全自主排爆，進而充分利用排爆專家的排爆知識，來實現(xiàn)機器人的自主排爆。\n附圖說明：\n[0019] 圖1為排爆任務(wù)工作流程圖。\n[0020] 圖2為基于腦機結(jié)合的機器人知識庫建立及更新流程圖。\n[0021] 圖3為機器人立體視覺算法流程圖。\n[0022] 圖4為基于腦機結(jié)合的排爆系統(tǒng)工作示意圖。\n具體實施方式\n[0023] 為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。\n[0024] 本發(fā)明是一種基于腦機結(jié)合的機器人排爆系統(tǒng)的排爆方法，其充分利用排爆專家的排爆知識，來實現(xiàn)機器人的自主排爆；其具體流程如附圖1所示，包括如下步驟：\n[0025] （1）首先排爆專家與機器人進行排爆訓練，在機器人大腦中建立初始排爆知識庫。\n[0026] 上述機器人進行排爆訓練，在機器人大腦中建立初始排爆知識庫的步驟如下：\n[0027] （1a）在機器人控制系統(tǒng)中植入一塊DSP芯片，構(gòu)建機器人大腦，并把該芯片劃分四個區(qū)域，分別對應(yīng)人腦的左腦、右腦、后腦和中樞；\n[0028] （1b）訓練時，排爆專家佩戴電波帽進行排爆演習，排爆專家根據(jù)訓練用的排爆場景圖像進行相應(yīng)的排爆操作，用電波帽實時采集排爆專家的腦電波信號；\n[0029] （1c）把采集的腦電波信號進行濾波、波形提取，通過A/D轉(zhuǎn)換，把對應(yīng)排爆行為的腦電波模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；并通過進行多次訓練，采用求平均的方法，得到對應(yīng)特定排爆行為知識的精確腦電波數(shù)據(jù)；\n[0030] （1d）把代表排爆專家經(jīng)驗知識的腦電波數(shù)據(jù)存儲在機器人大腦芯片相應(yīng)區(qū)域中，作為機器人的初始排爆知識庫。\n[0031] （2）當排爆任務(wù)下達后，排爆專家攜帶安裝有排爆專家系統(tǒng)的計算機進入排爆區(qū)域外圍監(jiān)控地點開始工作，排爆機器人攜帶兩臺攝像機、超聲波傳感器、激光測距儀及無線通訊設(shè)備進入排爆區(qū)域入口，準備執(zhí)行排爆搜索。\n[0032] （3）排爆任務(wù)開始前，先進行機器人與排爆專家之間的連通性測試；然后利用機器人的雙目視覺系統(tǒng)實時采集圖像并利用無線裝置傳回至排爆專家系統(tǒng)計算機，進行三維場景構(gòu)建。\n[0033] 如附圖3所示，上述機器人雙目視覺模塊中三維場景構(gòu)建流程圖具體如下：\n[0034] a、攝像機內(nèi)外參數(shù)標定。為了完成排爆圖像的三維場景重建，需要獲得圖像的深度信息，首先對攝像機進行參數(shù)標定，本發(fā)明采用內(nèi)外參數(shù)分離的標定法。\n[0035] 設(shè)（u,v）為理想的圖像像素坐標，（u’，v’）為觀測到的受到畸變的圖像像素坐標，（x，y）為歸一化后的理想圖像坐標，（x’，y’）為觀測到的圖像坐標，則內(nèi)參數(shù)的標定公式如下：\n[0036] u'=u+(u-u0)[k1(x2+y2)+k2(x2+y2)2]\n[0037] v'=v+(v-v0)[k1(x2+y2)+k2(x2+y2)2]\n[0038] 其中，k1、k2均為徑向失真系數(shù)；(u0,v0)是采集圖像的中心點坐標。系數(shù)k1、k2的計算公式如下：\n[0039] Dk＝d\n[0040] 式中，K=[k1 k2]T，通過求解該式的最小二乘解得到：\n[0041] K=(DTD)-1DTd\n[0042] 攝像機的內(nèi)參數(shù)就由上式確定。\n[0043] 攝像機外參數(shù)的標定方法如下：\n[0044] 令世界坐標和左攝像機的中心坐標重合，得到該攝像機的相對旋轉(zhuǎn)矩陣為R左T\n=E，E為一三維單位矩陣，平移矩陣T左=[0,0,0] ；同樣可得到右攝像機的外參數(shù)為R右=E，其平移矩陣為T右＝[TxT,0,O]，其中TxT=B，B為兩臺攝像機中心點間的距離。\n[0045] b、首先載入左右攝像機的圖像到計算機。本發(fā)明利用機器人上的兩臺攝像機分別獲取物體不同角度的兩幅圖像。\n[0046] c、對左右圖像進行初始化。\n[0047] d、分別在左右圖像中檢測Harris特征點，計算特征點的主方向，生成SIFT特征點描述算子，完成特征匹配。本發(fā)明由圖像處理模塊進行立體特征匹配采用Harris-SIFT算法進行特征匹配，其中，SIFT特征點描述算子子是一種有效地點特征提取算子，計算公式如下：\n[0048] R=Δ(C)-ktr2(C)\n[0049] 其中，Δ為矩陣行列式；tr為矩陣直跡；C為相關(guān)矩陣。\n[0050] e、進行深度計算，完成三維場景構(gòu)建。立體特征匹配完成后，進行三維坐標的數(shù)值計算。三維坐標計算時，使用攝相機參數(shù)矩陣K和目標圖像中心的坐標計算出三維投影線的方程，繼而獲得目標物的空間位置，完成三維場景重建。\n[0051] （4）根據(jù)構(gòu)建的三維場景，排爆專家實時控制機器人進行排爆搜索任務(wù)，與此同時，利用電波帽實時采集排爆專家的腦電波信號，經(jīng)處理后傳送給排爆機器人，供其在線學習，并更新排爆知識庫。\n[0052] （5）當排爆專家和機器人之間通信出現(xiàn)故障，則機器人利用可變力場法進行自主導航，并根據(jù)自身知識庫來匹配實時圖像繼續(xù)進行排爆搜索任務(wù)。\n[0053] 所述步驟（5）中，所述可變力場法是指目標物對機器人產(chǎn)生引力，障礙物對機器人產(chǎn)生斥力，利用力的合成對機器人進行導航；所述可變力場法的計算步驟如下：\n[0054] (5a)計算可變引力：該計算可變引力的公式如下：\n[0055] \nt\n[0056] 其中，f(x,y，z，t)表示第k個目標產(chǎn)生的吸引力；Kk表示彈性系數(shù)；βk表示偏向力；表示第k個目標的位置向量；\n[0057] (5b)計算可變斥力；該計算可變斥力的公式如下：\n[0058] \n[0059] 其中， 表示第k個目標產(chǎn)生的斥力；ωk和λk是比例因子；bk是常數(shù)；\n表示離第k個目標點最近的圓或球體；r(x,y,z)表示位置向量； 表示到\n最近的那個目標點的距離；\n[0060] (5c)計算合力：根據(jù)可變引力和可變斥力，可得到可變合力；然后根據(jù)可變合力來規(guī)劃出機器人的路徑。\n[0061] （6）發(fā)現(xiàn)爆炸物，排爆專家通過無線通訊裝置，實時控制排爆機器人進行排爆，同時利用腦機結(jié)合的方法實現(xiàn)機器人在線學習，如果通訊中斷，則排爆機器人利用自身所存儲的排爆知識進行自主排爆。\n[0062] （7）所有區(qū)域搜索完畢，排爆任務(wù)完成，機器人安全返回。\n[0063] 如附圖2所示，上述步驟（1）、（4）、（6）中基于腦機結(jié)合的機器人知識庫建立及更新流程具體如下：\n[0064] a、排爆專家發(fā)送排爆指令的同時，利用電波帽采集排爆專家腦電波信號。\n[0065] b、把信號進行預處理，提取出特征波形，把這些腦電波信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。\n[0066] c、驗證特征庫中是否已有這樣的數(shù)據(jù)，若有，則不存儲，反之加入到知識庫中，實現(xiàn)知識庫的實時更新。\n[0067] 此外，如附圖（4）所示，本實施例的基于腦機結(jié)合的排爆系統(tǒng)的工作過程如下：\n[0068] （1）當排爆任務(wù)下達后，排爆專家攜帶安裝有排爆專家系統(tǒng)的計算機進入排爆區(qū)域外圍監(jiān)控地點開始工作，排爆機器人攜帶兩臺攝像機、超聲波傳感器、激光測距儀及無線通訊設(shè)備進入排爆區(qū)域入口，準備執(zhí)行排爆搜索。\n[0069] （2）排爆任務(wù)開始前，先進行機器人與排爆專家之間的連通性測試。然后利用機器人的雙目視覺系統(tǒng)實時采集圖像并利用無線裝置傳回至排爆專家系統(tǒng)計算機，進行三維場景構(gòu)建。\n[0070] （3）根據(jù)構(gòu)建的三維場景，排爆專家實時控制機器人進行排爆搜索任務(wù)，與此同時，利用電波帽實時采集排爆專家的腦電波信號，經(jīng)處理后傳送給排爆機器人，供其在線學習，并更新排爆知識庫。\n[0071] （4）當排爆專家和機器人之間通信出現(xiàn)故障，則機器人利用可變力場法進行自主導航，并根據(jù)自身知識庫來匹配實時圖像繼續(xù)進行排爆搜索任務(wù)。\n[0072] （5）發(fā)現(xiàn)爆炸物，排爆專家通過無線通訊裝置，實時控制排爆機器人進行排爆，同時利用腦機結(jié)合的方法實現(xiàn)機器人在線學習。如果通訊中斷，則排爆機器人利用自身所存儲的排爆知識進行自主排爆。\n[0073] （6）所有區(qū)域搜索完畢，排爆任務(wù)完成，機器人安全返回。\n[0074] 基于上述，本發(fā)明是采用由排爆專家提供EEG headset signal(腦信號)通過計算機進行腦電波分析，去除干擾信號，在進行大量試驗過后，把排爆專家的一系列排爆行為所對應(yīng)的精確腦電波數(shù)字信號存儲在機器人大腦芯片中，作為機器人排爆初始知識庫。\n[0075] 在進行排爆時，排爆專家利用無線通訊實時控制機器人進行排爆工作，同時，排爆專家的排爆動作供機器人在線學習，實時更新排爆知識庫。當排爆專家和機器人通信中斷時，機器人可以利用可變力場法自主導航和避障，同時利用自身排爆知識庫進行自主排爆；\n本發(fā)明在機器人自主排爆、機器人救援等發(fā)明具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。\n[0076] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。