本發明專利技術提供了一種智能采樣移動機器人，并基于該機器人提供了一種基于移動機器人的室內環境智能采樣與環境監測系統，用于解決現有的基于機器人平臺的環境監測系統中，機器人采樣效率低下且調整依賴人工操作的問題，所述環境監測系統由控制機器人移動的遠程計算機和搭載有傳感器組、風速風向儀、激光測距雷達、電機控制模塊和工控機的移動機器人平臺組成，遠程計算機裝配有信息路徑優化程序，用于控制機器人移動進行采樣和室內環境監測工作，可根據機器人的實時采樣結果調整采樣策略，賦予機器人平臺對環境的學習能力，能有效提高機器人巡檢的效率并反饋更可靠的環境評估結果。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于環境安全及傳感器，具體涉及一種基于移動機器人的室內環境智能采樣與環境監測系統。
技術介紹
1、隨著經濟發展和城市化水平的不斷提高，人們在室內時間的占比也不斷提高。城市人口每天在室內的時間超過了80％，老弱病殘孕等敏感人群在室內的時間則會更長，所以當前人們對室內環境的要求也越來越高，室內污染的控制成為關注的焦點?？刂剖覂瓤諝馕廴緦ΡＵ先藛T健康至關重要，獲取準確的室內污染物濃度分布可以為控制空氣污染提供技術支撐。利用傳感器所得離散的濃度檢測數據可以獲得污染物或其他環境參數在空間上的分布，對室內空氣質量進行實時監測，并在污染物濃度較高時進行危險預警，保障人員的健康安全。
2、傳感器系統可分為兩種，一種是使用固定傳感器網絡，另一種是使用移動機器人系統。固定傳感器網絡是通過在固定位置設置傳感器采集環境信息，并結合采集到的時間上連續的數據來分析得到室內環境的變化。由于傳感器設置不能妨礙人員活動，通常室內傳感器布置數量較少，靈活性差，導致環境參數分布的分辨率低，降低了環境評估的可靠性。此外，傳感器數量增加會提升安裝成本和校準工作量。預先布置傳感器網絡在有毒有害物質泄漏的突發情況下也較為困難。
3、與固定傳感器采樣相比，移動機器人系統無需在室內布置傳感器，降低了安裝成本和校準成本。同時，移動機器人路徑規劃靈活，室內空間的覆蓋性好，可以實現細顆粒度的采樣。此外，移動機器人環境適應性強，無需提前鋪設，在突發情況下也能快速投入使用，多種類型的機器人(履帶式機器人、無人機等)也能很好的應對不同場景下的污染物監測。</p>4、在實際應用中，現有的機器人環境監測系統大多采用遍歷掃描的采樣方法，即由人工預先設置機器人的移動路徑和采樣點位，機器人按照人工指示進行移動。這種方法需要設置較多的采樣點且采樣點的位置調整需要人工參與，依賴操作人員經驗，帶來采樣時間長和采樣效率低兩個問題。如何在保證監測精度的同時，提高機器人的采樣效率，對基于移動機器人的環境監測系統來說是亟待解決的難題。
技術實現思路
1、本專利技術實施例要解決的技術問題是現有的基于機器人平臺的環境監測系統中，機器人采樣效率低下且調整依賴人工操作的問題，提供了一種智能采樣移動機器人，并基于該機器人提供了一種基于移動機器人的室內環境智能采樣與環境監測系統。通過控制機器人移動的信息路徑規劃程序和搭載有傳感器組、風速風向儀、激光測距雷達、電機控制模塊和工控機的移動機器人平臺進行采樣和室內環境監測工作，提高了機器人的采樣效率和靈活性，并降低了采樣成本。
2、本專利技術實施例提供一種智能移動機器人，所述機器人包括：風速風向儀(6)、傳感器組(5)、激光測距雷達(3)、電機控制模塊(7)、機器人底盤(1)、工控機(2)；其中，所述風速風向儀(6)用于獲取風速和風向信息；所述傳感器組(5)用于獲取環境參數；所述激光測距雷達(3)用于機器人導航、定位、建圖，以及障礙物檢測；所述機器人底盤(1)配置有陀螺儀、碰撞傳感器以及懸崖感應器等基本傳感器，用于在搜索空間內移動。所述工控機(2)用于對所述風速風向儀(6)和所述傳感器組(5)發送的數據進行處理，同時作為下位機用于與遠程計算機進行通信和數據交換并控制機器人底盤(1)移動。
3、所述移動機器人中，風速風向儀(6)與傳感器組(5)為環境參數探測裝置，安裝在機器入頂部；激光測距雷達(3)、電機控制模塊(7)與工控機(2)安裝在機器人底盤(1)上方，組成機器人主體。二者使用一根可伸縮的金屬桿(4)連接，所述電機控制模塊(7)用于控制金屬桿(4)伸縮，調節探測高度。
4、本專利技術實施例提供一種基于移動機器人的室內環境智能采樣與環境監測系統，所述系統由作為上位機的中心計算機和作為下位機的移動機器人平臺組成；
5、本專利技術實施例所述系統工作包括以下步驟：
6、步驟s1：組裝權利要求2所述的移動機器人；
7、步驟s2：利用遠程計算機安裝的信息路徑規劃程序指導移動機器人進行移動采樣。
8、進一步地，所述步驟s2包括：
9、步驟s21：對移動機器人的位置、迭代次數進行初始化處理；設置采樣環境的初始信息和信息路徑規劃程序所涉及的參數；設置采樣時間t和最大迭代次數tmax；
10、步驟s22：將機器人投入環境，建立上位機和下位機的通訊，開啟機器人平臺安裝的傳感器，下位機整合并向上位機發送機器人的位置坐標、瞬時的風速風向信息和環境參數信息，確定通信正常后，運行程序；
11、步驟s23：程序判定迭代次數，若為第一次迭代，進入步驟s24，否則進入步驟s25；
12、步驟s24：在第一次迭代過程中，程序根據輸入的采樣環境尺寸信息和采樣點個數確定初始采樣點的坐標和采樣順序，并發送到下位機，進入步驟s26；
13、步驟s25：上位機中接受下位機發回的數據包，程序根據采集數據規劃下一次的采樣點，之后將程序中的迭代次數+1并調整程序參數中的網格尺寸參數，將新的采樣點坐標、采樣個數及采樣順序發送給下位機，進入步驟s26；
14、步驟s26：下位機接收到坐標后，控制機器人進行移動，當機器人到達目標位置后，機器人搭載的傳感器組開始采集該位置的環境參數數據并計算出采集時間t內的平均值，更新位置信息之后前往下一個目標位置直至完成全部坐標的采樣工作，停止移動，下位機整合所有采樣點的采集數據、機器人坐標和朝向、采樣完成時間等信息發送到上位機；
15、步驟s27：判斷是否滿足停止條件；如果是，則結束采樣；如果否，則轉入步驟s23；
16、進一步地，所述步驟s24包括：
17、程序設置初始采樣點的方法為根據輸入的采樣點數量和監測環境尺寸，在環境內均勻分布采樣點，計算出所有采樣點坐標后使用路徑優化算法對采樣點進行排序；
18、路徑優化算法根據實際使用本系統時的上位機算力、監測環境狀態和采樣點數量可使用包括但不限于以下算法：
19、貪婪算法，其計算原理為，計算剩余待采樣的坐標點與機器人當前位置的歐幾里得距離，從當前出發，每次選擇最近的未訪問點，直到所有點都被訪問一遍，適用于機器人移動較為自由的環境；
20、a*算法，其計算原理為，通過貪心策略，結合啟發式函數來估計當前節點到目標節點的代價，計算從起點到當前節點的實際代價，再加上從當前節點到目標節點的估計代價，優先選擇總代價最小的路徑，適用于含有障礙物的監測環境；
21、進一步地，所述步驟s25包括：
22、程序根據采集數據規劃下一次的采樣點可分為3個步驟：
23、1.接收下位機發回的采樣點數據，從中篩選出坐標和關注的環境參數，包括但不限于溫度、濕度、污染物濃度等；
24、2.對監測環境設置網格，調用插值算法對數據進行插值得到粗網格的整體環境參數分布，之后減小網格尺寸；
25、3.依據2中獲得的分布分析實時的環境狀態，根據實際狀態控制機器人前往高風險區域本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種基于移動機器人的室內環境智能采樣與環境監測系統，其特征在于，所述系統包括：執行巡檢采樣任務的移動機器人和執行信息路徑優化程序的遠程計算機。
2.一種智能移動機器人，其特征在于，所述機器人包括：風速風向儀(6)、傳感器組(5)、激光測距雷達(3)、電機控制模塊(7)、機器人底盤(1)、工控機(2)；其中，所述風速風向儀(6)用于獲取風速和風向信息；所述傳感器組(5)用于獲取環境參數；所述激光測距雷達(3)用于機器人導航、定位、建圖，以及障礙物檢測；所述機器人底盤(1)配置有陀螺儀、碰撞傳感器以及懸崖感應器等基本傳感器，用于在搜索空間內移動。所述工控機(2)用于對所述風速風向儀(6)和所述傳感器組(5)發送的數據進行處理，同時作為下位機用于與遠程計算機進行通信和數據交換并控制機器人底盤(1)移動。
3.根據權利要求2描述的移動機器人，其特征在于，所述移動機器人中，風速風向儀(6)與傳感器組(5)為環境參數探測裝置，安裝在機器人頂部；激光測距雷達(3)、電機控制模塊(7)與工控機(2)安裝在機器人底盤(1)上方，組成機器人主體。二者使用一根可伸縮的金屬桿(4)連接，所述電機控制模塊(7)用于控制金屬桿(4)伸縮，調節探測高度。
4.根據權利要求1所述的智能采樣與環境監測系統，其特征在于，所述系統的工作流程由以下步驟組成：
5.根據權利要求4所述的系統工作流程，其特征在于，所述步驟S2進一步包括：
6.根據權利要求5所述的系統工作流程，其特征在于，所述步驟S24進一步包括：
7.根據權利要求5所述的系統工作流程，其特征在于，所述步驟S25進一步包括：
8.根據權利要求5所述的系統工作流程，其特征在于，所述步驟S26進一步包括：
9.根據權利要求5所述的系統工作流程，其特征在于，所述步驟S27進一步包括：
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【技術特征摘要】
1.一種基于移動機器人的室內環境智能采樣與環境監測系統，其特征在于，所述系統包括：執行巡檢采樣任務的移動機器人和執行信息路徑優化程序的遠程計算機。
2.一種智能移動機器人，其特征在于，所述機器人包括：風速風向儀(6)、傳感器組(5)、激光測距雷達(3)、電機控制模塊(7)、機器人底盤(1)、工控機(2)；其中，所述風速風向儀(6)用于獲取風速和風向信息；所述傳感器組(5)用于獲取環境參數；所述激光測距雷達(3)用于機器人導航、定位、建圖，以及障礙物檢測；所述機器人底盤(1)配置有陀螺儀、碰撞傳感器以及懸崖感應器等基本傳感器，用于在搜索空間內移動。所述工控機(2)用于對所述風速風向儀(6)和所述傳感器組(5)發送的數據進行處理，同時作為下位機用于與遠程計算機進行通信和數據交換并控制機器人底盤(1)移動。
3.根據權利要求2描述的移動機器人，其特征在于，所述移動機器人中，風速風向儀...
【專利技術屬性】
技術研發人員：蔡浩，陳世龍，管明杰，
申請(專利權)人：南京工業大學，
類型：發明
國別省市：
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