本發(fā)明涉及一種監(jiān)獄周界巡視警戒機器人系統(tǒng)及其方法。

背景技術：

監(jiān)獄作為國家的刑罰執(zhí)行機關，擔負著維護社會安寧和穩(wěn)定，預防和減少犯罪的重要職能。監(jiān)獄是社會的窗口，反映了一個國家文明進步的程度，監(jiān)獄事業(yè)作為我國現代化建設事業(yè)不可分割的組成部分，必須與整個國家的現代化建設同步、與社會文明同步。因此，運用現代科技手段來保證職能的履行，把監(jiān)獄各項紛繁復雜的管理工作與當代高科技緊密結合，促進監(jiān)獄事業(yè)的不斷發(fā)展，是歷史和社會發(fā)展的必然。監(jiān)獄在經歷了幾十年的發(fā)展之后，已進入全新的數字化、信息化時代，在安全防范方面報警、監(jiān)控、監(jiān)聽、對講、廣播、門禁等建設已相當完善，但在周界隔離墻、警戒區(qū)和獄墻監(jiān)控方面除傳統(tǒng)的電網、刺網、定點視頻、武警巡邏以外，后期新增的還有紅外對射、超聲雷達、微波對射、震動光纖等方式都不理想，受光線、雨霧、冰雪、沙塵、電磁等環(huán)境因素影響較大，且布點密度低、漏報、誤報率較高、目標辨識能力差。

技術實現要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種監(jiān)獄周界巡視警戒機器人系統(tǒng)及其方法，本發(fā)明集自動巡視、自動辨識、智能跟蹤、智能調度、高速移動為一體，實現對監(jiān)獄周界全天候、全自動、全智能的巡視警戒，同時結合姿態(tài)感知傳感器、警戒區(qū)微波相控陣雷達實現三為一體，目標高度融合，高速跟蹤的周界巡視警戒。在有多目標同時入侵警戒區(qū)時，可以自動調度多個機器人跨防區(qū)，對多目標分別進行跟蹤監(jiān)視，有效的提高了跟蹤能力和威懾能力，相較之定點視頻等技術優(yōu)勢明顯。通過上述技術手段和系統(tǒng)可以大幅提高對監(jiān)獄外圍周界的監(jiān)視防范能力，為監(jiān)獄的數字化、信息化建設做出貢獻。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種監(jiān)獄周界巡視警戒機器人系統(tǒng)，包括軌道、警戒機器人、姿態(tài)感知傳感器、微波相控陣雷達模塊和上位機，其中：所述軌道沿獄墻內側進行吊掛或地面鋪設，所述軌道上設置有若干供給警戒機器人自動充電的充電站，所述警戒機器人沿軌道運行，實時監(jiān)測隔離墻、警戒區(qū)，所述姿態(tài)感知傳感器安裝在監(jiān)獄隔離網上，對監(jiān)獄隔離墻震動監(jiān)測，所述微波相控陣雷達模塊安裝在監(jiān)獄隔離墻上，檢測翻過隔離墻進入警戒區(qū)的目標，所述上位機接收警戒機器人、姿態(tài)感知傳感器和微波相控陣雷達模塊的監(jiān)測結果，進行多目標監(jiān)測與預警調度。

所述姿態(tài)感知傳感器通過數據總線接入監(jiān)控中心，與上位機進行通信，監(jiān)控中心一旦收到報警定位信息，調度周界巡視警戒機器人快速到目標位置進行現場偵察確認；若為區(qū)域誤報，經人工確認后消除報警信息，若禁區(qū)確實出現非法入侵人員，機器人直接發(fā)出報警廣播信息，警示犯人提醒獄警及時妥善處置。

所述微波相控陣雷達模塊通過數據總線直接與監(jiān)控中心的上位機通信，上報設備狀態(tài)及報警信息；一旦產生報警信息，監(jiān)控中心上位機直接調度周界巡視警戒機器人到報警區(qū)域進行音視頻及熱像信息確認是否為有效報警。

所述警戒機器人包括中央控制器模塊，所述中央控制器模塊連接有伺服驅動模塊、輔助定位模塊、無線通信模塊、電池管理模塊、高清視頻模塊、紅外熱像模塊、語音對講廣播模塊和激光測距模塊，所述無線通信模塊連接有掃描雷達模塊和輔助照明模塊。

所述伺服驅動模塊，被配置為實現機器人行走輪的驅動控制，使其以軌道為載體，沿軌道運動。

所述輔助定位模塊被配置為實現機器人行走的移動定位功能，采用高速RFID卡定位技術，輔助機器人路完成徑規(guī)劃及路徑自學習。

所述無線通信模塊被配置為實現機器人和上位機之間的實時通信，采用無線通信技術，保證高清視頻、熱像視頻、對講語音及上下行指令的通信帶寬及穩(wěn)定性要求。

所述電源管理模塊被配置為實現機器人動力電池及能量管理，采用鋰電池及能量管理技術，實現電池充放電的均衡管理及狀態(tài)評估。

所述高清視頻模塊被配置為實現機器人可見光視頻監(jiān)視功能，采用寬動態(tài)高速網絡攝像機，以二由自度云臺為載體，實現對目標的全方位跟蹤監(jiān)視；

所述紅外熱像模塊被配置為實現器人熱像監(jiān)視功能，采用高分率非制冷焦平面探測器，提供優(yōu)質的紅外圖像及溫度碼流；

所述語音對講廣播模塊被配置為實現機器人車載收、放音功能，采用高靈敏度拾音器及大功率放音器，實現上位機和監(jiān)控現場的語音對講實時交互及警示廣播；

所述激光測距模塊被配置為實現機器人目標測距功能，采用高精度激光測距技術，實現對目標的實時跟蹤和定位測量，為紅外熱像儀提供精確的輔助對焦。

所述輔助照明模塊被配置為實現機器人夜晚照明、可見光攝像補光功能，采用大功率強光LED燈珠和恒流驅動技術，滿足夜晚視頻照明補光和控制中心人員觀察的需求；

所述掃描雷達模塊可以實現機器人高速移動時障礙物檢測功能，采用270°激光掃描技術，計算極坐標下的前方物體距離，為機器人提供安全可靠的避障檢測及剎車距離；

中央控制器模塊為機器人中心控制單元，負責指令分析和機器人的運行控制、智能判斷等所有人工智能處理功能，支持復雜算術指令、具備較高的浮點/實數運算能力、梯形圖執(zhí)行引擎、高速大容量SDRAM，具備運動控制差補功能和快速響應能力。

所述警戒機器人檢測電量上報給上位機，由上位機進行統(tǒng)一調度充電，機器人充電時通過軌道充電接觸機構使電池管理模塊與充電站內的充電機建立通信，通信正常后由電池管理模塊管理充電機對電池進行充電，充電結束或接到上位機巡檢指令機器人自動斷開充電接口，離開充電區(qū)域。

所述上位機與監(jiān)獄周界的巡視警戒機器人均進行通信，實時檢測監(jiān)獄現場周界的安全情況，自動調度多個機器人跨防區(qū)，對多目標分別進行跟蹤監(jiān)視。

一種基于上述系統(tǒng)的監(jiān)獄周界防區(qū)巡視警戒的方法，監(jiān)獄周界防區(qū)的警戒機器人根據上位機的指令，沿軌道在設定防區(qū)內不間斷巡視或周期性巡視，警戒機器人對警戒區(qū)內非法入侵目標的辨識跟蹤，同時姿態(tài)感知傳感器對攀爬、挖洞引起的監(jiān)獄隔離墻震動監(jiān)測，微波相控陣雷達模塊對慢速移動目標、多目標、跨防區(qū)目標的融合和跟蹤測距，上位機根據多模塊的聯動監(jiān)控，對監(jiān)獄周界防區(qū)巡視警戒與調度。

姿態(tài)感知傳感器通過數據總線接入監(jiān)控中心，與上位機進行通信，監(jiān)控中心一旦收到報警定位信息，直接調度周界巡視警戒機器人快速到目標位置進行現場偵察確認；若為區(qū)域誤報，經人工確認后消除報警信息，若禁區(qū)確實出現非法入侵人員，警戒機器人直接發(fā)出報警廣播信息，警示犯人提醒獄警及時妥善處置。

機器人受上位機控制，機器人自動檢測電池電量上報給上位機，電量過低請求上位機進行充電，在得到許可后，離開巡檢工位進入充電區(qū)，上位機調度臨近的機器人進入正在充電機器人的工位進行巡檢，當機器人電池充滿，通知上位機，上位機調度機器人離開充電區(qū)進入工作區(qū)；如果突然發(fā)生緊急聯動報警，且此機器人離報警區(qū)最近，上位機將根據此機器人電量情況，調度機器人趕赴現場。

微波相控陣雷達模塊采用連續(xù)波調制發(fā)射接收技術和復雜濾波算法，對慢速移動目標、多目標、跨防區(qū)目標的融合和跟蹤測距，同時進行小目標排除、環(huán)境干擾濾除和自動辨識。

本發(fā)明的有益效果為：

通過本發(fā)明的實施，可以實現對監(jiān)獄周界的全天候、全自動、全智能的巡視，同時結合隔離墻姿態(tài)感知傳感器、警戒區(qū)微波相控陣雷達實現三為一體，可以實現目標高度融合，高速巡視跟蹤。

同時，在有多目標同時入侵警戒區(qū)時，可以自動調度多個機器人跨防區(qū)，對多目標分別進行跟蹤監(jiān)視，有效的提高了跟蹤能力和威懾能力，相較之定點視頻等技術優(yōu)勢明顯。

通過本發(fā)明的實施，可以實現監(jiān)獄周界防區(qū)巡視警戒，監(jiān)獄周界目標辨識跟蹤，監(jiān)獄現場互動警示，監(jiān)獄防范指揮調度，周界系統(tǒng)的聯動，動態(tài)電子地圖監(jiān)控。

通過本發(fā)明的實施，可以大幅提高對監(jiān)獄外圍周界的監(jiān)視防范能力，為監(jiān)獄的數字化、信息化建設做出貢獻。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明周界巡視警戒機器人組成框圖；

圖3是本發(fā)明周界巡視警戒機器人工作流程圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種監(jiān)獄周界巡視警戒機器人系統(tǒng)，包括周界巡視警戒機器人、姿態(tài)感知傳感器、微波相控陣雷達模塊、軌道、充電站、上位機。

周界巡視警戒機器人通過無線局域網與上位機進行通信。

姿態(tài)感知傳感器和微波相控陣雷達模塊通過數據總線與監(jiān)控中心的上位機進行通信。

周界巡視警戒機器人安裝在警戒區(qū)或獄墻上，以軌道為載體，軌道沿獄墻內側進行吊掛或地面鋪設，在軌道起點、終點若環(huán)形軌道每隔500米安裝一套充電站，機器人在沒有巡視任務或饋電情況下到充電站接口處自動充電完成能量補充。

微波相控陣雷達模塊，安裝在監(jiān)獄隔離墻上，負責對翻過隔離墻進入警戒區(qū)的非法人員進行定位告警，相控陣雷達采用連續(xù)波調制發(fā)射接收技術和復雜濾波算法，能夠實現對慢速移動目標、多目標、跨防區(qū)目標的融合和跟蹤測距，同時具備小目標排除、環(huán)境干擾濾除和自動辨識功能。

姿態(tài)感知傳感器安裝在監(jiān)獄隔離網上，采用可以探測震動加速度、形變角速度和方位磁場的九軸傳感器，可以實現對攀爬、挖洞引起的監(jiān)獄隔離墻震動監(jiān)測，并能有效濾除大風、外來震動源等干擾，實現快速報警定位。

軌道為輕型鋁合金軌道，采用鋁合金擠壓模具成型，具有強度高、耐磨、重量輕、抗腐蝕等特點；可以適應天花板吊掛、墻立面吊掛、地面支撐吊掛等各種安裝方式。

充電站，在軌道上每隔500～1000米安裝一套充電站，軌道較短的一般安裝在軌道的起點或終點，監(jiān)獄周界巡視警戒機器人自動檢測電量上報上位機，由上位機進行統(tǒng)一調度充電，機器人充電時通過軌道充電接觸機構使機器人BMS與充電站內的充電機建立通信，通信正常后由BMS管理充電機對快充Li電池進行充電，充電結束或接到上位機巡檢指令機器人自動斷開充電接口，離開充電區(qū)域。

上位機，與監(jiān)獄周界巡視警戒機器人進行通信，可以實時了解監(jiān)獄現場周界的安全情況，自動調度多個機器人跨防區(qū)，對多目標分別進行跟蹤監(jiān)視。

如圖2所示，周界巡視警戒機器人由伺服驅動模塊、輔助定位模塊、無線通信模塊、電池管理模塊(BMS)、高清視頻模塊、紅外熱像模塊、語音對講廣播模塊、激光測距模塊、輔助照明模塊、掃描雷達模塊、中央控制器模塊組成，其中：

1)伺服驅動模塊可以實現機器人行走輪的驅動，采用高效率大扭矩直流伺服機、高精度編碼，實現機器人平臺的高速移動和行走控制；

2)輔助定位模塊可以實現機器人行走的移動定位功能，采用高速RFID卡定位技術，輔助機器人路完成徑規(guī)劃及路徑自學習；

3)無線通信可以實現機器人和上位機之間的實時通信功能，采用高動態(tài)帶寬短距無線通信技術，保證高清視頻、熱像視頻、對講語音及上下行指令的通信帶寬及穩(wěn)定性要求；

4)電源管理模塊可以實現機器人動力電池及能量管理功能，采用高密度快充鋰電池及能量管理技術，實現電池充放電的均衡管理及狀態(tài)評估；

5)高清視頻模塊可以實現機器人可見光視頻監(jiān)視功能，采用寬動態(tài)高速網絡攝像機，以二由自度云臺為載體，實現對目標的全方位跟蹤監(jiān)視；

6)紅外熱像模塊可以實現器人熱像監(jiān)視功能，采用高分率非制冷焦平面探測器，提供優(yōu)質的紅外圖像及溫度碼流；

7)語音對講廣播模塊可以實現機器人車載收、放音功能，采用高靈敏度拾音器及大功率放音器，實現上位機和監(jiān)控現場的語音對講實時交互及警示廣播；

8)激光測距模塊可以實現機器人目標測距功能，采用高精度激光測距技術，實現對目標的實時跟蹤和定位測量，為紅外熱像儀提供精確的輔助對焦。

9)輔助照明模塊可以實現機器人夜晚照明、可見光攝像補光功能，采用大功率強光LED燈珠和恒流驅動技術，滿足夜晚視頻照明補光和控制中心人員觀察的需求；

10)掃描雷達模塊可以實現機器人高速移動時障礙物檢測功能，采用270°激光掃描技術，計算極坐標下的前方物體距離，為機器人提供安全可靠的避障檢測及剎車距離；

中央控制器模塊為機器人中心控制單元，負責指令分析和機器人的運行控制、智能判斷等所有人工智能處理功能，支持復雜算術指令、具備較高的浮點/實數運算能力、梯形圖執(zhí)行引擎、高速大容量SDRAM，具備運動控制差補功能和快速響應能力。

姿態(tài)感知傳感器安裝在監(jiān)獄隔離網上，采用可以探測震動加速度、形變角速度和方位磁場的九軸傳感器，可以實現對攀爬、挖洞引起的監(jiān)獄隔離墻震動監(jiān)測，并能有效濾除大風、外來震動源等干擾，實現快速報警定位。姿態(tài)感知傳感器通過數據總線接入監(jiān)控中心，與上位機進行通信，監(jiān)控中心一旦收到報警定位信息，直接調度周界巡視警戒機器人快速到目標位置進行現場偵察確認；若為區(qū)域誤報，經人工確認后消除報警信息，若禁區(qū)確實出現非法入侵人員，機器人直接發(fā)出報警廣播信息，警示犯人提醒獄警及時妥善處置。

微波相控陣雷達模塊，安裝在監(jiān)獄隔離墻上，負責對翻過隔離墻進入警戒區(qū)的非法人員進行定位告警，相控陣雷達采用連續(xù)波調制發(fā)射接收技術和復雜濾波算法，能夠實現對慢速移動目標、多目標、跨防區(qū)目標的融合和跟蹤測距，同時具備小目標排除、環(huán)境干擾濾除和自動辨識功能。微波相控陣雷達模塊通過數據總線直接與監(jiān)控中心的上位機通信，上報設備狀態(tài)及報警信息；一旦產生報警信息，監(jiān)控中心上位機直接調度周界巡視警戒機器人到報警區(qū)域進行音視頻及熱像信息確認是否為有效報警。

軌道為輕型鋁合金軌道，采用鋁合金擠壓模具成型，具有強度高、耐磨、重量輕、抗腐蝕等特點；可以適應天花板吊掛、墻立面吊掛、地面支撐吊掛等各種安裝方式。

充電站，在軌道上每隔500～1000米安裝一套充電站，軌道較短的一般安裝在軌道的起點或終點，監(jiān)獄周界巡視警戒機器人自動檢測電量上報上位機，由上位機進行統(tǒng)一調度充電，機器人充電時通過軌道充電接觸機構使機器人BMS與充電站內的充電機建立通信，通信正常后由BMS管理充電機對快充Li電池進行充電，充電結束或接到上位機巡檢指令機器人自動斷開充電接口，離開充電區(qū)域。

上位機，與監(jiān)獄周界巡視警戒機器人進行通信，可以實時了解監(jiān)獄現場周界的安全情況，自動調度多個機器人跨防區(qū)，對多目標分別進行跟蹤監(jiān)視。當收到機器人的報警信息以后，及時預警，并通知警戒人員到達現場進行快速處理，保障了監(jiān)獄外圍周界的監(jiān)視防范能力。同時位于監(jiān)控中心的上位機，具有面向用戶的展示和互動操作界面，夠實現對所有機器人的實時定位和狀態(tài)監(jiān)控。上位機還對多機器人充電進行統(tǒng)一調度，確保有機器人在安全巡視。

如圖3所示，周界巡視警戒機器人工作流程：

1)開機上電。

2)初始化自檢。

3)故障停機等待檢修：機器人存在硬件故障，停止運行等待人員檢修。

4)待機等待控制指令：機器人自檢通過，等待PC上位機控制指令。

5)PC上位機調度:此為上位機異步指令，上位機統(tǒng)籌管理多臺機器人及周界傳感器，一旦發(fā)生突發(fā)聯動報警，PC上位機將自動調度最近的機器人進行現場目標偵察。

6)離開巡檢工位自動充電：機器人是否允許充電也受上位機控制，機器人自動檢測電池電量上報給上位機，電量過低請求上位機進行充電，在得到許可后，離開巡檢工位進入充電區(qū)，PC上位機會調度臨近的機器人進入正在充電機器人的工位進行巡檢。

7)充電結束或緊急調度：機器人電池充滿，通知上位機，上位機調度機器人離開充電區(qū)進入工作區(qū)；如果突然發(fā)生緊急聯動報警，且此機器人離報警區(qū)最近，上位機將根據此機器人電量情況，調度機器人迅速趕赴現場。

8)PC上位機指定區(qū)域自動巡視：在沒有報警聯動發(fā)生的情況下，每臺機器人都有各自的工位(一段連續(xù)的軌道)，在機器人沒有充電的情況下都各司其職，一旦某臺機器人需要充電，臨近的機器人要負責充電機器人的工位巡檢。

9)上位機報警聯動偵察：周界雷達或隔離網姿態(tài)感知傳感器發(fā)生聯動報警通知PC上位機，PC上位機聯動通知最近的機器人快速趕赴現場。

10)快速到達現場進行目標跟蹤確認：發(fā)生聯動報警后，收到指令的機器人快速向目標現場移動，同時開始啟動目標搜索跟蹤模式。

11)發(fā)現目標、自主跟蹤、啟動聲光警示、上報通知PC上位機：機器人發(fā)現入侵目標，進行目標辨識(紅外熱像人體檢測、圖像智能分析)確認是否為禁區(qū)人員入侵，如果為誤報，通知上位機等待解除報警；若確認為有效報警機器人自動跟蹤目標，啟動聲光警示廣播，上報通知上位機立即調度預警介入。

12)目標消失或超出巡檢工位PC調度告警取消：跟蹤目標消失或進入下一個機器人巡檢區(qū)域，由下一個機器人接管跟蹤報警任務，此機器人停止跟蹤PC上位機下一步調度。

監(jiān)獄周界防區(qū)巡視警戒的方法：

1)周界巡視警戒機器人，根據上位機的指令，可以在設定防區(qū)內不間斷巡視或周期性巡視。

2)每個機器人的防區(qū)的長度和監(jiān)視掃描范圍可以通過上位機下達指令來設定。通常根據防區(qū)的形狀、長度、機器人運行速度、充電周期、晝夜轉換(夜間巡視密度高)等因素確定。

3)機器人電池管理模塊會根據剩余電量自動調度充電，為避免充電時的巡視空白，上位機自動調度其它機器人替補巡視該防區(qū)。

監(jiān)獄周界目標辨識跟蹤的方法：

現場每個機器人都配備可見光高清視頻模塊和熱像視頻模塊，可以實現可見光視頻監(jiān)視功能和熱像監(jiān)視功能，從而實現對警戒區(qū)內非法入侵目標的辨識跟蹤功能。在夜晚、雨霧、沙塵等可見度差的時段，系統(tǒng)自動調整為熱像追蹤模式，可自動測量目標溫度、位置、輪廓等進行分析辨識自動告警；同時通過激光測距模塊實現對目標的實時跟蹤和定位測量。

監(jiān)獄現場互動警示的方法：

周界巡檢警戒機器人通過語音對講模塊，可以實現機器人車載收、放音功能，語音對講模塊采用高靈敏度拾音器及大功率放音器，實現上位機和監(jiān)控現場的語音對講實時交互。拾音器具備大范圍內細微聲音的監(jiān)聽拾取能力，大功率擴音器根據設定語音或控制中心人工語音的方式對非法侵入警戒區(qū)的人員進行喊話阻嚇。

監(jiān)獄防范指揮調度的方法：

周界巡視警戒機器人系統(tǒng)，通過機器人和上位機之間的實時通信，具備對巡視警戒機器人的高智能、高效率調度指揮能力，可對同時侵入警戒區(qū)多個目標調試多個機器人實施分散監(jiān)視跟蹤；同時為指揮中心提供準確的目標位置和目標移動軌跡，為進一步采取處置干預手段或指揮決策提供有效的參考；

周界系統(tǒng)聯動的方法：

本系統(tǒng)通過上位機可以實現多系統(tǒng)聯動管理功能，能夠與周界高壓電網、周界(各種)報警防范系統(tǒng)聯動。當周界防區(qū)報警，系統(tǒng)能夠第一時間調度機器人到報警防區(qū)巡視，并將巡視結果上報給指揮中心，如果是誤報可聯動取消報警狀態(tài)。

動態(tài)電子地圖監(jiān)控的方法：

安裝監(jiān)控中心上位機，具有面向用戶的展示和互動操作界面。指揮中心值班人員通過動態(tài)電子地圖監(jiān)控，能夠實現對所有機器人的實時定位和狀態(tài)監(jiān)控，狀態(tài)監(jiān)控包括機器人的運動狀態(tài)、工作狀態(tài)和報警狀態(tài)等。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。