基于YOLOv3算法的檢測(cè)機(jī)器人最優(yōu)路徑規(guī)劃

摘"要：機(jī)器人檢測(cè)的最優(yōu)路徑規(guī)劃是一個(gè)非常重要的研究課題，尤其是復(fù)雜場(chǎng)景下的路徑優(yōu)化。介紹了一種基于YOLOv3的火電廠化水站巡檢機(jī)器人優(yōu)化路徑規(guī)劃方法。將先進(jìn)的YOLOv3算法應(yīng)用于檢測(cè)目標(biāo)的確定，通過(guò)繪制工作環(huán)境圖和檢測(cè)目標(biāo)位置，該算法成功地找到了機(jī)器人的最佳檢測(cè)路線。該方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高、成本低，可以有效地提高巡邏機(jī)器人的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：路徑規(guī)劃；檢測(cè)機(jī)器人；算法；YOLOv3

YOLOv3"Based"Algorithm"Optimal"Path"Planning"for"Inspection"Robot

Chen"Jianhua"Wang"Meizhan"Zhang"Fei"Gui"Duan"Cheng"Kun

Shaanxi"Shangluo"Power"Generation"Co.，Ltd."ShaanxiShangluo"726000

Abstract：Optimal"path"planning"for"robot"inspection"is"a"very"important"research"topic，especially"the"path"optimization"in"complex"scenes.This"paper"introduced"an"optimal"path"planning"based"on"YOLOv3"for"inspection"robot"working"at"chemical"water"station"in"thermal"power"plant.The"advanced"YOLOv3"algorithm"was"applied"to"the"determination"of"the"inspection"target.By"mapping"the"working"environment"and"detecting"the"location"of"the"target，the"algorithm"was"succeeded"in"finding"the"optimal"inspection"route"of"the"Robot.The"advantages"of"this"approach"are"fast"detection"speed"and"high"accuracy"rate"with"low"cost，which"can"effectively"improve"the"automation"level"of"patrol"Robot.

Keywords：Route"planning；Inspection"Robot；Algorithm；YOLOv3

火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)作為燃料供應(yīng)的基礎(chǔ)保障，包含了皮帶輸送機(jī)、堆取料機(jī)、碎煤機(jī)、滾軸篩、電子皮帶秤、機(jī)械采樣裝置、除鐵器、犁煤器等多種燃煤輸送作業(yè)設(shè)備，棧橋內(nèi)還集成了水噴淋系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、水清洗系統(tǒng)等配套設(shè)施，作業(yè)環(huán)境差，安全風(fēng)險(xiǎn)高，是設(shè)備運(yùn)維的重點(diǎn)區(qū)域。

輸煤棧橋輸送線路長(zhǎng)，運(yùn)行設(shè)備種類多，棧橋內(nèi)環(huán)境質(zhì)量差，巡檢點(diǎn)多，在運(yùn)行前、運(yùn)行中都要定時(shí)、定點(diǎn)巡檢，導(dǎo)致人工巡檢作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、積極性差、安全性低。棧橋內(nèi)現(xiàn)有工業(yè)電視監(jiān)控范圍局限，棧橋內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)要素少，難以實(shí)現(xiàn)輸煤棧橋全線路的狀態(tài)實(shí)時(shí)、量化監(jiān)測(cè)與管理，存在環(huán)境起火難預(yù)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行故障難監(jiān)測(cè)、惡劣環(huán)境下的人員安全難保障的問(wèn)題。運(yùn)用智能化（機(jī)器人）巡檢的新技術(shù)與新方法，能實(shí)現(xiàn)輸煤棧橋全線路、全方位、全自主的智能化巡檢管理，能實(shí)現(xiàn)無(wú)人化巡檢、可視化管理，提高輸煤系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，避免因人工巡檢不全面、不量化、人員素質(zhì)依賴性強(qiáng)引起的各種安全事故與損失。

由于檢測(cè)工作的高要求，檢測(cè)機(jī)器人以其省時(shí)、高效的優(yōu)點(diǎn)，取代了傳統(tǒng)的人工檢測(cè)而受到歡迎。在其應(yīng)用過(guò)程中，有必要在完成檢測(cè)任務(wù)的前提下，對(duì)檢測(cè)路線進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃，以提高機(jī)器人的檢測(cè)效率，節(jié)省能源消耗。為此，需要了解工作地圖和地圖上巡邏目標(biāo)的詳細(xì)信息。然而，由于機(jī)器人的巡檢路線長(zhǎng)，且相關(guān)設(shè)備復(fù)雜、數(shù)量多，難以繪制機(jī)器人的工作環(huán)境圖和手動(dòng)校準(zhǔn)檢測(cè)目標(biāo)的位置，不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤差。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本研究提供了一種基于YOLOv3的巡邏機(jī)器人最優(yōu)路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了巡邏機(jī)器人的自動(dòng)路徑規(guī)劃。

圖1"輸煤棧橋巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)信息展現(xiàn)

1"路線規(guī)劃方法

本文討論了基于YOLOv3的路徑規(guī)劃，主要包括目標(biāo)檢測(cè)方法的建模和訓(xùn)練步驟，以及基于蟻群算法的機(jī)器人最優(yōu)路徑規(guī)劃步驟。方法如下：

（1）采用光柵地圖表示方法，自動(dòng)創(chuàng)建檢測(cè)工作環(huán)境的地圖，并由檢測(cè)機(jī)器人確定檢測(cè)目標(biāo)的位置。光柵的單位尺寸是檢查機(jī)器人的占用面積［1］。

（2）輸入初始化的信息素矩陣T，確定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，確保每個(gè)位置的信息素必須相等。

（3）確定下一個(gè)可到達(dá)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信息素濃度確定螞蟻到達(dá)節(jié)點(diǎn)的概率，并使用輪盤算法選擇下一步的起始點(diǎn)。

（4）更新行程的路徑和長(zhǎng)度。

（5）重復(fù)步驟（3）和（4）幾次，直到螞蟻到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)或螞蟻穿過(guò)所有可用路徑。

（6）多次重復(fù)步驟（3）至（5），直到螞蟻的迭代計(jì)算完成。

（7）更新信息素矩陣T，未達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的螞蟻不包括在計(jì)算范圍內(nèi)。

（8）重復(fù)步驟（3）至（7），直到NTH代螞蟻的迭代結(jié)束。在循環(huán)中選擇最佳路徑，同時(shí)輸出最佳路徑曲線［2］。

圖2"基于YOLOv3的最優(yōu)路徑規(guī)劃流程圖

下面結(jié)合附圖對(duì)基于YOLOv3的儀器檢測(cè)機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃方法做進(jìn)一步的說(shuō)明：

本文的方法進(jìn)一步定義為基于YOLOv3算法框架的目標(biāo)檢測(cè)模型的建模和訓(xùn)練步驟，如下所示：

（1）收集輸煤棧橋各種設(shè)備的所有儀表圖片樣本，并根據(jù)圖片中的信息制作標(biāo)簽文件。

（2）將訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，從原始樣本中隨機(jī)抽取80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，剩余20%的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。

（3）基于YOLOv3算法框架對(duì)目標(biāo)檢測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，直到目標(biāo)檢測(cè)模型的損失收斂到預(yù)設(shè)的收斂值。

（4）驗(yàn)證模型是否與驗(yàn)證數(shù)據(jù)集過(guò)度擬合。當(dāng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的精度接近訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性時(shí)，模型訓(xùn)練就完成了。

（5）將訓(xùn)練后的目標(biāo)檢測(cè)模型嵌入檢測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中。

此外，在步驟（1）中創(chuàng)建用于檢查的工作環(huán)境的地圖并確定檢查目標(biāo)的位置的方法中，檢查機(jī)器人具有用于測(cè)量行走方向和距離的內(nèi)置裝置以及紅外避障裝置。工作環(huán)境的映射和檢查目標(biāo)的定位可以通過(guò)三次檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

第一步，初始化地圖數(shù)據(jù)，將數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)設(shè)置為1，并認(rèn)為它可以到達(dá)任何位置。

第二步，第一次檢測(cè)：機(jī)器人從初始巡邏位置開始檢測(cè)。假設(shè)初始位置位于地圖的左上角，機(jī)器人的右側(cè)始終保持為障礙物。由于環(huán)境封閉，機(jī)器人最終會(huì)回到起點(diǎn)，從而建立起工作環(huán)境的輪廓圖。

第三步，第二次檢測(cè)：對(duì)輪廓內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行遍歷檢測(cè)。采用廣度優(yōu)先遍歷方法確定輪廓內(nèi)區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格的信息，得到機(jī)器人工作環(huán)境的完整地圖。穿越完成后，機(jī)器人返回起點(diǎn)。

第四步，第三次探測(cè)：在工作地圖已知后，開始啟動(dòng)巡邏目標(biāo)定位。啟動(dòng)機(jī)器人的高清攝像頭和目標(biāo)檢測(cè)模型，對(duì)機(jī)器人捕捉到的前方環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)捕捉到的內(nèi)容中檢測(cè)到目標(biāo)儀器圖像時(shí)，模型會(huì)為目標(biāo)繪制目標(biāo)框并顯示其儀器編號(hào)。機(jī)器人會(huì)跟蹤目標(biāo)，直到屏幕中繪制的目標(biāo)框面積達(dá)到總拍攝面積的50%或更多。此時(shí)，機(jī)器人位置被定位為與儀器相對(duì)應(yīng)的檢查坐標(biāo)。檢測(cè)結(jié)束，機(jī)器人返回到初始位置。

2"結(jié)果與分析

2.1"基于YOLOv3算法框架的目標(biāo)檢測(cè)模型建模與訓(xùn)練步驟

在本文中YOLOv3是一種基于回歸卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識(shí)別模型，該模型采用53層3×3和1×1的卷積。之后，一些殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也被用于多尺度預(yù)測(cè)，具有檢測(cè)速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。它是目前最優(yōu)秀的目標(biāo)檢測(cè)算法之一，可用于巡邏目標(biāo)的識(shí)別和檢測(cè)。基于YOLOv3算法框架的目標(biāo)檢測(cè)模型的建模和訓(xùn)練步驟如下：

（1）收集輸煤棧橋各種設(shè)備的所有儀表圖片樣本，并根據(jù)圖片中的信息制作標(biāo)簽文件。標(biāo)簽文件中的數(shù)據(jù)包含圖形的類別號(hào)、中心點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)（XXY）以及目標(biāo)框的標(biāo)準(zhǔn)化寬度和高度（w，h）。計(jì)算公式如等式（1）至（4）所示。

x=X1+X22W（1）

y=y1+y22H（2）

w=x2-x1W（3）

h=y2-y1H（4）

其中（x1，y1）是注釋框體的左下角的坐標(biāo)；（x2，y2）是注釋框體的右上角的坐標(biāo)；W是圖像的寬度；H是圖像的高度。

（2）將訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，從原始樣本中隨機(jī)選擇80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，其余20%的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。

（3）更改YOLOv3模型的參數(shù)配置文件。打開“訓(xùn)練”的參數(shù)設(shè)置，關(guān)閉“測(cè)試”的參數(shù)設(shè)定。將類別的數(shù)量修改為Classes，以及最后一個(gè)卷積層中過(guò)濾器的大小。修改規(guī)則，如等式（5）所示。

Filter=N×N×3×（4+1+classes）（5）

其中N是卷積核的數(shù)量，類是類的數(shù)量。

基于YOLOv3算法框架，對(duì)目標(biāo)檢測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，直到損失收斂到預(yù)設(shè)的收斂值。

（4）訓(xùn)練后，使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集來(lái)驗(yàn)證模型是否已擬合。當(dāng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確率接近訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的正確率時(shí)，模型訓(xùn)練就完成了。

（5）然后將訓(xùn)練后的目標(biāo)檢測(cè)模型嵌入檢測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中［3］。

2.2"基于蟻群算法的機(jī)器人最優(yōu)檢測(cè)路徑規(guī)劃步驟

基于蟻群算法的機(jī)器人最優(yōu)檢測(cè)路徑規(guī)劃步驟如下：

采用光柵地圖表示方法，自動(dòng)創(chuàng)建檢測(cè)工作環(huán)境的地圖，并由檢測(cè)機(jī)器人確定檢測(cè)目標(biāo)的位置。光柵的單位尺寸是檢測(cè)機(jī)器人的占用面積［4］。

假設(shè)化水站內(nèi)部空間為正方形，有二維陣列環(huán)境空間圖。使用二維陣列圖［］來(lái)表示環(huán)境空間圖，并將整個(gè)區(qū)域劃分為m×n個(gè)相同大小的網(wǎng)格。數(shù)組的大小設(shè)置為M和n，是通過(guò)查詢供水站的設(shè)計(jì)圖紙獲得的，數(shù)據(jù)由0和1組成，0表示機(jī)器人不能通過(guò)，1可以通過(guò)。

巡邏機(jī)器人內(nèi)置測(cè)量行走方向和距離的裝置，以及紅外避障裝置。通過(guò)三次探測(cè)，可以繪制工作環(huán)境地圖，定位巡邏目標(biāo)，算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）初始化地圖數(shù)據(jù)，將數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)設(shè)置為1，并認(rèn)為它可以到達(dá)任何位置。

（2）第一次檢測(cè)：機(jī)器人從初始檢測(cè)位置開始檢測(cè)。假設(shè)初始位置位于地圖的左上角，機(jī)器人的右側(cè)始終保持為障礙物。由于環(huán)境封閉，機(jī)器人最終會(huì)回到起點(diǎn)，從而建立起工作環(huán)境的輪廓圖。根據(jù)機(jī)器人環(huán)境感知模塊的輸入數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器人的移動(dòng)方向和距離。然后，將反饋數(shù)據(jù)寫入陣列映射［］中，輪廓外的位置被認(rèn)為是不可通行的，地圖［］中相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)為0。

（3）第二次檢測(cè)：對(duì)輪廓內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行遍歷檢測(cè)。采用廣度優(yōu)先遍歷方法來(lái)確定輪廓區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格的信息。更新了map［］陣列數(shù)據(jù)，以獲得機(jī)器人工作環(huán)境的完整地圖。

（4）第三次探測(cè)：在工作地圖已知后，開始巡邏探測(cè)目標(biāo)定位。定義了字典型數(shù)組ToBeDetected［］，數(shù)組中的鍵是所有儀器的預(yù)設(shè)編號(hào)，所有儀器都有一個(gè)唯一的編號(hào)，鍵對(duì)應(yīng)的值是儀器的檢測(cè)狀態(tài)，初始值設(shè)置為1，表示所有儀器都是ToBeDetective。

同時(shí)，在完成工作環(huán)境映射和檢測(cè)目標(biāo)定位后，對(duì)機(jī)器人的最優(yōu)檢測(cè)路線規(guī)劃進(jìn)行了評(píng)估。機(jī)器人檢測(cè)路徑規(guī)劃問(wèn)題可以看作是經(jīng)典的路徑優(yōu)化問(wèn)題（TSP），并采用蟻群算法求解機(jī)器人檢測(cè)路徑的優(yōu)化規(guī)劃問(wèn)題。

（1）啟動(dòng)機(jī)器人的高清攝像頭和目標(biāo)檢測(cè)模型，檢測(cè)機(jī)器人捕捉到的前方環(huán)境。當(dāng)在捕獲的內(nèi)容中檢測(cè)到目標(biāo)儀器圖像時(shí)，模型將為目標(biāo)繪制一個(gè)目標(biāo)框，并顯示其儀器編號(hào)。機(jī)器人跟蹤目標(biāo)，直到屏幕中繪制的目標(biāo)框的面積達(dá)到總拍攝面積的50%或更多。此時(shí)，機(jī)器人位置被定位為與儀器相對(duì)應(yīng)的檢查坐標(biāo)，并且與儀器編號(hào)的鍵相對(duì)應(yīng)的值被更新為0。重復(fù)上述過(guò)程，直到ToBeDetected［］中的所有值都為0，檢測(cè)結(jié)束并返回到原始位置。

在完成工作環(huán)境映射和檢測(cè)目標(biāo)定位后，開始機(jī)器人的最優(yōu)檢測(cè)路線規(guī)劃。機(jī)器人檢測(cè)路徑規(guī)劃問(wèn)題被認(rèn)為是經(jīng)典的路徑優(yōu)化問(wèn)題，即旅行商問(wèn)題。利用蟻群算法求解機(jī)器人最優(yōu)檢測(cè)路徑規(guī)劃問(wèn)題［5］。

（2）導(dǎo)入創(chuàng)建的檢測(cè)機(jī)器人的工作環(huán)境圖。在地圖中識(shí)別出檢查目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，輸入初始化的信息素矩陣T，以確定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，并確保每個(gè)位置的信息素必須相等。信息素矩陣T如等式（6）所示：

T=0τ12

τ210…τ1n

τ2n

τn1τn2…τnn（6）

其中n是地圖中必須經(jīng)過(guò)的位置數(shù)。

（3）確定下一個(gè)可達(dá)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信息素濃度確定螞蟻到達(dá)節(jié)點(diǎn)的概率，并使用輪盤算法選擇下一步的起始點(diǎn)；計(jì)算公式如等式（7）和（8）所示：

pkij=τij（t）α·ηij（t）β∑s∈Jk（i）τij（t）（t）α·ηij（t）β

0，j∈Jk（i）（7）

ηij=1dij（8）

其中，τij（t）代表時(shí)間t時(shí)位置i和位置j之間的信息素濃度。ηij是與時(shí)間t時(shí)從位置i到位置j的路徑相關(guān)的啟發(fā)式因子，α是信息素的權(quán)重系數(shù)，β是啟發(fā)式因子權(quán)重系數(shù)。Jk（i）是螞蟻k在下一步中允許選擇的一組檢測(cè)目標(biāo)，是從位置i到位置j的距離。

（4）更新行程的路徑和長(zhǎng)度。

（5）重復(fù)步驟（3）和（4）幾次，直到螞蟻到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)或已經(jīng)行進(jìn)了所有可用的路線。

（6）多次重復(fù)步驟（3）至（5），直到螞蟻的迭代計(jì)算完成。

（7）更新信息素矩陣T，未到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的螞蟻不包括在計(jì)算范圍內(nèi)。更新的信息素矩陣的計(jì)算公式如方程（9）和（10）所示。

τij（t+1）=（1-ρ）×τij（t）+△τij（9）

△τij=QLk（t）

0螞蟻k經(jīng)過(guò)i，j

螞蟻k不經(jīng)過(guò)i，j（10）

式中的ρ為控制參數(shù)；Q是一個(gè)正態(tài)數(shù)；Lk（t）表示螞蟻k經(jīng)過(guò)t時(shí)間后的路徑的總距離。

（8）重復(fù)步驟（3）至（7），直到螞蟻的NTH生成的迭代結(jié)束，在循環(huán)中選擇最佳路徑，同時(shí)輸出最佳路徑曲線。

3"結(jié)論

本文提出了一種基于YOLOv3的儀器檢測(cè)機(jī)器人最優(yōu)路徑規(guī)劃方法。機(jī)器人的最優(yōu)檢測(cè)路徑規(guī)劃具有保證機(jī)器人檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確性、提高機(jī)器人智能化水平等優(yōu)點(diǎn)，有利于降低機(jī)器人長(zhǎng)期檢測(cè)的能耗、電池充電次數(shù)、延長(zhǎng)機(jī)器人電池的使用壽命和成本，顯示出巨大的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：陳劍華（1971—"），男，漢族，上海人，學(xué)士，中級(jí)職稱，研究方向：火力發(fā)電廠智能運(yùn)維。