警用机器人关键技术研究与应用

引言

警用安保、巡逻机器人是一种综合运用物联网、人工智能、云计算、大数据等技术，集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制以及报警装置于一体的多功能综合系统，具备自主感知、自主行走、自主保护、互动交流等能力，可帮助警察完成基础性、重复性、危险性的巡逻工作。随着我国社会形势的变化和公安业务的快速发展，公安警力严重不足、人力巡逻存在安全隐患等问题日益突出，亟需能够协助或替代警员执行安保、巡逻任务的智能化警用机器人，以促进安保、巡逻业务的快速升级，降低公安干警的劳动强度及执勤风险，推动警员执勤方式的变革。

一、国内外现状

国际上警用安保、巡逻机器人的相关研究从上世纪90年代中期有明显的发展，2002年进入成长期，并且在2011年后加速增长，远未达到饱和期和衰退期，目前创新潜力巨大。中国警用安保、巡逻机器人的研究起步比国外稍晚，但受国家政策、基础条件和市场环境的影响，发展较为迅速。

根据IFR组织预测，2015年～2018年专用服务机器人的销量将增加至152375台，价值196亿美元。其中针对安全领域的安保、巡逻机器人增长预期较快。目前国内外已有数十家单位陆续开展了安保、巡逻机器人的产品研发和应用，具有代表性的有美国的SMP公司、Knightscope公司，日本Tmsuk机器人公司，国内的国防科技大学、中国安防技术有限公司等。另外，海康威视、大疆科技、巨星科技、东方网力等传统和新兴的安防、科技公司也都开始布局机器人安防产业。

国内外警用机器人种类繁多，功能也各异。由于整体产业仍然处于起步阶段，很多实际应用仍然有待市场检验，而更多具体的技术实现仍然有待改进成熟。但可以预见的是，警用机器人系统的推广应用已经成为大势所趋。

二、警用机器人技术热点

警用机器人系统由移动平台载体、警务功能模块、网络通讯系统和数据操控指控平台四大模块组成，其中移动平台载体搭载警务功能模块组成安保巡逻机器人前端。警用机器人系统涉及的技术热点包含：导航定位、计算机视觉、目标跟踪、智能化检测识别与传感器技术、警务应用模式五个方面。

（一）导航定位

导航定位是机器人可以正常行走的必要条件之一，它是指警用机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。能够自主巡逻、自动充电是多数警用机器人产品必备的功能。

在当前的应用中，尽管警用机器人通常工作于相对固定的场景，但他们通常也需要具备自动创建地图及自主定位的能力。相关的实现方法有很多，可分为相对和绝对位置测量两种类型。常用的定位实现方法有：里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球定位系统、路标导航和地图模型匹配和仿生导航技术等。其中前两种属于相对位置测量，也称为航迹推算；仿生导航技术包括基于视觉、声音和气味的导航技术。

近些年来，基于激光扫描仪测量的SLAM技术和基于视觉的SLAM技术是采用较多的主流方法。而随着低成本深度摄像头的推广，基于RGB-D图像的SLAM技术已经成为新的研究热点。在合适的场景下，还可辅以UWB技术实现更精确的定位。另外，对于室内机器人而言， CV-SLAM（天花板视觉SLAM）也是一种低成本可靠的方法。

（二）计算机视觉

计算机视觉是一门研究如何使机器“看”的科学，更进一步地说，就是指用摄相机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等机器视觉，并进一步做图形处理成为更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像。作为一个科学学科，计算机视觉研究相关的理论和技术，试图建立能够从图像或者多维数据中获取“信息”的人工智能系统。

计算及视觉的应用贯穿了机器人行走、定位、操控、作业以及执行特定任务的各个方面，以人工智能的方式还原机器人所处地的真实场景，从而进行与外界位置、动作与信息获取的交互。

（三）目标跟踪

目标跟踪技术是计算机视觉领域的一个重要研究分支，它融合了图像处理、模式识别、人工智能及自动控制等多学科最新研究成果，主要利用视频分析方法对视频输入图像序列进行连续分析，来实现运动目标的自动检测、定位和跟踪，为高层视频对目标的行为理解和决策提供底层对象和分析依据。

目标跟踪技术是警用机器人能够认知特定警情、锁定特定对象并实现智能布控防范的基础之一。目标跟踪的核心实现软硬件需设置在机器人前端，与机器人自主行走系统形成闭环的实时控制；其采集的关键数据以小数据、低延迟形式传输给指控后台，经智能决策后得到下一步的命令。

（四）智能化检测识别与传感器技术

对执行安保、巡逻任务的警用机器人而言，多种智能化检测识别与传感器技术是保障其探测异常情况的关键。智能化检测识别主要包括：（1）基于图像识别的异常情况探测技术，如入侵检测、人体检测、人脸识别、火灾探测等；（2）异常声音的探测与定位技术；（3）用于近距离交互的语音识别技术等。

传感器主要包括：图像传感器、人体探测传感器、烟雾探测传感器、火灾探测传感器、障碍传感器等。尽管优秀传感器的使用可以大大提升机器人探测周边环境的能力，但是，传感器价格也会大幅提高机器人的成本。如何选择合适的传感器，搭配具体应用，对于警用机器人尤为关键。另外，在警用机器人设计时，采用可软硬件扩展的设计，也丰富了机器人传感系统的搭配应用方式。

（五）警务应用模式

安保、巡逻机器人的警务应用模式，是指当遇到异常情况发生时，机器人如何进行处理，是机器人实现警务功能的核心技术。常用的简单安防应用逻辑是：发现异常—报告后台—后台反馈遥控。但这种逻辑通常用于非常简单的警务应用需求，如执行巡检侦察任务。

对于一些搭载大量传感器、具备多种检测手段的复杂机器人系统的复杂应用而言，其必须具备一定的专有化的应用模式。比如，与定点的安防摄像头结合应用，形成动静结合的多维化监控布设方案；建立有效的多级信息推送机制，实现在固定场景需求下的实战化应急响应预案；打造综合型的目标或警情识别系统，避免出现漏报异常情况，同时减少频繁误报的不良影响。

三、警用机器人的应用模式

目前，警用机器人主要应用在安保、巡逻和处置三种场景下，发挥了服务人民、协助执勤、解放警力等作用。其中，安保、巡逻场景的具体应用为：实现对巡逻范围内犯罪分子、重点人员的识别、定位、报警和跟踪，协助民警执勤，提高处置效率；协助实现人员密集区的人员指引、疏散、排查和便民问答；实现警务大厅的便民服务，包括公安业务问答、窗口导引、业务自主办理。

警用机器人的应用场景可设定为政府驻地、机场、广场、车站、码头、公检法办公场所、大型活动现场、要害部门等重要区域等，主要用来进行日常巡逻与安全防范，实现对特定区域环境、人员、车辆、意外事件等要素的信息感知，服务人民群众，同时有效保障重点人群、重大设施和重要区域的安全。按照以上应用需求，警用机器人需具备自主行走、区域巡逻、自主避障、人脸识别、多模态人机交互、警情识别等功能。

但就现有的应用案例，警用机器人功能需求的实现受现场环境（地面、人流、温湿度等）、通信条件、保障措施（充电桩、辅助设备、标记物等）以及政策法规等因素的影响巨大；而不同应用场景下，对某些功能的需求迫切性也不尽相同。亟需通过需求与应用技术的研究建立多场景的应用模式及前端本体性能功能组合方式，形成适应不同场景的系统化解决方案。

四、警用机器人的发展趋势

警用机器人作为一种技术渐进成熟的机器人产品，拥有日渐增长的市场应用需求，大规模走进人们的生产生活已经指日可待。相关核心技术需进一步成熟，软硬件成本需进一步降低，且针对市场的不同拓展应用场景。其发展方向可归纳为以下几条：

（一）加快核心技术研发，促进产业进步

目前，我国在机器人基础技术方面，诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。

因此，在警用机器人发展刚刚起步的今天，研发和掌握核心技术才能在竞争激烈的市场中求得长足发展。

（二）更专业、网络化的安防服务应用

警用机器人面向专业的企业级安防市场，以完全替代并超越保安、警察为终极目标。其将搭载更多强大的安防监测传感器，具备多种智能化的探测手段；还能与已有的固定的智能化安防系统紧密配合，在固定安防系统发现异常时，立即自主前往查看；另外，还可通过互联网连接警方数据库及社会安防系统，与公安系统配合使用；除此之外，它们甚至可以配备前端处置的装置，用于制服嫌疑人。

（三）可扩展多样化综合应用

警用机器人应用场景面向企业、商场、展馆等普通市场完全开放，可以针对企业、商场的用人成本高等问题，以一机多用的方式完美替代日益稀缺的劳动力。比如在具备安防功能的同时，拥有多种人机交互、娱乐宣传能力，白天替代导购员、服务员，夜晚替代保安执行巡逻任务。

五、总结

警用安保、巡逻机器人在公共安全领域作用重大，是提升当前公安信息化、智能化、实战化的有效手段。随着警用安保、巡逻机器人智能化程度越来越高、功能越来越多元，其应用前景将更加广阔。

参考文献：

[1] 陈晓东. 警用与反恐机器人的现状与趋势[J]. 机器人技术与应用, 2015(06).

[2] 李泽波,陈德燚,黄德才,严晓强. 智能安防机器人的研究与设计[J].  科技广场, 2015(09).

[3] 谭民,王硕. 机器人技术研究进展[J]. 自动化学报, 2013(07).

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