北京航空航天大学陶永副研究员团队：基于边缘引导的移动机器人室内玻璃识别与地图优化方法CJME论文推荐

　　自主移动机器人技术及产品正走进人们的生活，典型应用包括商用清扫机器人、消毒机器人、酒店服务机器人、配送机器人等；不同于实验室的结构化环境，现实场景中动态、变光照、低纹理、半透明等因素给机器人系统和算法提出了更高鲁棒性和安全性的要求。同时，智能产品为满足商用、家用的需求，受到成本的限制，在传感器配置上，多采用以低成本激光、视觉传感器为主，以超声、红外和MEMS惯导系统等为辅的感知方案。然而，上述感知建图和规划方案常存在室内玻璃材料感知失效与室外禁行区域识别错误的问题。为此，本文提出一种基于边缘引导的移动机器人室内玻璃识别与地图优化方法。

　　本文基于移动机器人实际产品，提出了基于边缘引导的移动机器人室内玻璃识别与地图优化方法。首先，分析了不同传感器与玻璃材料间的交互机理与现行方案；随后，基于典型视觉特征，设计了边界引导的玻璃图像分割网络；基于玻璃识别结果，提出了规划地图优化方法；最后，进行了图像分割验证、规划地图优化及路径规划试验，验证了所述方法的有效性。

　　主要贡献包括（1）改进了基于边界引导的玻璃图像分割网络，探索了不同模块构成、不同网络层级的网络结构，实现了准确的玻璃图像分割。（2）提出了基于深度修复的地图优化方法，形成了激光雷达与相机融合的玻璃图像分割与地图优化方案，进行了实机部署、地图优化与区域全覆盖规划试验，验证了该方法在提高地图完整性和规划安全性上的改进效果。

　　经过实验验证证明：本文所提方法对室内透明隔板、玻璃幕墙等具备良好的适应性。在图像识别与分割实验中，方法融合了边界感知与大感受野卷积模块，通过GDD和MSD数据集的训练和验证，将公开测试集识别准确率提高至94.1%，并基于图像分割结果，形成了补充后的规划用地图。在实机模拟清扫任务，区域全覆盖测试场景中，由于规划地图补充了边界信息，两个场景中栅格占有率分别提升1.13%和2.03%；划分并避开了原始地图中不可靠的玻璃边界及其后方区域，使得路径误覆盖率分别降低59.84%和55.7%；综上，在模拟清扫任务中，所述方法可有效提升覆盖路径规划的准确性和整体效率。

　　针对移动服务机器人室内玻璃材料感知失效的问题，本文提出了一种基于边界引导的移动机器人玻璃识别与地图优化方法。分析了玻璃识别技术在算法和产品层面的研究现状，提出了一种基于边界数据引导的玻璃图像分割网络，然后进一步提出了基于深度修复的规划地图优化方法。最后，进行了算法对比、地图优化与规划试验，并进行了结果分析。该方法对室内透明隔板、玻璃幕墙等具备良好适应性，将公开测试集识别准确率提高至94.1%；形成了补充后规划地图，测试场景误覆盖率分别降低了59.84%和55.7%；简化了地图构建过程中玻璃区域手工标注或虚拟墙添加操作，有效保障了规划地图完整性和路径规划安全性。在后续研究中，轻量化网络结构、在线识别、多传感器融合定位和多地图管理等技术值得持续关注。

　　本文总体方案采用在线采集，离线识别、自动补充的原则，可简化自主移动机器人地图构建过程中玻璃区域手工标注或虚拟墙人工添加等操作。相关技术可应用于清扫机器人、消毒机器人、酒店服务机器人、配送机器人、无人叉车等智能产品，覆盖工业、服务、家庭等典型场景需求。

　　[2] 高翔, 张涛, 颜沁睿, 刘毅, 视觉SLAM十四讲：从理论到实践, 电子工业出版社, 2017.

　　陶永，男，北京航空航天大学副研究员、博士生导师，主要从事工业机器人先进控制与集成应用、航空数字化设计与装配、复杂系统建模与优化控制、智能制造与航空工程发展战略等领域研究。承担参与了国家自然科学基金项目、863重点项目、国家重点研发计划、工信部智能制造新模式、国家科技支撑计划等多项科研项目，研制了具有自主知识产权的工业机器人数字化设计平台、发动机缸盖去毛刺机器人工作站、工程机械大型结构件焊接机器人工作站、飞机钛合金壁板激光焊接机器人工作站、人机协作机器人力位控制系统等。在期刊和国际会议上发表论文80余篇，其中SCI收录20余篇，EI收录30余篇，申请国家发明专利30余项。出版专著/教材3本。

　　高赫 （本文第二作者），北京航空航天大学航空发动机研究院博士研究生。主要研究方向为机器人智能感知与运动规划。

　　工业机器人先进控制与集成应用、复杂系统建模与优化控制、智能感知与人机交互、航空数字化设计与装配技术等。

　　[1] 陶永,刘海涛,王田苗,韩栋明,赵罡.我国服务机器人技术研究进展与产业化发展趋势[J].机械工程学报,2022,58(18):56-74.

　　[2] 陶永,兰江波,刘海涛,王田苗,高赫,温宇方,段练.基于滑模和模糊算法相融合的人机协作机器人轨迹跟踪方法[J].机械工程学报,2022,58(18):181-191.

　　JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

　　有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

　　感谢关注我们！《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！