CPS例化——高铁接触网智能巡检机器人研究

We research the related theory and technology about CPS model design of intelligent inspection robot, ROS-based hierarchical structure of inspection robot, design of FPGA-based reconfigurable inspection module and transfer learning between variant working patterns ,in order to promote the proficiency and the performance of robot inspection in complex time-varying environment. Aiming at different inspection tasks, we build the space-time-critical and safety-critical CPS model of the robot. The scheme of reconfigurable FPGA inspection module will realize the agile combination of needed inspection algorithms and fast configuration of parameters when applying the module under different inspection requirements. We also abstract the inspection task model to design the robot architecture by implementing ROS as the OS core. Other indispensable functions of the designed robot is realized by ROS nodes, including auto navigation, human-computer interaction, smart inspection and data analyzing. Transfer learning related algorithms will be studied for improving the adjustability of the robot’s acting mode, inspecting mode and analyzing mode when using in a new environment or being given a new task. Targeting on detection and inspection of high-speed train catenary, we will realize the robot with high safety, efficiency, accuracy, convenience and complete the actual test for the above scheme ,to lay the foundation of the theory and key technology for inspection robot, to provide strong support of safe operation of catenary, and finally to promote the steady development of China's high-speed rail business.

项目研究提升复杂时变环境下高铁接触网巡检机器人巡检效率与效果所需解决的若干问题。针对巡检任务需求，完成具有时空关键及安全关键的智能巡检机器人CPS建模。对可重构FPGA检测模块展开研究，包含基于FPGA的检测算法研究与模块设计，通过可重构特性实现对不同巡检工作环境与巡检任务所需检测算法的组合与参数快速配置。对巡检任务进行理论抽象，完成满足任务需求的基于层次化模型的智能巡检机器人研究与设计，以ROS平台实现机器人自主导航、人机交互、智能巡检、检测数据分析处理功能。研究迁移学习算法以加快机器人在新环境和新任务中工作模式的适应与调整，包括机器人行动模式、检测模块运行模式与数据分析模式。实现具有安全性、高效性、准确性、便利性的高铁接触网智能巡检机器人原型，提高接触网运维保障效率与效果，为高铁安全运行提供有力支撑，推动我国高铁事业稳步发展。

本项目针对高铁接触网巡检需求，研究如何提升复杂时变环境下高铁接触网巡检机器人巡检效率与效果，实现了CPS例化产品—高铁接触网智能巡检机器人。研究内容包括：1）具有时空关键及安全关键的智能巡检机器人设计；2）接触网巡检场景仿真平台构建；3）结合设备资源和任务需求完成具有时空关键及安全关键的机器人CPS建模；4）高铁巡检机器人混合关键级任务调度技术实现；5）高铁接触网点云识别、分割方法设计及实现；6）高铁巡检机器人的安全通信协议设计；7）高铁巡检机器人平台上的视觉感知方法设计；8）基于FPGA的可重构CCD相机检测模块设计。基于本项目，本团队共发表（含录用）论文22篇，其中IEEE Transactions期刊论文2篇，专利4篇（含实审），软件著作权4篇，其中1篇专利进行了技术转让，已转让给河南格通智能科技有限公司。本项目为CPS例化提供了若干共性理论、方法、工具与环境，并提供了使用途径，为服务于高铁接触网运维系统的高铁智能巡检机器人研发提供了科学的理论依据与应用基础。本项目的成果已在实际应用中产生成效，基于本项目所设计的原型产品“高铁智能巡检机器人”已进行成果转化并已被销售多台。在该项目及嵌入式与网络计算湖南省重点实验室的资助下，主办国内外研讨会3次，邀请国内外专家来校18次并组织讲座25次，组织研究生去会议与企业交流学习10次；已培养博士毕业生3名，硕士毕业生11名。