重要场所室内安全检查的方法、检查设备、机器人及终端
阅读说明：本技术 重要场所室内安全检查的方法、检查设备、机器人及终端 (Method for indoor safety inspection of important place, inspection equipment, robot and terminal ) 是由 吴�琳 李靖 温立文 李建兵 孙鹏 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于室内外定位技术领域,公开了一种重要场所室内安全检查的方法、检查设备、机器人及终端,构建安全环境下的数据；激光点云室内建模；获取巡逻人员或机器人的坐标信息、视场角及方位角信息；计算传感器可扫描或观察到的区域,并对采集到的激光点云数据进行三维重建,得到实时室内三维轮廓；根据设备的采集区域实时三维重建,并且与安全状态下的模型数据进行对比,通过算法计算两个模型之间的室内空间变化情况；将重点场所室内变化情况通过颜色进行标记。本发明能够对重点场所室内环境的精确监控,增强重点场所的安全保障,更好地维护公共安全和社会稳定。本发明提供的重要场所室内安全检查的方法,能够实现对重点场所室内环境的精确监控,从而在发现重点场所内发生的变化情况。(The invention belongs to the technical field of indoor and outdoor positioning, and discloses a method, inspection equipment, a robot and a terminal for indoor safety inspection of an important place, which are used for constructing data in a safety environment; indoor modeling of laser point cloud; acquiring coordinate information, field angle and azimuth angle information of patrol personnel or robots; calculating the area which can be scanned or observed by the sensor, and performing three-dimensional reconstruction on the collected laser point cloud data to obtain a real-time indoor three-dimensional profile; according to the real-time three-dimensional reconstruction of the acquisition area of the equipment, comparing the real-time three-dimensional reconstruction with model data in a safe state, and calculating the indoor space change condition between the two models through an algorithm; and marking the indoor change conditions of the key places by colors. The invention can accurately monitor the indoor environment of the key site, enhance the safety guarantee of the key site and better maintain the public safety and social stability. The method for indoor safety inspection of important places can accurately monitor the indoor environment of the important places, so that the change condition occurring in the important places can be found.)
技术领域
本发明属于室内外定位技术领域，尤其涉及一种重要场所室内安全检查的方法、检查设备、机器人及终端。
背景技术
近年来，违法犯罪行为的侵犯，对社会安全稳定和人民生命财产安全造成了严重破坏。公安机关作为处置突发事件、维护社会稳定的重要职能部门，在安保工作中承担着重要责任。其中，视频监控配合巡检人员是目前公安机关安防工作的主要手段之一，传统视频监控系统主要的预警是由人员通过看监控显示大屏实现，需要大量的人力投入，同时对人员的责任心，专注度要求很高，大多数情况下只能起到事后取证的作用，而且事后取证的效率极低。
重要场所的安保工作需要实现对管辖区域全覆盖巡查，需要尽早发现安全隐患，及时处置突发情况。具有巡逻面积大、环境复杂等特点。当前采用的是人力巡查和视频监控结合的工作机制，全靠执勤民警肉眼发现，往往存在漏网之鱼。因此，亟需一种新的重要场所室内安全检查的方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统视频监控系统主要的预警是由人员通过看监控显示大屏实现，需要大量的人力投入，同时对人员的责任心，专注度要求很高，大多数情况下只能起到事后取证的作用，而且事后取证的效率极低。
(2)当前采用的是人力巡查和视频监控结合的工作机制，全靠执勤民警肉眼发现，往往存在漏网之鱼。
(3)在传统的安防监控系统中，由于位置固定，存在摄像头死角，有效视距狭窄，本发明可以实现自主移动、全方位、无死角实时监控。此外，此发明不受光照效果的影响。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)室内区域环境极度复杂，包括动态物体以及静态物体，传统的室内激光点云建模通常需要先全屋扫描，后处理的方式，并不能达到实时的效果，本发明只需要针对当前可视范围内进行点云建模，实现了实时建模。
(2)由于保卫区域的特殊性以及临时性，部分房间不允许也没有条件安装视频监控，只能靠人力进行巡检。人力巡检的最大问题就是会受到巡检人员主观意识、经验、责任心以及外界环境的影响。
(3)本发明同时还结合了三维地理信息系统，通过三维GIS可视化技术，可以让巡逻人员在巡逻时就直接发现问题所在，安保中心管理人员也可以实时看到各个巡逻人员的检查情况。
解决以上问题及缺陷的意义为：
(1)提高巡检时效性。
(2)防止因为巡逻人员因主观判断及外界因素影响导致无法发现问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种重要场所室内安全检查的方法、检查设备、机器人及终端，旨在解决现有技术在重点场所内部安防工作中需要靠巡逻人员肉眼识别的问题。
本发明是这样实现的，一种重要场所室内安全检查的方法，所述重要场所室内安全检查的方法包括以下步骤：
步骤一，构建安全环境下的数据：在重要场所室内环境安全的前提下，通过移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域进行数据采集，并将采集到的数据传送至后台服务器。
激光雷达主要用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备，激光雷达由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。它利用激光对室内表面环境进行密集采样，以产生高精度的x,y,z测量值。能生成可管理、显示、分析以及共享的离散多点云数据集。
通过移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域内进行移动采集，为了保证室内三维表面空间轮廓的完整性，需要尽可能的对室内空间进行360°全方位扫描。激光雷达采集激光点云，可以通过GPS(Global Positioning System，全球定位系统)/INS(Inertial Navigation System，惯性导航)将采集的激光点云处理成高度精确的地理配准x,y,z坐标。
步骤二，进行激光点云室内建模：通过激光点云构建出室内三维矢量轮廓，并将带有坐标信息的室内矢量轮廓数据直接加载到三维地理信息系统中。
步骤三，当需要进行巡逻时，通过移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域进行巡逻。通过定位设备获取巡逻人员或机器人的坐标信息，同时获取传感器的视场角及方位角信息。
移动采集或机器人可以通过WIFI或者蓝牙技术进行室内定位。
步骤四，根据巡逻人员或机器人的位置，结合传感器的视场角、方位角及高度的信息，实时计算出传感器可扫描或观察到的区域，并对采集到的激光点云数据进行三维重建，得到实时室内三维轮廓。
步骤五，根据设备的采集区域实时三维重建，并且与安全状态下的模型数据进行对比，发现变化情况，通过VTK的vtkBooleanOperationPolyDataFilter算法内VTK_DIFFERENCE计算两个模型的之间的差别，即室内空间变化的情况。
令安全状态下室内空间轮廓为A，巡逻状态下室内空间轮廓为B。对于A、B分别建立BSP树，然后使用A的BSP树对B进行空间分割，将其分成内外两个部分；再用B的BSP树对A进行空间分割，也将其分为内外两个部分；最后，根据不同的布尔运算，本发明采用求差的方式，将分割后的部分模型按照不同的布尔运算进行并凑，即可得到B相对于A的变化结果。
步骤六，将重点场所室内变化情况通过颜色进行标记，同时加载到三维地理信息系统中，通过手持设备直接查看到室内发生变化的位置。
因为室内空间轮廓带有实际的坐标系，所以可以直接加载到三维地理信息系统中。同时，根据第五步得到的两个轮廓插值，将插值单独染色加载。根据第四步的原理，可以实时加载出可视范围内的情况。
进一步，步骤二中，所述进行激光点云室内建模的方法，包括：
(1)将离散的点云数据连续化生成表面模型来模拟室内场景的表面，对每一个原本属于同一平面上的点集进行拟合以确定中心平面，同时确定平面的轮廓。利用多个这样有明确边缘轮廓信息及空间位置信息的平面的相互关系提取特殊的线与点三维坐标信息。
拟合平面方程表达式：Ax+By+Cz+D＝0(C≠0)；
令
则z＝a0x+a1y+a2；
已知一组数据n个点(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,……n-1；
只要使最小即可，其中a0,a1,a2为未知数。
则满足：
即：
有：
a0∑xi+a1∑yi+a2n＝∑zi；
解出上述线性方程得到a0,a1,a2。
(2)确定室内空间实物在该平面上的轮廓：
通过求点与平面的垂线及垂足得到原实物的每个点到拟合平面的投影点，，再通过所有的投影点拟合出其轮廓线。
假设A点是实物点集M内的任意一点，坐标值为(XA,YA,ZA)，a点为A点到拟合平面的垂足，其坐标值为(Xa,Ya,Za)，已知平面方程为z＝a0x+a1y+a2，其法向矢量为(a0,a1,-1)。
那么垂线Aa的方程为：
Aa上任意一点坐标为：(a0K+XA,a1K+YA,-K+ZA)；
将该坐标值带入拟合平面方程可求出：
则a点的坐标值为：
用同样的方法得到所有的点到拟合平面的垂足点的集合N内每一个点的坐标。
(3)边界拟合
由于室内环境过于复杂，所以曲线边界选择多项式的方法进行拟合，已知平面方程z＝a0x+a1y+a2，多项式为y＝w0+w1x+w2x2+…+wnxn。
对于一组曲线边界点的X,Y坐标：
……
在最小二乘意义下为：
最小的w0,w1,w2,……,wn，所确定的多项式，经过数学处理得到矩阵形式为：
再利用该边界曲线属于平面z＝a0x+a1y+a2，则可以唯一地确定系数w0,w1,...,wn，即确定此曲线。
进一步，步骤四中，所述实时计算出的传感器可扫描或观察到的区域即为激光点云数据的采集区域。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述重要场所室内安全检查的方法的重要场所室内安全检查设备。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的重要场所室内安全检查的方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的重要场所室内安全检查的方法。
本发明的另一目的在于提供一种搭载激光雷达的可移动机器人，所述搭载激光雷达的可移动机器人运行所述的重要场所室内安全检查的方法，用于室内安全检查巡逻。
本发明的另一目的在于提供一种安全检查信息数据处理终端，所述安全检查信息数据处理终端用于实现所述的重要场所室内安全检查的方法全景图片生成方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的重要场所室内安全检查的方法，能够实现对重点场所室内环境的精确监控，从而在发现重点场所内发生的变化情况。本发明应用于政府大楼等重点安防场所，能够进一步增强对于重点场所的安全保障，更好地维护公共安全和社会稳定，推动公安机关在重点场所安全保障工作由被动应对型向主动保障型转变，是公安机关智能化应急指挥的重要一步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的重要场所室内安全检查的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的可视区域示意图。
图3是本发明实施例提供的相机方位图。
图4是本发明实施例提供的安全状态下室内物体的点云示意图。
图5是本发明实施例提供的安全状态下经过计算拟合出的物体轮廓示意图。
图6是本发明实施例提供的第二次扫描时的点云示意图。
图7是本发明实施例提供的第二次拟合的物体轮廓示意图。
图8是本发明实施例提供的前后2次对比结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种重要场所室内安全检查的方法、检查设备、机器人及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的重要场所室内安全检查的方法包括以下步骤：
S101，构建安全环境下的数据：在重要场所室内环境安全的前提下，通过移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域进行数据采集，并将采集到的数据传送至后台服务器。
S102，通过激光点云构建出室内三维矢量轮廓，并将带有坐标信息的室内矢量轮廓数据直接加载到三维地理信息系统中。
S103，当需要进行巡逻时，通过移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域进行巡逻。通过定位设备获取巡逻人员或机器人的坐标信息，同时获取传感器的视场角及方位角信息。
S104，根据巡逻人员或机器人的位置，结合传感器的视场角、方位角及高度的信息，实时计算出传感器可扫描或观察到的区域，即激光点云数据的采集区域。同时对采集到的激光点云数据进行三维重建，得到实时室内三维轮廓。
图2本发明实施例可视区域示意图，提供的在三维地理信息系统中通过构建折线及多边形的方式模拟出传感器当前可视区域示意图。图3为本发明相机方位图。
在本实施例中，视场角如图2所示，左侧为传感器的位置，那么根据视场角的数据可以在三维地理信息系统中通过构建折线及多边形的方式模拟出传感器当前可视区域。
在本实施例中，方位角如图3所示，Yaw是水平方向的偏航角，Pitch是垂直方向的俯仰角，Roll是旋转角，配合传感器的X,Y,Z坐标，则可以精确描述出传感器的空间位置以及姿态。同时结合传感器视场角，可以准确的在三维地理信息系统中将当前传感器的可视区域进行可视化模拟。
S105，根据设备的采集区域实时三维重建，并且与安全状态下的模型数据进行对比，发现变化情况，通过VTK的vtkBooleanOperationPolyDataFilter算法内VTK_DIFFERENCE计算两个模型的之间的差别，即室内空间变化的情况。
S106，将重点场所室内变化情况通过颜色进行标记，同时加载到三维地理信息系统中，通过手持设备直接查看到室内发生变化的位置。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的重要场所室内安全检查的方法，包括：
第一步：构建安全环境下的数据。
在重要场所室内环境安全的前提下，通过巡逻人员手持移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域进行数据采集，并将采集到的数据传送至后台服务器。
第二步：进行激光点云室内建模。
(1)室内激光点云数据是离散的，无法精确表现真实场景的几何信息，不能满足实际应用，因此需要把离散的点云数据连续化生成表面模型来模拟室内场景的表面。但由于激光扫描所造成的误差使得原本应位于同一平面的点呈现出以某一平面中心有微小偏差的随机分布现象。
实际使用时需要对每一个原本属于同一平面上的点集进行拟合以确定中心平面，同时确定平面的轮廓。利用多个这样有明确边缘轮廓信息及空间位置信息的平面的相互关系提取特殊的线与点三维坐标信息。
拟合平面方程表达式：Ax+By+Cz+D＝0(C≠0)；
令
则z＝a0x+a1y+a2；
已知一组数据n个点(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,……n-1；
只要使最小即可，其中a0,a1,a2为未知数。
则满足：
即：
有：
a0∑xi+a1∑yi+a2n＝∑zi；
解出上述线性方程得到a0,a1,a2。
(2)此时只得到了平面的方程而不能确定实际物体的大小，这就需要确定出室内空间实物在该平面上的轮廓。
要得到实物在平面上的投影轮廓先要求出原实物的每个点到拟合平面的投影点，这可以通过求点与平面的垂线及垂足而得到。然后再通过所有的投影点拟合出其轮廓线。
假设A点是实物点集M内的任意一点，坐标值为(XA,YA,ZA)，a点为A点到拟合平面的垂足，其坐标值为(Xa,Ya,Za)，已知平面方程为z＝a0x+a1y+a2，其法向矢量为(a0,a1,-1)。
那么垂线Aa的方程为：
Aa上任意一点坐标为：(a0K+XA,a1K+YA,-K+ZA)；
将该坐标值带入拟合平面方程可求出：
则a点的坐标值为：
那么用同样的方法可以得到所有的点到拟合平面的垂足点的集合N内每一个点的坐标。
(3)边界拟合
由于室内环境过于复杂，所以曲线边界选择多项式的方法进行拟合，已知平面方程z＝a0x+a1y+a2，多项式为y＝w0+w1x+w2x2+…+wnxn。
对于一组曲线边界点的X,Y坐标：
……
在最小二乘意义下为：
最小的w0,w1,w2,……,wn，所确定的多项式，经过数学处理得到矩阵形式为：
再利用该边界曲线属于平面z＝a0x+a1y+a2，则可以唯一地确定系数w0,w1,...,wn，即确定此曲线。
(4)到此，通过激光点云可以构建出室内三维矢量轮廓。
第三步：
由第二步处理得到的室内矢量轮廓数据，带有坐标信息，因此，可以直接将其加载到三维地理信息系统中。
第四步：
当需要进行巡逻时，通过巡逻人员手持移动采集设备或者搭载激光雷达功能的可移动机器人对保卫区域进行巡逻。通过定位设备获取巡逻人员或机器人的坐标信息，同时可以获取传感器的视场角及方位角信息。
第五步：
根据巡逻人员或机器人的位置，结合传感器的视场角、方位角及高度等信息，可以实时计算出传感器可扫描或观察到的区域。同时也是激光点云数据的采集区域。则根据第二步的内容对此次采集到的激光点云数据进行三维重建，得到实时室内三维轮廓。
第六步：
根据设备的采集区域实时三维重建，并且与安全状态下的模型数据进行对比，发现变化情况，通过VTK的vtkBooleanOperationPolyDataFilter算法内VTK_DIFFERENCE计算两个模型的之间的差别，即室内空间变化的情况。
第七步：
将重点场所室内变化情况通过颜色进行标记，同时加载到三维地理信息系统中，巡逻人员可以通过手持设备直接查看到室内发生变化的位置，便于立即排查。
如图4是安全状态下室内物体的点云；图5安全状态下经过计算拟合出的物体轮廓；图6第二次扫描时的点云；图7第二次拟合的物体轮廓；图8后2次对比结果，图7中，正常情况下，桌面上的物体应该图中左侧的位置，但是再经过第二次扫面对比后，实际情况物体发生了位置变化。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。