巡检机器人研究团队简介

发布者:机器人与智能系统研究院发布时间:2021-09-30浏览次数:159

一、研究团队概况

巡检机器人研究团队由9名教职工和数十名博士、硕士研究生组成,目前以各种工业巡检任务为应用背景,研究地面轮式巡检机器人和空中旋翼飞行机器人,使之具备目标识别、缺陷检测、动态跟踪等功能。通过携带气体浓度传感器,可以构建流体运动地图,分析烟羽扩散规律,追溯气体泄漏源头。

该团队主要研究机器人自主巡检作业的基础理论与工程技术,属于多学科交叉领域,包括机器人定位与构图、规划与导航、智能控制、图像处理、数据融合、目标识别与跟踪、人机交互,以及空中-地面协作巡检等科学问题,尽早发现被检设备可能出现的破损、脱落、过热、过压、泄漏、爆炸、停机等缺陷或异常,从而将用户从繁重而且危险的人工操作中解脱出来,提高测量精度和巡检效率,为维护各类设施安全可靠运行提供重要支撑。




  

二、研究团队成员

(1)团队负责人


  吴怀宇,男,教授,博士生导师。毕业于清华大学,获工学博士学位。长期从事机器人技术及其应用领域的研究与教学工作。现为湖北省人工智能学会副理事长、湖北省自动化学会副理事长、美国IEEE高级会员。目前主持国家自然科学基金面上项目1项、主持完成国家自然科学基金面上项目2项、湖北省科技支撑计划、教育部科研项目和企业技术改造课题等多项,在IEEE Trans. on RoboticsIEEE/ASME Trans. on MechatronicsIEICE Trans. on ElectronicsMechatronicsNeurocomputing等期刊上发表论文50余篇。获得授权发明专利15项,出版专著1部,主编教材2部(《自动控制原理》获批十二五普通高等教育国家级规划教材)。获国家级教学成果一等奖、二等奖各1项。【研究生导师链接】


(2)团队成员

  熊凌,女,博士,教授,美国华盛顿州立大学访问学者。毕业于华中科技大学图像识别与人工智能研究所,获工学博生学位。主要研究领域:重力梯度导航、机器学习、图像处理等。主持完成国家自然科学基金1项,参加国家自然科学基金项目4项,主持和参加湖北省自然科学基金3项,主持湖北省科技厅湖北省技术创新专项重点项目2项,参加湖北省科技支撑计划项目2项,武汉市科技局科技人才培育计划1项。获湖北省科技进步二等奖2项,湖北省技术发明三等奖1项,中国机械工业科学技术进步二等奖1项;授权发明专利和实用新型专利10余项,软件著作权3项;主编教材1部,获国家级教学成果二等奖1项;发表学术论文40余篇,其中被EI或CPCI-S检索30余篇。【研究生导师链接】

  程磊,男,博士,教授,英国西英格兰大学联合博士生导师。入选湖北省新世纪高层次人才工程计划,第九届武汉市洪山地区十大优秀青年。长期从事多自主体及机器人控制等方面的研究与教学工作。兼任中国人工智能学会青年工作委员会常务委员、中国人工智能学会智能机器人专业委员会委员、湖北省自动化学会常务理事、湖北省人工智能学会理事。主持并完成国家自然科学基金1项,湖北省教育厅科研计划重点项目1项,作为骨干参加国家自然科学基金4项,发表论文47篇,获国际国内学术奖励5项。【研究生导师链接】

  



  陈洋,男,教授,博士生导师。毕业于中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,获工学博士学位。湖北省人工智能学会理事,中国自动化学会会员。主要研究领域:移动机器人建模、规划与控制,机器学习与人机交互。主持国家自然科学基金项目3项、国家重点研发计划专项子课题1项、辽宁省科技厅联合基金1项,主持并完成湖北省教育厅科研课题1项,发表学术论文50多篇,获得授权发明专利9项,包括美国发明专利1项。获得授权实用新型专利2项,软件著作权登记5【研究生导师链接】




  陈琳,女,博士,讲师。2006年毕业于华中科技大学获工学硕士学位。2018年毕业于武汉大学系统工程研究所,获得博士学位,主要研究领域:控制理论,博弈论,合作博弈。参与国家自然科学基金项目1项,获得国家教学成果二等奖1项。

 




  郑秀娟,女,博士,讲师。2016年毕业于华中科技大学控制科学与工程专业,获工学博士学位。主要研究方向为复杂系统故障预测与健康管理、网络化控制系统的故障诊断。作为主要参与者,参加国家自然科学基金重点项目1项和国家自然科学基金面上项目2项。在Reliability Engineering & System Safety(IF:3.153)International Journal of Robust and Nonlinear Control(IF:3.393)Asian Control Conference等学术期刊和国际会议上发表SCI/EI收录论文10余篇,并受邀担任Reliability Engineering & System SafetyNeurocomputing等多个国际期刊审稿人。【研究生导师链接】


  陈志环,男,博士,副教授,湖北省楚天学子,全国“香江学者计划”入选者。2017年毕业于华中科技大学,获系统分析与集成专业博士学位。2015年10月至2016年10月期间获国家留学基金委资助公派留学西澳大利亚大学。近期主要研究方向:分数阶微积分、观测器设计和控制器设计、复杂网络理论和区间多目标优化等。近五年以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文14篇,其中中科院一区论文3篇,中科院二区论文6篇,IEEE Trans系列(长文) 2篇,1篇论文入选ESI工程领域前1%高被引论文, 参与国家级科研课题3项,电网企业横向项目5项,主持国家自然科学基金1项、湖北省自然科学基金1项、博士后科学基金面上基金项目1项、三峡大学开放基金项目1项。【研究生导师链接】

 


  

 

  胡棉,女,博士,讲师。2020年毕业于华中科技大学控制科学与工程专业,获工学博士学位。主要研究方向为智能电网的能源管理与优化调度。近三年以第一作者在IEEE Transactions on Industrial ElectronicsEnergyInternational Journal of Electrical Power & Energy Systems国际期刊上发表SCI收录论文3篇,获授权中国发明专利3项,申请中国发明专利1项,参与国家自然科学基金重点项目1项、国家自然科学基金面上项目2项、湖北省自然科学基金杰青项目1项和国家电网公司总部科技项目1【研究生导师链接】



  朱振华,男,博士后。2021年毕业于华中科技大学控制科学与工程专业,获工学博士学位。 目前主要研究方向为奇异系统、多智能体系统、分布式估计。近三年以第一作者发表SCI/EI论文5篇,其中IEEE 汇刊论文2(长文)。作为主要参与者,参加国家自然科学基金重点项目1项和国家自然科学基金面上项目2项。





三、研究方向

1)变电站巡检机器人

    研究领域:传统的人工作业方式对变电站设施进行巡检具有危险性高、劳动强度大等问题。该研究方向以室外变电站为典型应用环境,研究和开发无人值守巡检机器人。机器人可以自动构建地图和自主导航,可实现自主检测、自动读表、异常报警等功能。所有巡检数据无线传输到控制室,在后台提供调阅和分析功能,极大地提高了巡检效率。

    研究内容:变电站巡检机器人的研究主要包括全向地面移动平台、双机械臂协调控制、基于多感知系统的巡检维护与遥操作等,其中以基于多感知系统的巡检维护与遥操作为主要研究内容。

1 变电站巡检机器人研究内容

变电站巡检机器人样机

   技术方法:

    1)变电站巡检机器人基于机器视觉和激光传感器进行自定位,实现自主导航。

    2)变电站巡检机器人可以自主识别仪表并进行读数,实时发现异常气味并对放射源定位、提取运行设备声音分析故障状况、实时获取测温点数据并对异常进行报警等。

    3)变电站巡检机器人借助双机械臂实现简单维护功能,具有手动遥操作和自主控制两种模式,如打开和关闭控制柜、打开和切断开关、清除简单路障等。

 

2)飞行机器人

    研究领域:近年来,以微型无人机为代表的飞行机器人因具有体积小、成本低、适应性强等特点而成为了国内外研究热点,并逐渐在军事、民用等诸多领域展现出巨大的应用潜力。目前本研究团队主要以旋翼无人机为对象,研究先进的控制理论和相关的应用问题,涉及无人机的导航、定位、规划、控制等方面。研究团队在此领域有十多年的积累,先后开发了多款飞行控制系统。

    研究内容飞行机器人的研究主要包括路径规划、动力学建模、控制器设计、位姿解算以及状态反馈等,其中以动力学建模、控制器设计以及状态反馈为主要研究内容。

图3 研究内容

   

图4 四旋翼无人机

     技术方法:

     1)以图4所示四旋翼无人机为例,根据牛顿运动定律和欧拉方程,可建立四旋翼无人机的动力学模型方程。

     2)根据环境特点和任务要求设计控制器。本团队曾开发的控制算法有PIDBackstepping、滑模控制、LQR、反馈线性化、模糊PID控制等。

     3)实际应用中传感器采集到的飞行状态信息存在噪声,需要状态信息进行滤波甚至补偿。本团队曾开发的滤波方法有互补滤波、梯度下降法、卡尔曼滤波等。


3)嗅觉机器人

    研究领域:现代感知技术的进步推动了机器人向立体空间发展和应用,该研究方向结合旋翼无人机、足式机器人等特种机器人,将机器人应用于当前国计民生重点关注的环境问题。针对三维大气环境,研制具有空中嗅觉的气体分布动态监测自主机器人系统;针对水域环境,研制搭载具有水质监测功能的电子舌无人机;针对小区域环境,研制具有嗅觉溯源功能的足式自主机器人系统。 

    气体监测:该研究方向借助多旋翼无人机,对三维空间的气体浓度分布进行动态构图,并探索气味源追溯方法。先分配待测空间区域,规划好旋翼机器人的飞行路径,然后根据传感器采集到的浓度进行子地图构建,进而将多个子地图融合成一幅完整地图,最后实现气味源定位。

         

(a)气体检测无人机            (b)气体浓度分布图

 图5 气体监测

   水域监测:该研究方向研制具备水质检测功能的电子舌传感器,重点对水域亚硝酸盐含量、氨氮含量、PH值、溶氧量等进行检测,借助多旋翼无人机,对江河、湖泊等水域环境的水质分布进行动态监测,并分析预测水域水质变化。

        

(a)水域监测无人机                    (b)电子舌传感器 

         图6 水域监测          

   足式嗅觉机器人:该研究方向借助六足机器人,对小区域环境的气味源进行搜索定位。探索六足机器人运动学及其控制算法,并集成各类气体传感器进行气味源自主搜索、路径规划、避障、定位研究等。

    

(a)六足机器人                      (b)气体寻源

图7 足式嗅觉机器人

4)空中-地面多机器人协作系统

    将空中无人机与地面移动机器人结合构成异构协作系统,可以充分发挥两类系统各自的优势。比如,微型无人机运动灵活、视野开阔,在搜索和监测目标方面具有不可取代的优势,但是无人机单次续航时间通常有限。地面机器人具有载荷多、航程大的特点,正好可以充当空中无人机的着陆平台和移动补给站,但是地面机器人只能在给定的道路网络中运动,其巡检范围和视角严重受限。因此,将这两类机器人集成在一起协同作业,可以取长补短、优势互补,可以大大拓展机器人系统的巡检能力。该方向主要研究这一类异构系统的协作路径规划、任务分配、资源调度等科学问题,研究成果在无人机快递、生物监测与保护、边境巡逻等领域具有广泛的应用前景。

   

图8 空中-地面多机器人协作系统

   

图9 UAV-UGV协作路径规划

 四、科研条件

      

图10  办公地点(武汉科技大学青山校区钢铁楼1201~12081304

图11 变电站巡检机器人实验室1201

图12 建筑物巡检机器人实验室1204


五、近几年主持科研项目

   (1)国家自然科学基金:面向空-地协作持续监测的多机器人路径规划研究(62173262),2022-2025

   (2)国家自然科学基金:共融环境中巡逻机器人协作模式及优化方法研究(62073250),2021-2024

   (3)国家自然科学基金:水轮发电机组网络的分数阶建模与同步控制研究(62003249),2021-2023

   (4)国家自然科学基金:面向大型储罐立体巡检的四旋翼无人机自主控制方法研究(61703314)2018-2020

   (5)国家自然科学基金:面向动态任务合作的空地异构多机器人自主规划研究(61573263), 2016-2019

   (6)国家自然科学基金:基于灵长目动物视觉认知原理的旋翼无人机自主规划方法研究(61203331), 2013-2015

   (7)国家自然科学基金:基于地形正演的全张量重力梯度水下辅助导航方法研究(61104191)2012-2014

   (8)国家自然科学基金:全区域覆盖可拓展模块化移动机械臂控制系统研究(61075087)2011-2013

   (9)国家自然科学基金:基于图论分析的多移动机器人有序化多模态群集运动控制(60705035)2008-2010

   (10)国家自然科学基金:低雷诺数气动特性与微机电系统控制的多学科优化设计研究(50675161)2007-2009

   (11)湖北省重点研发计划项目:热态熔融状态下锌渣识别研究与应用(2020BAB021)2020-2022

   (12)湖北省科技支撑计划(研发与示范类):变电站巡检维护一体化机器人系统研发(2015BAA018),2015-2017

   (13)湖北省科技计划自然科学基金重点项目:基于语音伺服的全区域覆盖轮式服务机器人(2010CDA005)2011-2012

   (14)湖北省自然科学基金:复杂闭环控制系统的故障诊断方法及在无人机中的应用(2018CFB375)2018-2019

   (15)中国博士后科学基金面上资助项目:水轮机调节系统的智能分数阶滑模控制(2018M632932),2018-2020

   (16)国家重点研发计划公共安全风险防控与应急技术装备专项,主动防控型警用机器人关键技术研究与应用示范项目,安保机器人关键技术研究课题,子课题人机协同的目标跟踪与主动防控技术”(2017YFC0806503-05),2017-2020



六、研究生培养


培养理念:全面提升研究生综合能力

培养目标:理论水平和技术能力达到或超过国内985高校毕业生水平


在读博士生:

祝彦成、孙艳琴、齐卉、姚政

在读硕士生:

    2021级(27人):王霄龙、周锐、钟树成、詹欣茹、仇玉宜、陶流俊、陈帆、孟彪、陈琳国、代啟亮、胡佳辉、王好友、汤戴维、谭超强、侯兵兵、李凤云、秦孝林、王文乐、戴雪刚、李胜昔、刘午虓、张锬、张得才、李长君、梁成龙、王祖傲、胡映

   2020级(25人):乔亚茹、陈广源、胡云龙、高霞、张思洁、蔡咏祥、谢子涵、高英南、钟嘉亮、宋立夫、曾庆学、李博文、陈新节、刘晨、夏丹、陈丽、李赢、马德进、于子豪、BEAVOGUI Mbemba、秦浩、秦汉、谢冉、钱康、吴菲

    2019级(19人):李嫚、刘汉东、董加顺、李想成、胥平、蔡志豪、谭曦悦、向红莲、徐智睿、郭世超、李力、舒逸飞、范晓甜、童枭军、李慧、张达、贺志壮、王培、李克波


七、优秀毕业生

表1 湖北省优秀硕士论文获得者

年份
论文题目
研究生姓名
研究生专业
2016
物联网模式下机器人室内复合定位系统研究
周明达控制理论与控制工程
2013
移动机械臂的运动控制与轨迹规划算法研究郑秀娟
控制理论与控制工程
2009
基于激光测距仪的同步定位与建图研究
赵  
控制理论与控制工程


表2 武汉科技大学校长奖章获得者

获奖年份
研究生姓名
研究生专业获奖比例
2019
梅壮
控制科学与工程
1/10


表3 国家奖学金获得者

获奖年份研究生姓名
研究生专业
学历层次
2020
刘家乐
控制工程硕士
2019
严雷
控制工程硕士
赵熙桐控制工程硕士
2018
张思伦
控制科学与工程硕士
彭锐控制科学与工程硕士
梅壮
控制科学与工程硕士
任诗文
控制科学与工程硕士
2017
刘友才
控制科学与工程硕士
龙文
控制工程硕士
2016
张德龙
电路与系统
硕士


表4 优秀毕业生

毕业年份
研究生姓名
研究生专业
获奖比例
2021
胡子峰控制工程3/13
李琳
控制工程
路浩控制工程
2020
刘钦控制科学与工程5/13
严雷
控制工程
姚栋控制工程
张巩控制工程
赵熙桐控制工程
2019
彭锐控制科学与工程3/10
梅壮
控制科学与工程
任诗文控制科学与工程
2018
代雅婷
控制科学与工程1/10




更新日期:2021年9月30日