CN104858168B - 基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统及方法，包括网络摄像机及在线式激光测距仪，工业控制计算机接收网络摄像机及在线式激光测距仪采集的信号；在线式激光测距仪在观测设备上方打上红色光斑，该红色斑点位置即为水冲洗的位置，网络摄像机采集现场图像，利用颜色识别算法，对红色斑点自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息，进而确定水枪打击位置，将得到的水枪打击位置信息反馈给机器人控制器，控制机器人运动，控制水枪打击位置位于指定的位置。通过机器视觉相关算法实现对带电水冲洗系统的视觉引导控制，有效提高了机器人的自主化程度，并对机器人冲洗效率的提升有较大的作用。
Description
技术领域
本发明涉及变电站自动化控制领域，具体涉及基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统及方法。
背景技术
变电站绝缘子由于置身户外，当前由于环境治理尚不完善等原因，弥漫于空气中的工业污秽和自然污秽易沉积在绝缘子表面形成污秽层。这些含有盐、酸、碱性成分的污秽遇到雾和阴雨等潮湿气候条件下，绝缘子表面的污秽层被湿润，电导增大，绝缘性能下降，泄漏电流急剧增加，其闪络电压大大降低，此时就可能发生污秽闪络，这将严重影响电网系统的稳定运行。因此，定期对室外变电站内的绝缘子的除污工作是十分重要的。
带电水冲洗工作作为电气设备有效防止污闪事故的措施之一被普遍采用。目前，变电站带电水冲洗作业大都采用人工方式，操作人员需工作在高压带电设备附近，手持设备对设备进行冲洗，作业环境相对危险，且工作量很大，严重影响了水冲洗作业的效率。为解决上述问题，国内外许多机构都对此进行了深入的研究，主要的研究成果包括：
1、国家知识产权局于2013年12月25日授权的专利号为201010617220.0名称为“带电水冲洗双水柱激射冲洗方法及装置”的专利中提出了一种带电水冲洗双水柱激射冲洗方法及装置，该发明采用成一定角度安装的双枪，利用由于相互的挤压，由束状转化为辐射状的水流对需要清洗的带电设备进行清洗，能够防止产生死角及死区,并能够控制冲击力,防止对带电设备的损害,减小溅射长度及区域；使用电力、液压动力驱动元件可实现自动化控制,保障作业精确度,提高了作业的安全性。
2、国家知识产权局于2012年10月10日授权的专利号为201220084719.4名称为“变电站带电水冲洗水射流智能化控制装置”的专利中提供一种变电站带电水冲洗水射流智能化控制装置，该装置包括：PLC控制单元、触摸屏人机操作界面、宽输入直流稳压电源单元、多路电磁阀单元、开关状态检测单元、信号检测传感器单元；所述宽输入直流稳压电源单元还与所述PLC控制单元、触摸屏人机操作界面、多路电磁阀单元、开关状态检测单元、信号检测传感器单元分别相连接，所述PLC控制单元还与所述触摸屏人机操作界面、多路电磁阀单元、开关状态检测单元、信号检测传感器单元分别相连接。通过本实用新型提供的装置能够对变电站带电水冲洗车进行准确而高效的控制。
上述研究都取得了一定程度上的有益效果，但仍存在如下问题：
1、在水冲洗过程中，由于作业端的作业高度较高(大概为7-8米)，单凭操作人员的肉眼很难观测到当前机器人要冲洗哪个设备及要冲洗设备的冲洗位置等信息，这就严重制约了系统的实用性。
2、上述水冲洗装置或系统，虽然引入了一定程度的自动化装置，但水冲洗作业仍然需要操作人员的全程操作，其智能化水平较低，无法满足水冲洗作业的智能化要求。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统及方法，通过引入视觉监控系统，将作业端的实时图像传输到地面，方便操作人员及时了解将要冲洗设备和冲洗的位置，并通过机器视觉监控系统实现机器人水冲洗的视觉引导控制，实现变电站水冲洗作业的智能化和自主化。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统，包括：网络摄像机及在线式激光测距仪，工业控制计算机接收网络摄像机及在线式激光测距仪采集的信号；
所述在线式激光测距仪安装在喷水机构的水枪的后部上方，安装方向与水枪方向一致，在线式激光测距仪在观测设备上方打上红色光斑，该红色斑点位置即为水冲洗的位置，所述网络摄像机采集现场图像，利用颜色识别算法，对红色斑点自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息，进而确定水枪打击位置，将得到的水枪打击位置信息反馈给机器人控制器，控制机器人运动，控制水枪打击位置位于指定的位置，从而实现变电站水冲洗机器人的视觉伺服控制。
所述网络摄像机通过无线路由器及无线网卡与工业控制计算机通讯，所述在线式激光测距仪通过无线收发射装置与工业控制计算机通讯。
所述网络摄像机固定安装在喷水机构后上方，向工业控制计算机传送作业端的实时图像信息。
所述无线收发射装置采用ZIGBEE通讯协议，其中发送端通过串口与在线式激光测距仪连接，接收端通过串口与工业控制计算机连接，通过所述无线收发装置实现对激光在线式激光测距仪获取的距离信息的采集。
所述无线网卡通过USB总线与工业控制计算机连接，其通过无线路由器实现网络摄像机与工业控制计算机的无线网络连接。
所述喷水机构包括水枪及水枪的安装平台，该安装平台具有两个自由度，能够水平和垂直转动，水枪通过绝缘水管与制水设备连接。
所述颜色识别算法即将网络摄像机采集的视频图像由RGB空间转换到HSV空间，在色彩H空间中利用阈值分割算法即可实现对红色斑点的自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息。
基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统的方法，包括：
1)首先在工业计算机中显示的图像中指定目标冲洗点的坐标(DstX,DstY)，DstX、DstY分别为图像中横坐标和纵坐标，单位为像素；
2)利用颜色识别算法实现红色斑点的识别定位，设其坐标为(SrcX,SrcY)，SrcX、SrcY分别为图像中横坐标和纵坐标，单位为像素；
3)计算目标冲洗点与红色斑点的坐标间的坐标偏差(DX,DY)其计算公式如下：
DX＝DstX-SrcX，DY＝DstY-SrcY；
4)横向调整，对DX的值进行判断，若DX的绝对值小于给定阈值T，则停止喷水机构横向运动，若DX大于T则控制喷水机构向右运动，若DX小于-T则控制喷水机构向左运动；
5)纵向调整，对DY的值进行判断，若DY的绝对值小于给定阈值T，则停止喷水机构纵向运动，若DY大于T则控制喷水机构向下运动，若DY小于-T则控制喷水机构向上运动；
6)对(DX，DY)的值进行判断，若DX和DY的绝对值都小于给定阈值T则跳转到步骤(7)，否则跳转到步骤(3)；
7)控制过程结束。
工作原理：在在线式激光测距仪安装在喷枪的后部，安装方向与水枪方向一致，其会在观测设备上方打上红色光斑，由于水冲洗作业时，水压较大，水枪喷射水柱近似为直线，故该红色斑点位置即为水冲洗的位置。所述网络摄像机采集现场图像，利用颜色识别算法，对红色斑点的自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息，进而可确定水枪打击位置。将通过图像分析得到的水枪打击位置信息反馈给机器人控制器，控制机器人运动，控制水枪打击位置位于人工指定的位置，从而实现变电站水冲洗机器人的视觉伺服控制。
在线式激光测距仪通过无线发射与接收装置与工业控制计算机连接，并向工业控制计算机实时传送水冲洗机器人喷水机构与被冲洗设备间的作业距离信息。测距仪，测量时会在观测设备上方打上红色光斑，操作人员通过观察网络摄像机回传的视频信息中的红色光斑信息就可判断出此时将要冲洗的设备及冲洗位置。这样，地面操控人员可以直观的对冲洗的过程进行视频的监视。
变电站水冲洗机器人视觉瞄准系统不仅可以实现对作业过程的视频监控，而且可以通过机器视觉监测系统实现对变电站水冲洗机器人系统的视觉引导控制。
本发明的有益效果：
1、本发明利用网络摄像机采集现场图像，对红色斑点的自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息，进而可确定水枪打击位置。高压带电水冲洗机器人视觉监控系统通过摄像机向地面操作人员提供操作端作业画面，操作人员能够观测到当前机器人要冲洗哪个设备及要冲洗设备的冲洗位置等信息，有效提高冲洗作业的准确性。
2、本发明的在在线式激光测距仪通过无线发射与接收装置与工业控制计算机连接，并向工业控制计算机实时传送水冲洗机器人喷水机构与被冲洗设备间的作业距离信息，通过机器视觉相关算法实现对带电水冲洗系统的视觉引导控制，有效提高了机器人的自主化程度，并对机器人冲洗效率的提升有较大的作用。
附图说明
图1为基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统组成；
图2为变电扎水冲洗机器人视觉伺服系统原理图；
其中，1.在线式激光测距仪，2.无线收发装置，3.网络摄像机，4.无线路由器，5.无线网卡，6.喷水机构，7.机器人控制器，8.工业控制计算机。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
变电站水冲洗机器人系统包括机器人本体、制水设备及压力装置等组成，机器人本体由履带式液压驱动移动平台、三节可伸缩的升降臂及工作平台三部分组成，其中所述升降臂安装在所述履带式液压驱动移动平台之上，工作平台安装在所述升降臂的末端，该机器人系统通过机器人控制器实现机器人控制操作。
如图1所示，基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统由在线式激光测距仪1、无线收发射装置2、网络摄像机3、无线路由器4、无线网卡5、机器人喷水机构6、机器人控制器7和工业控制计算机8等组成。
网络摄像机3固定安装在喷水机构6后上方，其通过无线路由器4和无线网卡5实现与工业控制计算机8的通讯，并向工业控制计算机8传送作业端的实时图像信息。
无线收发射装置2采用ZIGBEE通讯协议，其中发送端通过串口与激光在线式激光测距仪1连接，接收端通过串口与工业控制计算机8连接，通过所述无线收发装置2实现对激光在线式激光测距仪1获取的距离信息的采集。
无线网卡5通过USB总线与工业控制计算机8连接，其通过无线路由器4实现网络摄像机3与工业控制计算机8的无线网络连接。
喷水机构6包括水枪及水枪的安装平台，该平台具有两个自由度，可以水平和垂直转动，水枪通过绝缘水管与制水设备连接。
在线式激光测距仪1安装在喷水机构6的后部，安装方向与喷水机构方向一致，其通过无线收发装置2与工业控制计算机8连接，并向工业控制计算机8实时传送水冲洗机器人喷水机构6与被冲洗设备间的作业距离信息。
在线式激光测距仪1测量时会在观测设备上方打上红色光斑，操作人员通过观察网络摄像机回传的视频信息中的红色光斑信息就可判断出此时将要冲洗的设备及冲洗位置。这样，地面操控人员可以直观的对冲洗的过程进行视频的监视。
基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统不仅可以实现对作业过程的视频监控，而且可以通过机器视觉相关算法实现对变电站水冲洗机器人系统的视觉引导控制。
在本系统中，所述激光在线式激光测距仪安装在喷枪的后部，安装方向与水枪方向一致，其会在观测设备上方打上红色光斑，由于水冲洗作业时，水压较大，水枪喷射水柱近似为直线，故该红色斑点位置即为水冲洗的位置。所述网络摄像机采集现场图像，利用颜色识别算法，对红色斑点的自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息，进而可确定水枪打击位置。
如图2所示，摄像机采集现场图像，通过图像处理模块的颜色识别等算法，分析得到的水枪打击位置信息反馈给机器人控制器，控制机器人运动，控制水枪打击位置位于人工指定的位置，从而实现变电站水冲洗机器人的视觉伺服控制。
颜色识别算法即将网络相机采集的视频图像由RGB空间转换到HSV空间，在色彩H空间中利用阈值分割算法即可实现对红色斑点的自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息。
变电站水冲洗机器人的视觉伺服控制，其控制过程如下：
1)首先在图像中人工指定目标冲洗点的坐标(DstX,DstY)，DstX、DstY分别为图像中横坐标和纵坐标，单位为像素；
2)利用所述颜色识别算法实现红色斑点的识别定位，设其坐标为(SrcX,SrcY)，SrcX、SrcY分别为图像中横坐标和纵坐标，单位为像素；
3)计算目标点与红色斑点的坐标间的坐标偏差(DX,DY)其计算公式如下：
DX＝DstX-SrcX，DY＝DstY-SrcY；
4)横向调整，对DX的值进行判断，若DX的绝对值小于给定阈值T，则停止喷水机构横向运动，若DX大于T则控制喷水机构向右运动，若DX小于-T则控制喷水机构向左运动，在此T取值为5；
5)纵向调整，对DY的值进行判断，若DY的绝对值小于给定阈值T，则停止喷水机构纵向运动，若DY大于T则控制喷水机构向下运动，若DY小于-T则控制喷水机构向上运动，在此T取值为5；
6)对(DX，DY)的值进行判断，若DX和DY的绝对值都小于给定阈值T则跳转到(7)，否则跳转到(3)；
7)控制过程结束。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统的方法，所述基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统，包括：网络摄像机及在线式激光测距仪，工业控制计算机接收网络摄像机及在线式激光测距仪采集的信号；
所述网络摄像机通过无线路由器及无线网卡与工业控制计算机通讯，所述在线式激光测距仪通过无线收发射装置与工业控制计算机通讯；
所述无线收发射装置采用ZIGBEE通讯协议，其中发送端通过串口与在线式激光测距仪连接，接收端通过串口与工业控制计算机连接，通过所述无线收发装置实现对激光在线式激光测距仪获取的距离信息的采集；
所述在线式激光测距仪安装在喷水机构的水枪的后部上方，安装方向与水枪方向一致，在线式激光测距仪在观测设备上方打上红色光斑，该红色斑点位置即为水冲洗的位置，所述网络摄像机采集现场图像，利用颜色识别算法，对红色斑点自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息，进而确定水枪打击位置，将得到的水枪打击位置信息反馈给机器人控制器，控制机器人运动，控制水枪打击位置位于指定的位置，从而实现变电站水冲洗机器人的视觉伺服控制；
所述颜色识别算法即将网络摄像机采集的视频图像由RGB空间转换到HSV空间，在色彩H空间中利用阈值分割算法即可实现对红色斑点的自动识别，从而得到红色斑点在图像空间中的坐标信息；
其特征是，包括：
1)首先在图像中指定目标冲洗点的坐标(DstX,DstY)，DstX、DstY分别为图像中横坐标和纵坐标，单位为像素；
2)利用颜色识别算法实现红色斑点的识别定位，设其坐标为(SrcX,SrcY)，SrcX、SrcY分别为图像中横坐标和纵坐标，单位为像素；
3)计算目标冲洗点与红色斑点的坐标间的坐标偏差(DX,DY)其计算公式如下：
DX＝DstX-SrcX，DY＝DstY-SrcY；
4)横向调整，对DX的值进行判断，若DX的绝对值小于给定阈值T，则停止喷水机构横向运动，若DX大于T则控制喷水机构向右运动，若DX小于-T则控制喷水机构向左运动；
5)纵向调整，对DY的值进行判断，若DY的绝对值小于给定阈值T，则停止喷水机构纵向运动，若DY大于T则控制喷水机构向下运动，若DY小于-T则控制喷水机构向上运动；
6)对(DX，DY)的值进行判断，若DX和DY的绝对值都小于给定阈值T则跳转到步骤(7)，否则跳转到步骤(3)；
7)控制过程结束。
2.如权利要求1所述的基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统的方法，其特征是，所述网络摄像机固定安装在喷水机构后上方，向工业控制计算机传送作业端的实时图像信息。
3.如权利要求1所述的基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统的方法，其特征是，所述无线网卡通过USB总线与工业控制计算机连接，其通过无线路由器实现网络摄像机与工业控制计算机的无线网络连接。
4.如权利要求1所述的基于激光测距及图像识别的水冲洗机器人瞄准系统的方法，其特征是，所述喷水机构包括水枪及水枪的安装平台，该安装平台具有两个自由度，能够水平和垂直转动，水枪通过绝缘水管与制水设备连接。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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