CN109029423A - 变电站室内移动机器人导航定位系统及其导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站室内移动机器人导航定位系统，包括CPU、电源和时钟模块、摄像头以及激光测距仪，所述CPU包括图像获取单元、图像匹配分析单元、距离测量单元、空间位置计算单元以及运动控制单元，所述CPU设置有内部视频数据缓冲区。本发明还公开了一种变电站室内移动机器人导航定位方法，利用上述的变电站室内移动机器人导航定位系统进行变电站室内移动机器人的导航定位,可以用于在机器人自动巡检作业中快速、准确地获取当前位置、行走路径，辅助机器人及时到达预定的作业位置，具有实施简便、定位精度高、稳定可靠的特点，适应环境的能力强。

Description

变电站室内移动机器人导航定位系统及其导航定位方法

技术领域

本发明涉及一种变电站室内移动机器人导航定位系统及其导航定位方法。

背景技术

在室内环境无法使用卫星定位时，使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题，最终定位物体当前所处的位置，在变电站自动巡检作业过程中是一个非常重要的问题。

室内定位方案除了以移动通信网络的蜂窝定位技术外，常见的室内无线定位技术还有Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波。常见的室内无线定位技术通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

蓝牙通信是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备。这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息，定位精度不高，对于复杂的变电站空间环境，蓝牙定位系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。

红外线室内定位技术是通过安装在室内的光学传感器，接收各移动设备发射调制的红外射线进行定位，具有相对较高的室内定位精度。但是，由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播，容易受其他灯光干扰。

此外，超宽带定位技术、RFID定位技术、ZigBee技术、超声波技术等也有各自非常显著的缺点，不适合应用于变电站复杂的结构和电磁环境。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种变电站室内移动机器人导航定位系统，在常规机器人配置的摄像机基础上增加一个低成本的激光测距仪即可实现变电站室内定位，相比现有的各种定位系统具有实施简便、定位精度高、稳定可靠的特点。

本发明的另外一个目的是提供一种变电站室内移动机器人导航定位方法，利用上述的变电站室内移动机器人导航定位系统进行变电站室内移动机器人的导航定位，具有实施简便、定位精度高、稳定可靠的特点。

实现上述目的技术方案是：一种变电站室内移动机器人导航定位系统，包括CPU(Central Processing Unit,中央处理器)、电源和时钟模块、摄像头以及激光测距仪，所述CPU包括图像获取单元、图像匹配分析单元、距离测量单元、空间位置计算单元以及运动控制单元，所述CPU设置有内部视频数据缓冲区，其中：

所述电源和时钟模块为所述CPU、摄像头以及激光测距仪供电；

所述摄像头与所述CPU连接，并与所述图像获取单元通信；

所述激光测距仪与所述CPU连接，并与所述距离测量单元通信；

所述图像获取单元与所述图像匹配分析单元相连；

所述图像匹配分析单元和所述距离测量单元分别与所述空间位置计算单元相连；

所述空间位置计算单元与所述运动控制单元相连。

上述的变电站室内移动机器人导航定位系统，其中，所述CPU采用低功耗的ARM系列芯片STM32F4XX单片机为核心，并扩展RAM(random access memory，随机存储器)作为内部视频数据缓冲区存储信号处理过程的中间数据；

所述摄像头采用数字图像传感器，所述摄像头通过兼容IIC接口与所述CPU连接。

一种变电站室内移动机器人导航定位方法，利用上述的变电站室内移动机器人导航定位系统进行变电站室内移动机器人的导航定位，包括以下步骤：

S1，所述图像获取单元周期性地从所述摄像头获取视频数据流，并将视频数据流转换为视频图像存储在所述内部视频数据缓冲区；

S2，所述图像匹配分析单元从所述内部视频数据缓冲区获取视频图像，并对视频图像中的图片数据进行分析和处理，从实时图片中获取专用的视觉定位标志，确定一个或多个视觉定位标志在视觉空间中的位置，并提取标志中图形标识；通过图形标识的内容和视觉定位标志在视觉空间中的相对位置，初步推算出机器人在变电站室内的位置，并且所述图像匹配分析单元将机器人在变电站室内的初步推算位置传输给所述空间位置计算单元；

S3，所述距离测量单元，通过所述激光传感器实时测量机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离，并且所述距离测量单元将机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离传输给所述空间位置计算单元；

S4，所述空间位置计算单元，综合所述图像匹配分析单元计算得到的机器人在变电站室内的初步推算位置和所述距离测量单元测量得到的机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离，精确计算出实际的机器人位置，并将机器人的实际位置发送给所述运动控制单元；

S5，所述运动控制单元根据作业任务所要求的作业位置和当前机器人的实际位置，计算出实际位置与作业任务所要求位置之间的偏差，并根据偏差的大小和方向向机器人运动控制系统发出运动控制指令，逐步缩小误差并最终达到目标的巡检作业位置。

上述的变电站室内移动机器人导航定位方法，所述步骤S1中，所述图像获取单元通过DCMI接口周期性地从所述摄像头获取视频数据，并将一帧完整的视频数据转换为视频图像存储在所述内部视频数据缓冲区。

上述的变电站室内移动机器人导航定位方法，所述步骤S2中，所述图形标识采用二维码或带颜色的九宫格。

本发明的变电站室内移动机器人导航定位系统及其导航定位方法，综合采用图像分析、激光测距实现机器人在变电站室内的精确定位，主要目的在于通过精确计算确定机器人的巡检作业位置，在正确的作业位置上开展巡检作业任务，可以用于在机器人自动巡检作业中快速、准确地获取当前位置、行走路径，辅助机器人及时到达预定的作业位置，具有实施简便、定位精度高、稳定可靠的特点，适应环境的能力强。

附图说明

图1为变电站室内移动机器人导航定位系统的结构框图；

图2为CPU的软件框图；

图3为变电站室内定位空间视觉标志物中的图形标识的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1和图2，本发明的实施例，一种变电站室内移动机器人导航定位系统，包括CPU 1、电源和时钟模块2、摄像头3以及激光测距仪4，CPU 1包括图像获取单元11、图像匹配分析单元12、距离测量单元13、空间位置计算单14以及运动控制单元15，CPU设置有内部视频数据缓冲区，CPU 1采用低功耗的ARM系列芯片STM32F4XX单片机为核心，并扩展RAM作为内部视频数据缓冲区存储信号处理过程的中间数据，CPU 1用于实现定位系统全部的运算处理和数据采集任务。摄像头3采用OV7670数字图像传感器，摄像头3通过兼容IIC接口与CPU 1连接。

电源和时钟模块2为CPU 1、摄像头3以及激光测距仪4供电；电源和时钟模块2将机器人平台提供的电池电压(24V)转换为摄像头3、激光测距仪4和CPU 1工作所需的电源。摄像头3与CPU 1连接，并与图像获取单元11通信；激光测距仪4与CPU 11连接，并与距离测量单元13通信；图像获取单元11与图像匹配分析单元12相连；图像匹配分析单元12和距离测量单元13分别与空间位置计算单元14相连；空间位置计算单元14与运动控制单元15相连。

图像数据经过CPU 1中的图像处理程序与特定的图像特征(预先定义的专用标志)匹配，并通过视觉原理计算出相对于预先定义的专用标志的位置，由于预先定义在空间位置是预先标定的，所以也可以据此计算出机器人在全局空间坐标系中的位置。激光测距仪5主要测量机器人与其运动方向正前方物体之间的距离，激光测距仪精度高，可以实现纵向的精确定位。

一种变电站室内移动机器人导航定位方法，利用上述的变电站室内移动机器人导航定位系统进行变电站室内移动机器人的导航定位，包括以下步骤：

S1，图像获取单元11周期性地从摄像头3获取视频数据流，并将视频数据流转换为视频图像存储在内部视频数据缓冲区RAM；具体地，图像获取单元11通过DCMI接口周期性地从摄像头3获取视频数据，并将一帧完整的视频数据转换为视频图像存储在内部视频数据缓冲区RAM；

S2，图像匹配分析单元12从内部视频数据缓冲区RAM获取视频图像，并对视频图像中的图片数据进行分析和处理，从实时图片中获取专用的视觉定位标志，确定一个或多个视觉定位标志在视觉空间中的位置，并提取标志中图形标识；通过图形标识的内容和视觉定位标志在视觉空间中的相对位置，初步推算出机器人在变电站室内的位置，并且图像匹配分析单元12将机器人在变电站室内的初步推算位置传输给空间位置计算单元14；图形标识可以通过任意方便识别的方式设计，如采用二维码或带颜色的九宫格，请参阅图3，带颜色的九宫格，标志物大小适宜、便于识别、组合种类较多；

S3，距离测量单元13，通过激光传感器4实时测量机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离，并且距离测量单元13将机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离传输给空间位置计算单元14；

S4，空间位置计算单元14，综合图像匹配分析单元12计算得到的机器人在变电站室内的初步推算位置和距离测量单元13测量得到的机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离，精确计算出实际的机器人位置，并将机器人的实际位置发送给运动控制单元15；

S5，运动控制单元15根据作业任务所要求的作业位置和当前机器人的实际位置，计算出实际位置与作业任务所要求位置之间的偏差，并根据偏差的大小和方向向机器人运动控制系统发出运动控制指令，逐步缩小误差并最终达到目标的巡检作业位置。

综上所述，本发明的变电站室内移动机器人导航定位系统及其导航定位方法，综合采用图像分析、激光测距实现机器人在变电站室内的精确定位，主要目的在于通过精确计算确定机器人的巡检作业位置，在正确的作业位置上开展巡检作业任务，用于在机器人自动巡检作业中快速、准确地获取当前位置、行走路径，辅助机器人及时到达预定的作业位置，具有实施简便、定位精度高、稳定可靠的特点。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.变电站室内移动机器人导航定位系统，其特征在于，包括CPU、电源和时钟模块、摄像头以及激光测距仪，所述CPU包括图像获取单元、图像匹配分析单元、距离测量单元、空间位置计算单元以及运动控制单元，所述CPU设置有内部视频数据缓冲区，其中：

所述电源和时钟模块为所述CPU、摄像头以及激光测距仪供电；

所述摄像头与所述CPU连接，并与所述图像获取单元通信；

所述激光测距仪与所述CPU连接，并与所述距离测量单元通信；

所述图像获取单元与所述图像匹配分析单元相连；

所述图像匹配分析单元和所述距离测量单元分别与所述空间位置计算单元相连；

所述空间位置计算单元与所述运动控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的变电站室内移动机器人导航定位系统，其特征在于，所述CPU采用低功耗的ARM系列芯片STM32F4XX单片机为核心，并扩展RAM作为内部视频数据缓冲区存储信号处理过程的中间数据；

所述摄像头采用数字图像传感器，所述摄像头通过兼容IIC接口与所述CPU连接。

3.变电站室内移动机器人导航定位方法，利用权利要求1或2所述的变电站室内移动机器人导航定位系统进行变电站室内移动机器人的导航定位，其特征在于，包括以下步骤：

S1，所述图像获取单元周期性地从所述摄像头获取视频数据流，并将视频数据流转换为视频图像存储在所述内部视频数据缓冲区；

S2，所述图像匹配分析单元从所述内部视频数据缓冲区获取视频图像，并对视频图像中的图片数据进行分析和处理，从实时图片中获取专用的视觉定位标志，确定一个或多个视觉定位标志在视觉空间中的位置，并提取标志中图形标识；通过图形标识的内容和视觉定位标志在视觉空间中的相对位置，初步推算出机器人在变电站室内的位置，并且所述图像匹配分析单元将机器人在变电站室内的初步推算位置传输给所述空间位置计算单元；

S3，所述距离测量单元，通过所述激光传感器实时测量机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离，并且所述距离测量单元将机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离传输给所述空间位置计算单元；

S4，所述空间位置计算单元，综合所述图像匹配分析单元计算得到的机器人在变电站室内的初步推算位置和所述距离测量单元测量得到的机器人到其运动方向的正前方物体之间的距离，精确计算出实际的机器人位置，并将机器人的实际位置发送给所述运动控制单元；

S5，所述运动控制单元根据作业任务所要求的作业位置和当前机器人的实际位置，计算出实际位置与作业任务所要求位置之间的偏差，并根据偏差的大小和方向向机器人运动控制系统发出运动控制指令，逐步缩小误差并最终达到目标的巡检作业位置。

4.根据权利要求3所述的变电站室内移动机器人导航定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述图像获取单元通过DCMI接口周期性地从所述摄像头获取视频数据，并将一帧完整的视频数据转换为视频图像存储在所述内部视频数据缓冲区。

5.根据权利要求3所述的变电站室内移动机器人导航定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述图形标识采用二维码或带颜色的九宫格。