CN110026978A - 一种电力巡检机器人的控制系统及工作方法 - Google Patents

一种电力巡检机器人的控制系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力巡检机器人的控制系统,包括无线通信单元、中央处理单元、信息处理单元、驱动单元、温控单元以及供电单元;机器人中的三维激光雷达在机器人行进中采集点云数据,信息处理单元接收点云数据,并结合机器人中的IMU的加速度信息、IMU的角速度信息以及机器人的轮中编码器采集的里程信息,建立立体地图并对机器人进行定位,将立体地图发送至无线通信单元,中央处理单元根据毫米波雷达采集的临时障碍物信息发送驱动指令至驱动单元,驱动单元驱动控制机器人规避障碍物。该电力巡检机器人的控制系统能够建立立体地图以及驱动机器人规避障碍物,减少人力,提高巡检效率。

Description

一种电力巡检机器人的控制系统及工作方法
技术领域
本发明属于电力自动检测领域,尤其涉及一种电力巡检机器人的控制系统及工作方法。
背景技术
电力系统的室外大型高压电站、高压传输线路等区域,存在需巡检地方大,设备危险,强电磁波对人体有损伤,以及烈日、温度、天气等恶劣环境问题。人工巡检辛苦,而且人工巡检存在效率低、主观因素多等问题。
为应对上述问题,目前已有科研单位开发出巡检机器人来替代人工执行巡检任务。当前较为先进的电力巡检机器人控制系统一般建立平面地图,采用四轮系统进行驱动,但为避免雨水倒灌等问题,配电房、监控室、充电点、机器人存放库等巡检机器人需进出的房间前,一般会设计门槛或台阶。现有的巡检机器人无法识别和攀爬门槛、台阶等障碍物。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电力巡检机器人的控制系统及工作方法,该电力巡检机器人的控制系统能够建立立体地图以及驱动机器人规避障碍物,减少人力,提高巡检效率。
为解决上述问题,本发明的技术方案为:
一种电力巡检机器人的控制系统,包括无线通信单元、中央处理单元、信息处理单元、驱动单元、温控单元以及供电单元;
所述中央处理单元响应于所述无线通信单元发送的巡检指令,控制所述机器人进行电力巡检;
所述机器人中的三维激光雷达在所述机器人行进中采集点云数据,所述信息处理单元接收所述点云数据,并结合所述机器人中的IMU的加速度信息、IMU的角速度信息以及所述机器人的轮中编码器采集的里程信息,建立立体地图并对所述机器人进行实时定位,将所述立体地图发送至所述无线通信单元;
所述信息处理单元接收所述机器人中的毫米波雷达采集的所述巡检场地的临时障碍物信息,将采集后的临时障碍物信息发送至所述中央处理单元;
所述中央处理单元根据所述临时障碍物信息发送驱动指令至所述驱动单元,所述驱动单元驱动控制所述机器人规避所述临时障碍物;
所述温控单元接收所述机器人中的测温元件采集的所述机器人的温度信息,调节所述机器人的温度;
所述供电单元用以对所述机器人进行供电;
其中,所述临时障碍物为所述机器人行进路线中临时出现的障碍物。
根据本发明提供的实施例,所述信息处理单元还接收所述机器人中的可见光摄像机采集的停泊点中预先设置的目标标识信息,对所述机器人进行精确定位。
根据本发明提供的实施例,所述驱动单元包括轮驱动模块、转向模块以及云台模块;
所述轮驱动模块用以驱动控制所述机器人中的摇臂式轮电机进行翻越所述障碍物;
所述转向模块用以驱动控制所述机器人进行转向;
所述云台模块用以对所述可见光摄像机进行视角控制。
一种电力巡检机器人的工作方法,包括如下步骤:
S1:进行系统自检,所述系统自检包括对控制系统自检、所述机器人的硬件自检、所述机器人温度自检以及所述机器人的电量自检;
S2:中央处理单元接收巡检任务,控制所述机器人进行巡检工作;
S3:信息处理单元对所述机器人采集的巡检场地的场地信息,所述信息处理单元接收三维激光雷达采集的点云数据,根据所述点云数据与原有地图数据进行匹配,若匹配不成功,则进入步骤S4,若匹配成功,则进入步骤S5;
S4:所述中央处理单元控制所述机器人遍历所述巡检场地,所述信息处理单元重新建立三维地图,设置停泊点,并采集所述停泊点处所述机器人的位置、姿态信息并发送至外部控制终端,进入步骤S5,其中,所述停泊点包括巡检点、充电点、避障点以及终点;
S5:所述中央处理单元根据所述停泊点处所述机器人的位置、姿态信息进行路径规划,并将所述路径规划发送至所述控制终端;
S6:判断是否为最后一个巡检点,若是,则巡检结束,若否,则进入步骤S7;
S7:所述中央处理单元对所述机器人所在的当前位置到下一个停泊点进行路径追踪解算,控制所述驱动单元对所述机器人中的电机做出相应的动作;
S8:所述机器人到达停泊点,所述信息处理单元分析当前所到达的下一停泊点类型,若下一停泊点为巡检点,则进入步骤S9,若下一停泊点为充电点,则进入步骤S10;
S9:所述信息处理单元进行目标识别以及红外检测,并返回步骤S6;
S10:对所述机器人进行充电,返回步骤S6。
根据本发明提供的实施例,所述步骤S9的具体过程为:
所述信息处理单元进行目标识别以及红外检测,若识别成功,则将所述下一停泊点设置为当前停泊点,返回步骤S6,若识别未成功,所述信息处理单元计算目标的相对位姿偏差,所述中央处理单元根据所述相对位姿偏差对所述下一停泊点进行位置、姿态修正,返回步骤S6。
根据本发明提供的实施例,所述步骤S10的具体过程为:
检测所述机器人中的充电接口是否连接成功,若所述充电接口连接成功,则等充电完成后,所述中央处理单元将所述下一停泊点设置为当前停泊点,返回步骤S6,若充电接口未连接成功,则所述信息处理单元接收所述机器人中的可见光摄像机采集所述停泊点中预先设置好的目标标识信息,并计算与所述目标标识的相对位置、姿态偏差,所述中央处理单元根据所述相对位置、姿态偏差对所述下一停泊点进行位置、姿态修正,返回步骤S6。
本发明由于采用以上技术方案,使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果:
1)本发明一实施例中的中央处理单元响应于无线通信单元发送的巡检指令,控制机器人进行电力巡检,机器人中的三维激光雷达在机器人行进中采集点云数据,信息处理单元接收点云数据,并结合机器人中的IMU的加速度信息、IMU的角速度信息以及机器人的轮中编码器采集的里程信息,建立立体地图并对机器人进行实时定位,将立体地图发送至无线通信单元,信息处理单元接收机器人中的毫米波雷达采集的机器人行进中的临时障碍物信息,将采集后的临时障碍物信息发送至中央处理单元,中央处理单元根据临时障碍物信息发送驱动指令至驱动单元,驱动单元驱动控制机器人规避障碍物,温控单元接收机器人中的测温元件采集的机器人的温度信息,调节机器人的温度,供电单元用以对机器人进行供电,其中,临时障碍物为机器人行进路线中临时出现的障碍物。该电力巡检机器人的控制系统能够对机器人采集的信息进行处理,建立立体地图以及对机器人进行实时定位,并驱动控制机器人规避障碍物,减少人力,提高巡检效率。
2)本发明一实施例中的三维激光雷达在机器人行进过程中采集点云数据,信息处理单元接收采集的点云数据,信息处理单元将采集的点云数据与已有地图数据进行匹配,并结合IMU的加速度信息、IMU的角速度信息对机器人巡检过程中进行实时定位。
3)本发明一实施例中的可见光摄像机可采集预先设置的目标标识信息,信息处理单元接收目标标识信息,计算与目标标识的相对位置、姿态关系,实现机器人本体在停泊点处的精确定位。
4)本发明一实施例中的摇臂式轮电机能够驱动机器人进行平移以及翻越障碍物,避免了机器人因无法攀爬障碍物而导致无法完成巡检任务。
附图说明
图1为本发明的一种电力巡检机器人的控制系统的结构原理图;
图2为本发明的一种电力巡检机器人的控制系统中各模块与算法的对应关系图;
图3为本发明的一种电力巡检机器人的工作方法的流程图;
图4为本发明一实施例的立体地图建立的流程图;
图5为本发明一实施例的巡检流程图。
附图标记说明:
1:中央处理单元;2:无线通信单元;3:信息处理单元;4:三维激光雷达;5:毫米波雷达;6:IMU;7:可见光摄像机;8:红外摄像机;9:驱动单元;10:轮驱动模块;11:转向模块;12:云台模块;13:摇臂式轮驱电机;14:转向电机;15:云台电机;16:温控单元;17:供电单元;18:充电接口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种电力巡检机器人的控制系统及工作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1
参看图1,一种电力巡检机器人的控制系统,包括无线通信单元2、中央处理单元1、信息处理单元3、驱动单元9、温控单元16以及供电单元17;中央处理单元1响应于无线通信单元2发送的巡检指令,控制机器人进行电力巡检,机器人中的三维激光雷达4在机器人行进中采集点云数据,信息处理单元3接收点云数据,并结合IMU6(Inertial MeasurementUnit惯性测量单元)的加速度信息、IMU6的角速度信息以及机器人的轮中编码器(图中未标出)采集的里程信息,建立立体地图并对机器人进行定位,将立体地图发送至无线通信单元2,信息处理单元3接收机器人中的毫米波雷达5采集的机器人行进中的临时障碍物信息,将采集后的临时障碍物信息发送至中央处理单元1,中央处理单元1根据临时障碍物信息发送驱动指令至驱动单元9,驱动单元9驱动控制机器人规避临时障碍物,温控单元16接收机器人中的测温元件(图中未标出)采集的机器人的温度信息,调节机器人的温度,供电单元17用以对机器人进行供电。优选地,本实施例中的三维激光雷达4的定位精度可达0.3m。
可以理解,本实施例中的三维激光雷达4在机器人行进过程中采集点云数据,信息处理单元3接收采集的点云数据,信息处理单元3将采集的点云数据与原有的地图数据进行匹配,并结合IMU6的加速度信息、IMU6的角速度信息对机器人巡检过程中进行实时定位。本实施例中的信息处理单元3根据三维激光雷达4采集的点云数据建立的立体地图,在机器人的行进路线上已经规避了障碍物信息,而在机器人巡检过程中会遇到许多突发情况,会突然出现障碍物,本实施例中的毫米波雷达5能够实时采集机器人行进路线上实时采集临时障碍物信息,实时发送给信息处理单元3,中央处理单元1接收信息处理单元3发送的临时障碍物信息,驱动控制机器人规避临时障碍物,使机器人能够顺利完成电力巡检。
优选地,本实施例中的中央处理单元1选用嵌入式工控机,当然,在其他实施例中,中央处理单元1选用其他能够控制机器人进行电力巡检的器件,都在本发明的保护范围内。优选地,无线通信单元2选用千兆WLAN(Wireless Local Area Networks无线局域网络),通过基于改进型TCP协议的无线网络与控制终端连接,接受控制终端发送的指令,也能向控制终端发送状态参数、地图、图像以及视频信号等信息。优选地,温控单元16采用嵌入式工控主板,对巡检机器人本体进行温度调节。
可以理解,本实施例中的中央处理单元1响应于无线通信单元2发送的巡检指令,控制机器人进行电力巡检,机器人中的三维激光雷达4在机器人行进中采集点云数据,信息处理单元3接收点云数据,并结合机器人中的IMU6的加速度信息、IMU6的角速度信息以及机器人的轮中编码器采集的里程信息,建立立体地图并对机器人进行实时定位,将立体地图发送至无线通信单元2,信息处理单元3接收机器人中的毫米波雷达5采集的机器人行进中的临时障碍物信息,将采集后的临时障碍物信息发送至中央处理单元1,中央处理单元1根据临时障碍物信息发送驱动指令至驱动单元9,驱动单元9驱动控制机器人规避临时障碍物,温控单元16接收机器人中的测温元件采集的机器人的温度信息,调节机器人的温度,供电单元17用以对机器人进行供电。该电力巡检机器人的控制系统能够对机器人采集的信息进行处理,建立立体地图,并驱动控制机器人规避障碍物,减少人力,提高巡检效率。
进一步地,信息处理单元3还接收机器人中的可见光摄像机7采集的停泊点中预先设置好的目标标识信息,能够实现机器人本体在停泊点处的精确定位,优选地,本实施例中的可见光摄像机7的定位精度可达50mm。
进一步地,驱动单元9包括轮驱动模块10、转向模块11以及云台模块12;轮驱动模块10用以驱动控制机器人中的摇臂式轮驱电机13进行翻越障碍物,摇臂式轮驱电机13驱动机器人进行平移以及翻越障碍物,避免了机器人因无法攀爬障碍物而导致无法完成巡检任务,转向模块11用以驱动控制机器人进行转向,巡检机器人上还设有红外摄像机8,红外摄像机8用以采集停泊点的红外图像信息,云台模块12用以对可见光摄像机7和红外相机进行视角控制。优选地,本实施例中的摇臂式轮驱电机13采用六轮摇臂式轮电机。
参看图2,图2为本发明的一种电力巡检机器人的控制系统中各模块与算法的对应关系图。中央处理单元1利用路径规划算法对机器人的巡检路径进行规划,中央处理单元1利用逆运动学算法对机器人进行驱动控制,中央处理单元1还利用累积偏差消除算法对各执行部件动作产生的累积偏差进行消除。驱动单元9利用伺服驱动算法对摇臂式轮驱电机13、转向电机14以及云台电机15进行驱动控制。信息处理单元3利用地图构建SLAM算法对采集的巡检场地的场地信息实时构建立体地图,在停泊点进行目标识别以及红外检测,在非停泊点进行实时的位置与姿态测量,并处理机器人的毫米波雷达5采集障碍物信息。
另外,该巡检机器人还包括电源管理模块(图中未标出)、供配电模块(图中未标出)、电池组(图中未标出);巡检机器人上设有充电接口18,充电接口18选用具有机械式二次精确导向功能的浮动断接接插件。电源管理模块与中央处理单元1连接,接收中央处理单元1发送的调整指令对机器人的供电情况进行调整。供配电模块与电源管理模块连接,接收电源管理模块发送的供电指令,对各受电设备进行加、断电控制。充电接口18与电源管理模块连接,为电池组完成自动充电。电池组与电源管理模块连接,为各受电设备提供能源。电池组与充电接口18连接,实现充电功能。能够防止机器人在巡检过程中因电量不足而导致无法完成巡检任务,提高巡检效率。
该巡检机器人包括测温元件、制冷元件(图中未标出)以及加热元件(图中未标出),测温元件选用热敏电阻,对巡检机器人本体的温度进行测量,制冷元件选用半导体制冷器,加热元件选用加热片。温控单元16根据测温元件测量到的机器人本体的温度,控制制冷元件以及加热元件对机器人本体进行制冷和加热控制。温控单元16能够响应中央处理单元1发送的调节指令,根据机器人自身的温度进行调节,能够保护机器人不因温度过高或过低而损坏。
实施例2
参看图3、图4以及图5,基于同一构思,本发明还提供了一种电力巡检机器人的工作方法,包括如下步骤:
S1:进行系统自检,系统自检包括对控制系统自检、机器人的硬件自检、机器人温度自检以及机器人的电量自检;
S2:中央处理单元1接收巡检任务,控制机器人进行巡检工作;
S3:信息处理单元3对机器人采集的巡检场地的场地信息,信息处理单元3接收三维激光雷达4采集的点云数据,根据点云数据与原有地图数据进行匹配,若匹配不成功,则进入步骤S4,若匹配成功,则进入步骤S5;
S4:中央处理单元1控制机器人遍历巡检场地,信息处理单元3重新建立三维地图,设置停泊点,并采集停泊点处机器人的位置、姿态信息并发送至外部控制终端,进入步骤S5,其中,停泊点包括巡检点、充电点、避障点以及终点;
S5:中央处理单元1根据停泊点处机器人的位置、姿态信息进行路径规划,并将路径规划发送至控制终端;
S6:判断是否为最后一个停泊点,若是,则巡检结束,若否,则进入步骤S7;
S7:中央处理单元1对机器人所在的当前位置到下一个停泊点进行路径追踪解算,控制驱动单元9对机器人中的电机做出相应的动作;
S8:机器人到达停泊点,信息处理单元3分析当前所到达的下一停泊点类型,若下一停泊点为巡检点,则进入步骤S9,若下一停泊点为充电点,则进入步骤S10;
S9:信息处理单元3进行目标识别以及红外检测,并返回步骤S6;
S10:对机器人进行充电,返回步骤S6。
进一步地,步骤S9的具体过程为:信息处理单元3进行目标识别以及红外检测,若识别成功,则将下一停泊点设置为当前停泊点,返回步骤S6,若识别未成功,信息处理单元3计算目标的相对位姿偏差,中央处理单元1根据相对位姿偏差对下一停泊点进行位置、姿态修正,返回步骤S6。
进一步地,步骤S10的具体过程为:检测机器人中的充电接口18是否连接成功,若充电接口18连接成功,则等充电完成后,中央处理单元1将下一停泊点设置为当前停泊点,返回步骤S6,若充电接口18未连接成功,则信息处理单元3接收机器人中的可见光摄像机7采集停泊点中预先设置好的目标标识信息,并计算与目标标识的相对位置、姿态偏差,中央处理单元1根据相对位置、姿态偏差对下一停泊点进行位置、姿态修正,返回步骤S6。
中央处理单元1周期性收集并处理机器人的电量、温度以及巡检场地是否发生险情等信息,判断是否具有避故障需求。若有避故障需求,中央处理单元1中断本次巡检任务,并驱动控制机器人进入避故障点,其中,故障是指机器人本体发生的故障或突发险情时的故障。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化,倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种电力巡检机器人的控制系统,其特征在于,包括无线通信单元、中央处理单元、信息处理单元、驱动单元、温控单元以及供电单元;
所述中央处理单元响应于所述无线通信单元发送的巡检指令,控制所述机器人进行电力巡检;
所述机器人中的三维激光雷达在所述机器人行进中采集点云数据,所述信息处理单元接收所述点云数据,并结合所述机器人中的IMU的加速度信息、IMU的角速度信息以及所述机器人的轮中编码器采集的里程信息,建立立体地图并对所述机器人进行实时定位,将所述立体地图发送至所述无线通信单元;
所述信息处理单元接收所述机器人中的毫米波雷达采集的所述机器人行进中的临时障碍物信息,将采集后的临时障碍物信息发送至所述中央处理单元;
所述中央处理单元根据所述临时障碍物信息发送驱动指令至所述驱动单元,所述驱动单元驱动控制所述机器人规避所述临时障碍物;
所述温控单元接收所述机器人中的测温元件采集的所述机器人的温度信息,调节所述机器人的温度;
所述供电单元用以对所述机器人进行供电;
其中,所述临时障碍物为所述机器人行进路线中临时出现的障碍物。
2.如权利要求1所述的电力巡检机器人的控制系统,其特征在于,所述信息处理单元还接收所述机器人中的可见光摄像机采集的停泊点中预先设置的目标标识信息,对所述机器人进行精确定位。
3.如权利要求2所述的电力巡检机器人的控制系统,其特征在于,所述驱动单元包括轮驱动模块、转向模块以及云台模块;
所述轮驱动模块用以驱动控制所述机器人中的摇臂式轮电机进行翻越所述障碍物;
所述转向模块用以驱动控制所述机器人进行转向;
所述云台模块用以对所述可见光摄像机进行视角控制。
4.一种电力巡检机器人的工作方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:进行系统自检,所述系统自检包括对控制系统自检、所述机器人的硬件自检、所述机器人温度自检以及所述机器人的电量自检;
S2:中央处理单元接收巡检任务,控制所述机器人进行巡检工作;
S3:信息处理单元对所述机器人采集的巡检场地的场地信息,所述信息处理单元接收三维激光雷达采集的点云数据,根据所述点云数据与原有地图数据进行匹配,若匹配不成功,则进入步骤S4,若匹配成功,则进入步骤S5;
S4:所述中央处理单元控制所述机器人遍历所述巡检场地,所述信息处理单元重新建立三维地图,设置停泊点,并采集所述停泊点处所述机器人的位置、姿态信息并发送至外部控制终端,进入步骤S5,其中,所述停泊点包括巡检点、充电点、避故障点以及终点;
S5:所述中央处理单元根据所述停泊点处所述机器人的位置、姿态信息进行路径规划,并将所述路径规划发送至所述控制终端;
S6:判断是否为最后一个巡检点,若是,则巡检结束,若否,则进入步骤S7;
S7:所述中央处理单元对所述机器人所在的当前位置到下一个停泊点进行路径追踪解算,控制所述驱动单元对所述机器人中的电机做出相应的动作;
S8:所述机器人到达停泊点,所述信息处理单元分析当前所到达的下一停泊点类型,若下一停泊点为巡检点,则进入步骤S9,若下一停泊点为充电点,则进入步骤S10;
S9:所述信息处理单元进行目标识别以及红外检测,并返回步骤S6;
S10:对所述机器人进行充电,返回步骤S6。
5.如权利要求4所述的电力巡检机器人的工作方法,其特征在于,所述步骤S9的具体过程为:
所述信息处理单元进行目标识别以及红外检测,若识别成功,则将所述下一停泊点设置为当前停泊点,返回步骤S6,若识别未成功,所述信息处理单元计算目标的相对位姿偏差,所述中央处理单元根据所述相对位姿偏差对所述下一停泊点进行位置、姿态修正,返回步骤S6。
6.如权利要求4所述的电力巡检机器人的工作方法,其特征在于,所述步骤S10的具体过程为:
检测所述机器人中的充电接口是否连接成功,若所述充电接口连接成功,则等充电完成后,所述中央处理单元将所述下一停泊点设置为当前停泊点,返回步骤S6,若充电接口未连接成功,则所述信息处理单元接收所述机器人中的可见光摄像机采集所述停泊点中预先设置好的目标标识信息,并计算与所述目标标识的相对位置、姿态偏差,所述中央处理单元根据所述相对位置、姿态偏差对所述下一停泊点进行位置、姿态修正,返回步骤S6。
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