CN110793543B - 基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置及方法，定位导航精度测量装置整体外观比较小，方便安装放置，并且装置上有显示屏，可显示各种状态、点云信息以及触发按钮等，方便操作。本发明方法过程为：对检测区域进行扫描，将取得的激光距离数据转化为空间点云数据，多次检测计算出检测区域内的标志物和电力巡检机器人的点云重心，最后计算出电力巡检机器人相对标志物一维方向上的偏差，实验数据显示本方法精度较高。

Description

基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置及 方法

技术领域

本发明属于巡检机器人检测设备技术领域，具体涉及一种基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置及方法。

背景技术

随着国家对电力系统智能化战略的不断推进，在智能电网部署中，电力巡检机器人的逐渐兴起是大势所趋，应用区域为变电站、小区用电设备等。巡检机器人相对于电力巡检场地来说体积较小，在巡检过程中需要在固定的点位朝固定的方位以固定的变焦拍摄电力设备的状态，在评价巡检机器人的自主定位与导航功能时，定位导航精度的检测是一个很重要的指标。为了保证巡检机器人的巡检精度，要求巡检机器人在重复巡检过程中相对于重复巡检点位应小于10㎜，但是现有的巡检机器人因为厂商及品牌的差异，导致巡检机器人的形状各异。

根据行业标准《变电站机器人巡检系统通用技术条件》DL/T 1610-2016中规定的检测方法和判定依据显示，行业内现在针对巡检机器人定位的通用的检测方法仍较为原始，针对形状不规则的巡检机器人无法准确检测其定位是否精确，可靠性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置及方法，解决了现有技术中巡检机器人特别是形状不规则的巡检机器人在检测过程中无法检测其定位精度技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，其特征是，包括壳体、二维激光雷达、俯仰装置及嵌入式处理器，所述壳体为立方体，壳体外侧设置有显示屏，壳体外部一端连接俯仰装置，壳体内部设置嵌入式处理器，所述俯仰装置包括旋转电机和驱动旋转电机启停的旋转电机控制器，所述二维激光雷达设置于俯仰装置上以实现激光雷达上下扫描，二维激光雷达将扫描得到的数据上传到嵌入式处理器，，嵌入式处理器的输出端连接显示屏。

作为本发明的一种改进，所述显示屏为触控显示屏，显示屏显示激光雷达与俯仰装置的状态、点云信息及触发按钮。

作为本发明的一种改进，所述二维激光雷达检测高度小于等于10米，水平扫描区域角度为270°，角分辨率0.25°，检测距离误差小于±20毫米。

作为本发明的一种改进，所述嵌入式处理器的动态运行主频为400MHz-1.4GHz，所述嵌入式多媒体控制器的内存为8GB。

相应的，本发明还提供了一种基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在水平面截面为正方形的检测区域内中心位置设置标志物作为导航点，并在检测区域的X轴和Y轴上设置所述定位导航精度测量装置开机，选择显示屏上的标定，所述X轴和所述Y轴上的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置的二维激光雷达在俯仰装置的带动下扫描检测区域空间信息，得到以地面为平面的三维点云数据，嵌入式处理器处理后形成以地面为平面的二维点云数据；

2)所述二维激光雷达采集标志物的位置信息，并由嵌入式处理器计算标志物的点云重心；

3)电力巡检机器人进入检测区域，并到达电力巡检机器人自主选择的定位点，二维激光雷达扫描电力巡检机器人，嵌入式处理器计算电力巡检机器人的点云数据，并计算电力巡检机器人的点云重心；

4)对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据一；

5)电力巡检机器人在检测区域内自由移动，并根据指令再次到达步骤3)所述的定位点，嵌入式处理器计算电力巡检机器人的点云数据，计算电力巡检机器人的点云重心，对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据二；

6)重复步骤5)3～5次，产生数据三～数据五；

7)电力巡检机器人移出检测区域，嵌入式处理器分析数据二及数据三～数据五，并算出电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置的距离绝对值，与数据一计算出的距离绝对值进行对比，计算出电力巡检机器人的定位精度。

作为本发明的一种改进，所述定位导航精度测量装置在标定时，设定检测区域的边长，二维激光雷达扫描检测区域，嵌入式处理器根据透视原理计算点云数据的分布密度。

作为本发明的一种改进，所述定位点设置于导航点上或以导航点为圆心的直径0.5m的范围内。

作为本发明的一种改进，所述标志物为固定设置的反光标签，所述检测区域面积为2m*2m～10m*10m。

作为本发明的一种改进，所述嵌入式处理器对二维激光雷达扫描的数据一、数据二和数据三～数据五进行滑动滤波。

作为本发明的一种改进，所述检测区域的三维点云数据的法向量经过算法校正与Z轴平行后，嵌入式处理器处理形成以地面为平面的二维点云数据。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)本发明的定位导航精度测量装置，体积较小，方便安装放置，并且装置上有显示屏，可显示各种状态、点云信息以及触发按钮等，方便操作；

2)本发明的精度测量方法，主动测量、记录、计算二维激光雷达扫描获得的数据，并进行校正，形成以地面为平面的二维点云数据，并根据实际设定的检测区域边长，显示不同的点云密度；在检测过程中重复多次进行电力巡检机器人的定位，根据多组数据综合对比，且系统本身重复扫描的误差控制在2mm内，保证实际检测的精度，可行性高。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明的检测区域示意图；

图3为本发明的检测流程示意图；

图4为本发明的激光扫描示意图。

附图标记列表：1、壳体；2、二维激光雷达；3、俯仰装置；4、显示屏；5、旋转电机；6、测量装置；7、检测区域；8、标志物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

本发明的一种基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，参见图1所示，本发明中所述的定位导航精度测量装置(即图2中标注的测量装置6)，包括壳体1、二维激光雷达2、俯仰装置3及嵌入式处理器，所述壳体为立方体，壳体1外侧面积最大的一侧设置显示屏4，壳体1外部一端连接俯仰装置3，壳体1内部设置嵌入式处理器，所述二维激光雷达2设置于俯仰装置3上，二维激光雷达2为脉冲TOF测距雷达，所述俯仰装置3包括旋转电机5和控制旋转电机启停的旋转电机控制器，所述旋转电机为步进电机，所述旋转电机控制器安装在旋转电机的背部，旋转电机控制器与旋转电机之间通过RS485总线控制，旋转电机可驱动二维激光雷达进行旋转，使得二维激光雷达检测高度小于等于10米，水平扫描区域角度为270°，角分辨率0.25°，检测距离误差小于±20毫米。二维激光雷达将扫描得到的数据上传到嵌入式处理器，所述嵌入式处理器包括一体化主板与Cortex-A9架构的处理器本体、嵌入式多媒体控制器。所述显示屏4为触控显示屏，显示屏可以显示激光雷达与俯仰装置的状态、点云信息及触发按钮。所述嵌入式处理器的动态运行主频为400MHz-1.4GHz，所述嵌入式多媒体控制器的内存为8GB，更加精确的配置参数能够满足使用需求，符合测量精度，降低采购预算，便于集成。

本发明所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，体积较小，方便安装放置，对场地的要求较低，使用方便，并且装置上有显示屏，可显示各种状态、点云信息以及触发按钮等，方便操作，更加直观。

相应的，基于上述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置的精度测量方法，参见图3所示，包括以下步骤：

1)在水平面截面为正方形的检测区域7内中心位置设置标志物8作为导航点，参见图2所示，并在检测区域7的X轴和Y轴上设置所述定位导航精度测量装置6开机，选择显示屏上的标定，所述X轴和所述Y轴上的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置的二维激光雷达在俯仰装置的带动下扫描检测区域空间信息，得到以地面为平面的三维点云数据，嵌入式处理器处理后形成以地面为平面的二维点云数据；

2)所述二维激光雷达采集标志物的位置信息，并由嵌入式处理器计算标志物的点云重心；

3)电力巡检机器人进入检测区域，并到达电力巡检机器人自主选择的定位点，二维激光雷达扫描电力巡检机器人，嵌入式处理器计算电力巡检机器人的点云数据，并计算电力巡检机器人的点云重心；

4)对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据一；

5)电力巡检机器人在检测区域内自由移动，并根据指令再次到达步骤3)所述的定位点，嵌入式处理器计算电力巡检机器人的点云数据，计算电力巡检机器人的点云重心，对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据二；

6)重复步骤5)3～5次，产生数据三～数据五；所述嵌入式处理器对二维激光雷达扫描的数据一、数据二和数据三～数据五进行滑动滤波。

7)电力巡检机器人移出检测区域，嵌入式处理器分析数据二及数据三～数据五，并算出电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置的距离绝对值，与数据一计算出的距离绝对值进行对比，计算出电力巡检机器人的定位精度。

本发明所述定位导航精度测量装置在标定时，设定检测区域的边长，二维激光雷达扫描检测区域，嵌入式处理器根据透视原理计算点云数据的分布密度，检测区域在开始检测前即设定，要求地面较为平整的正方形块的区域，因而能够准确计算点云的分布密度。

如图4所示，平面S为二位激光雷达的激光扫描平面，激光扫描平面绕着X轴旋转，线段OA为激光扫描平面的一束激光束，设该束激光测得的距离长度为range，激光扫描平面与平面XOY的夹角为Pitch，在激光扫描平面上，OA与X轴正方向的夹角为Yaw。可得，A点的三维坐标为：

P_A.x＝range*cos(Yaw)

P_A.y＝range*sin(Yaw)*cos(Pitch)

P_A.z＝range*sin(Yaw)*sin(Pitch)

由于二维激光雷达会产生拖影现象，所以对数据一、数据二和数据三～数据五进行一次窗口滑动滤波，对窗口中的数据过滤方差大的数据，可以达到很好的去除激光雷达拖影的效果。

所述定位点设置于导航点上或以导航点为圆心的直径0.5m的范围内，定位点距离导航点的距离近，在减轻二维激光雷的扫描压力，并减轻了嵌入式处理器的计算压力，能够更快更准确地得出计算结果。

所述标志物为固定设置的反光标签，标志物在检测区域内更加显眼、容易定位，特别是检测区域面积较大时，提高精确度，所述检测区域面积为2m*2m～10m*10m，根据实际的检测条件及电力巡检机器人的体积选择检测区域的面积，在满足检测精度及巡检机器人活动范围的前提下设定检测区域的面积。

如检测流程图3所述，所述检测区域的三维点云数据的法向量经过算法校正与Z轴平行后，嵌入式处理器处理形成以地面为平面的二维点云数据，本发明采用了region-grow(区域增长)算法对点云进行分割。该算法输出一组聚类，如果每个聚类是一组点，则被认为是同一光滑曲面的一部分。区域增长是从有最小曲率值的点开始的。因此，嵌入式处理器必须计算出所有曲率值，并对它们进行排序。这是因为曲率最小的点位于平坦区域，而从最平坦的区域增长可以减少分割区域的数量。具体计算过程如下：

1.当点云数据中有未标记点，按照点的曲率值对点进行排序，找到最小曲率值点，并把它添加到种子点集；

2.对于每个种子点，算法都会发现周边的所有近邻点。

1)计算每个近邻点与当前种子点的法线角度差，如果差值小于设置的阈值，则该近邻点被重点分析，进行第二步测试；

2)该近邻点通过了法线角度差检验，如果它的曲率小于我们设定的阈值，这个点就被添加到种子点集，即属于当前平面；

3.通过1)和2)两次检验的点，将从原始点云中去除；

4.设置最小点簇的点数min，最大点数max；

5.重复1-3步，算法会生成点数在min和max之间的所有平面，并对不同平面标记不同颜色加以区分；

6.直到算法在剩余点中生成的点簇不能满足点数min，算法停止工作。

本发明的精度测量方法，主动测量、记录、计算二维激光雷达扫描获得的数据，并进行校正，形成以地面为平面的二维点云数据，并根据实际设定的检测区域边长，显示不同的点云密度；在检测过程中重复多次进行电力巡检机器人的定位，根据多组数据综合对比，且系统本身重复扫描的误差控制在2mm内，保证实际检测的精度，可行性高。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，其特征在于，包括壳体、二维激光雷达、俯仰装置及嵌入式处理器，所述壳体为立方体，壳体外侧设置有显示屏，壳体外部一端连接俯仰装置，壳体内部设置嵌入式处理器，所述俯仰装置包括旋转电机和驱动旋转电机启停的旋转电机控制器，所述二维激光雷达设置于俯仰装置上以实现激光雷达上下扫描，二维激光雷达将扫描得到的数据上传到嵌入式处理器，嵌入式处理器连接显示屏；

利用定位导航精度测量装置进行定位导航精度测量，方法如下：

1)在水平面截面为正方形的检测区域内中心位置设置标志物作为导航点，并在检测区域的X轴和Y轴上设置定位导航精度测量装置，选择显示屏上的标定，二维激光雷达在俯仰装置的带动下扫描检测区域空间信息，得到以地面为平面的三维点云数据，进而形成以地面为平面的二维点云数据；

2)二维激光雷达采集标志物的位置信息，并计算标志物的点云重心；

3)电力巡检机器人进入检测区域，并到达电力巡检机器人自主选择的定位点，二维激光雷达扫描电力巡检机器人，计算电力巡检机器人的点云数据，并计算电力巡检机器人的点云重心；

4)对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据一；

5)电力巡检机器人在检测区域内自由移动，再次到达步骤3)所述的定位点，然后计算电力巡检机器人的点云数据，计算电力巡检机器人的点云重心，对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据二；

6)重复步骤5)3～5次，产生数据三～数据五；

7)电力巡检机器人移出检测区域，分析数据二及数据三～数据五，并算出电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置的距离绝对值，与数据一计算出的距离绝对值进行分析，计算出电力巡检机器人的定位精度。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，其特征在于，所述显示屏为触控显示屏。

3.根据权利要求1所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，其特征在于，所述二维激光雷达脉冲TOF测距雷达。

4.根据权利要求1所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量装置，其特征在于，所述嵌入式处理器一体化主板与Cortex-A9架构的处理器本体，其动态运行主频为400MHz-1.4GHz。

5.基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在水平面截面为正方形的检测区域内中心位置设置标志物作为导航点，并在检测区域的X轴和Y轴上设置权利要求1-4任一所述的定位导航精度测量装置，选择显示屏上的标定，二维激光雷达在俯仰装置的带动下扫描检测区域空间信息，得到以地面为平面的三维点云数据，进而形成以地面为平面的二维点云数据；

2)二维激光雷达采集标志物的位置信息，并计算标志物的点云重心；

3)电力巡检机器人进入检测区域，并到达电力巡检机器人自主选择的定位点，二维激光雷达扫描电力巡检机器人，计算电力巡检机器人的点云数据，并计算电力巡检机器人的点云重心；

4)对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据一；

5)电力巡检机器人在检测区域内自由移动，再次到达步骤3)所述的定位点，然后计算电力巡检机器人的点云数据，计算电力巡检机器人的点云重心，对比电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置，并记录为一组数据二；

6)重复步骤5)3～5次，产生数据三～数据五；

7)电力巡检机器人移出检测区域，分析数据二及数据三～数据五，并算出电力巡检机器人的点云重心与标志物的点云重心的相对位置的距离绝对值，与数据一计算出的距离绝对值进行分析，计算出电力巡检机器人的定位精度；

所述定位导航精度测量装置在标定时，设定检测区域的边长，二维激光雷达扫描检测区域，根据透视原理计算点云数据的分布密度。

6.根据权利要求5所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量方法，其特征在于：所述定位点设置于导航点上或以导航点为圆心的直径0.5m的范围内。

7.根据权利要求5所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量方法，其特征在于：所述标志物为固定设置的反光标签，所述检测区域面积为2m*2m～10m*10m。

8.根据权利要求5所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量方法，其特征在于：对数据一、数据二和数据三～数据五进行滑动滤波。

9.根据权利要求5所述的基于激光扫描的电力巡检机器人的定位导航精度测量方法，其特征在于：所述检测区域的三维点云数据的法向量经过算法校正与Z轴平行后，形成以地面为平面的二维点云数据。

Images