CN110979034A - 用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车 - Google Patents

用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车。包括小车车体和摄像装置，小车车体中，小车底盘为圆形，环形轨道转动装在小车底盘，摄像装置装在环形轨道上；摄像装置包括六个相机探测机构，每个相机探测机构包括相机、相机底板、相机旋转电机、相机底座、运动底座、运动底座驱动电机和驱动齿轮；运动底座驱动电机输出轴朝下和驱动齿轮同轴连接，驱动齿轮和环形轨道的环形齿条啮合形成齿轮齿条副，环形轨道被夹装在从动轮和驱动齿轮之间形成滑动副。本发明通过设置每个相机沿着环形轨道的位置移动，灵活调整，实现单目/双目/多目相机的多类组合，简单而便捷地实现360度全周场景拍摄的电气隐患排查过程任务。

Description

用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车
技术领域
本发明涉及了一种探索检测功能的智能小车，尤其是涉及一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车。
背景技术
电气安全隐患可导致人身事故、设备事故、电气火灾、爆炸事故等电气灾害性事故，电气安全隐患的诱因包括电源、设备、插座、电线等老化，包括绝缘破损引起的带电部分外露，包括电气回路的长时间超载负荷，包括电气线路和设备的不规范安装使用，包括大功率机具设备的散热不良等等原因。
由于电气安全隐患具有涉及范围广、生成周期长、线路隐蔽等特点，因此传统的人工排查方式很难实现彻底的排查，且随着人力成本的日益高涨，人工排查方式耗时耗力的缺点日益突出。目前，行业内正积极开发使用机器人、智能小车、无人机等搭载摄像头的方案，用以替代人工排查方式。其中智能小车成本较低且操作简单，因此行业内普遍看好智能小车在电气安全隐患排查方面的应用潜力。
智能小车排查出电气隐患后，需要将隐患部位进行精确的位置标定，便于维修人员准确地寻找到该隐患。然而，智能小车如何将隐患部位在建筑内准确地标记，是目前的技术难点，尤其是在建筑物内部(甚至在地下车库等)，传统定位方法往往效果不理想，例如GPS定位方式由于信号强度问题难以准确定位，wifi或蓝牙定位方式由于需要前期的设备建设而受到限制。
在移动小车上绑定若干摄像头，用于室内未知场景探索，近些年也发展迅速，然而这种方式往往只进行室内全景拍摄而不对室内物体进行测距或定位。部分移动小车同时也绑定了若干激光传感器，可对室内物体进行测距定位，然而，激光传感器的数量往往是有限的，难以360度覆盖，而室内场景是未知的，物体会出现在小车的哪个方位具有不确定因素。因此，上述两类移动小车用于电气安全隐患排查时难以对隐患位置做出精确定位。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目标是为建筑电气安全隐患的排查工作提供一种可用于建筑内电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车，尤其是为排查工作中所需的360度全周场景拍摄、墙体等目标测距、探索路径规划、小车位置自定位、自主移动/远程遥控等任务提供硬件基础。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明主要由小车车体和摄像装置的两部分组成，小车车体包括小车底盘、环形轨道；小车底盘为圆形，环形轨道通过底盘轴承转动安装在小车底盘外周面，摄像装置安装在环形轨道上；摄像装置包括六个相机探测机构，每个相机探测机构包括相机、相机底板、相机旋转电机、相机底座、运动底座、运动底座驱动电机和驱动齿轮；相机安装在相机底板顶面，相机底板铰接安装在相机底座的中心孔中，相机旋转电机安装于相机底座底部，相机旋转电机输出轴朝向穿过相机底座的中心孔并和相机底板固定连接；相机底座安装在运动底座顶面，运动底座上安装有运动底座驱动电机，运动底座驱动电机输出轴朝下穿过运动底座和驱动齿轮同轴连接，驱动齿轮和环形轨道内圈设置的环形齿条啮合连接形成齿轮齿条副，运动底座地面还铰接安装多个从动轮，从动轮和驱动齿轮布置环形轨道内圈和外圈侧，使得环形轨道被夹装在从动轮和驱动齿轮之间形成滑动副。
所述的相机视场角不小于70度，焦距不小于4mm。
所述的小车底盘底部安装多个车轮子，每个车轮子连接安装一个车轮驱动电机，由车轮驱动电机驱动车轮子旋转带动小车底盘前进/后退。
所述的小车底盘上还安装有主控电路板和充电电池，主控电路板和充电电池连接，主控电路板分别和每个相机探测机构的相机、相机旋转电机、运动底座驱动电机以及车轮驱动电机连接。
所述的主控电路板包括单片机、图像采集处理模块、远程通讯模块和电机驱动芯片；图像采集处理模块输入端和相机连接，图像采集处理模块输出端连接到单片机，单片机经电机驱动芯片和相机旋转电机、运动底座驱动电机和车轮驱动电机连接，单片机经电源管理芯片和充电电池连接，单片机经远程通讯模块和云端服务器连接。
本发明通过设置每个相机沿着环形轨道的位置移动，同时通过互相配合工作相机数量的灵活调整，实现单目/双目/多目相机的多类组合，对多处电气隐患进行同时排查与位置标记。
本发明小车可灵活组合其车载摄像头集群，并自主拍摄小车四周场景，然后根据拍摄图像实现车身位置自定位，进而为移动路径自规划、安全隐患排查定位等奠定基础。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明智能小车拥有六个车载相机，每个相机均可沿着环形轨道灵活移动其位置，且同时配合工作的相机数量可灵活调整，因此，本发明可实现单目/双目/多目相机的多类组合，这使得电气隐患的排查以及定位具有极大的灵活性。
2.本发明智能小车在使用时，相机拍照方向与小车运动方向是相互独立的，这使得相机拍照方向的调整无需小车改变车体角度与运动方向，同时小车运动方向调整不会引起相机视角的变化，极大地提高排查的效率。
3.本发明智能小车结构简单，使用灵活，成本低廉，因此具有较好的推广性。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图1(a)是本发明整体结构的立体图。
图1(b)是本发明整体结构的俯视图。
图2是本发明摄像装置的装配关系示意图。
图3是本发明主控电路板的方案示意图。
图4是本发明双目测距的原理示意图。
图5是本发明单目测距的原理示意图。
图6是本发明的三类典型应用。
图7是本发明的避障过程示意图。
图中：1、小车车体，1A、小车底盘，1B、底盘轴承，1C、车轮驱动电机，1D、主控电路板，2、摄像装置，2A、环形轨道，2B、相机，2C、相机底板，2D、相机旋转电机，2E、相机底座，2F、运动底座，2G、运动底座驱动电机，2H、驱动齿轮。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，具体实施小车主要由小车车体1和摄像装置2的两部分组成，摄像装置固定在小车车体外圈；小车车体包括小车底盘1A、环形轨道2A；小车底盘1A为圆形，环形轨道2A通过底盘轴承1B转动安装在小车底盘1A外周面，摄像装置安装在环形轨道2A上；这样小车车体与摄像装置可相互独立地任意旋转，这种设计确保相机拍照方向的调整，将不会妨碍小车运动方向的保持。
摄像装置包括六个相机探测机构，如图2所示，每个相机探测机构包括相机2B、相机底板2C、相机旋转电机2D、相机底座2E、运动底座2F、运动底座驱动电机2G和驱动齿轮2H；相机2B安装在相机底板2C顶面，相机底板2C铰接安装在相机底座2E的中心孔中，形成间隙配合，相机旋转电机2D安装于相机底座2E底部，相机旋转电机2D输出轴朝向穿过相机底座2E的中心孔并和相机底板2C固定连接；相机旋转电机2D运行带动相机底板2C旋转，进而带动相机2B旋转。
相机底座2E安装在运动底座2F顶面，运动底座2F上安装有运动底座驱动电机2G，运动底座驱动电机2G输出轴朝下穿过运动底座2F和驱动齿轮2H同轴连接，环形轨道2A内周面设有环形齿条，驱动齿轮2H和环形轨道2A内圈设置的环形齿条啮合连接形成齿轮齿条副，运动底座2F地面还铰接安装多个从动轮，从动轮和驱动齿轮2H布置环形轨道2A内圈和外圈侧，使得环形轨道2A被夹装在从动轮和驱动齿轮2H之间形成环形的滑动副。运动底座驱动电机2G运行带动驱动齿轮2H旋转，进而经齿轮齿条副带动运动底座2F整体在滑动副的导向下沿环形轨道2A环形移动。
上述相机探测机构总共有六组，全部安装在环形轨道上，且每个装配体均可在环形轨道上独立地运动，这种结构设计确保了智能小车可在任意方向组合得到单目/双目/多目相机。
相机2B视场角不小于70度，焦距不小于4mm。
小车底盘1A底部安装多个车轮子，每个车轮子连接安装一个车轮驱动电机1C，由车轮驱动电机1C驱动车轮子旋转带动小车底盘1A前进/后退。小车底盘1A可采用常见的四轮式小车，也可采用三轮式小车或多轮式小车等。
小车底盘1A上还安装有主控电路板1D和充电电池，主控电路板1D和充电电池连接，主控电路板1D分别和每个相机探测机构的相机2B、相机旋转电机2D、运动底座驱动电机2G以及车轮驱动电机1C连接。
如图3所示，主控电路板1D包括单片机、图像采集处理模块、远程通讯模块和电机驱动芯片；图像采集处理模块输入端和相机2B连接，图像采集处理模块输出端连接到单片机，单片机经电机驱动芯片和相机旋转电机2D、运动底座驱动电机2G和车轮驱动电机1C连接，单片机经电源管理芯片和充电电池连接，单片机经远程通讯模块和云端服务器连接。
如图2所示，具体实施的摄像装置包含有六个相机，为确保六个相机可实现360度全周场景拍摄，余留15％的重叠区域，要求每个相机的视场角不小于70度；为确保最远拍摄距离不小于10米，要求每个相机的焦距不小于4mm。
如图3所示，多相机自探索智能小车的主控电路板由单片机、图像采集处理模块、远程通讯模块、电机驱动芯片等组成。其中，单片机主要负责小车与相机的运动，可选用意法半导体的STM32；图像处理模块主要负责图像处理，可选用三星的S3C6410处理器，实现摄像头图像采集、显示和存储，进而在OpenCV视觉库环境下对图像进行处理；远程通讯模块采用4G或5G模块，便于图像的远程快速传输，也便于实现操作人员对智能小车的远程实时控制；电机驱动芯片可采用意法半导体ST公司的L293D芯片等。
图4为本发明内任意两个相机组合在一起时进行双目测距的原理。图4中，P表示待测物体，OL表示左相机光圈中心，OR表示右相机光圈中心，PL表示左成像点，PR表示右成像点，b表示左右摄像头光圈中心距离，uL表示左光心与左成像点距离，|uR|表示右光心与右成像点距离，f表示焦距，z表示待测物距离，d表示视差。
如图4所示，双目测距时，根据三角形相似关系，具有以下关系：
Figure BDA0002336611070000051
进而，根据上述公式，得到测距公式：
Figure BDA0002336611070000052
图5为本发明内任意单个相机进行单目移动测距的原理。系统凭借小车可移动的优势，发明了一种单目测距的方法，如图5所示，依靠小车在不同位置对同一对象进行两次拍摄实现。
图中，l表示待测物体，O表示初始相机光心，O’表示移动后相机光心，c1表示初始像平面，c2表示移动后像平面，z表示待测物体距离，x表示移动距离，f表示焦距，h表示待测物高度，h′表示初始光心拍摄的像高，h″表示移动后光心拍摄的像高。小车在初始位置拍摄待测物体，具有以下关系：
Figure BDA0002336611070000053
小车移动x距离后再次拍摄待测物体，具有以下关系：
Figure BDA0002336611070000054
联立上述两式，得出测距公式：
Figure BDA0002336611070000055
需补充说明的是，上述公式中的移动距离x可根据发送至电机的脉冲数量实现精确计算，像高可由图像采集处理模块经处理后得到。
本发明智能小车主要应用于电气安全隐患的排查，为说明其排查过程，以下简单列举几类典型应用场景：
针对电热水壶、电暖风机等大功率违章电器使用情况的排查，小车在行进过程中，始终至少有四个相机保持对周围360度的全周场景拍摄，并将拍摄所得的图像实时上传至云端，云端会实时运行图像比对算法，即把现场拍摄的图片与保存的历史图片做比对，若发现两幅图片存有差异(现场图片内多出来某个物体)，即调用神经网络等算法对该物体进行识别，若识别结果为电热水壶等违章电气，则下发标定命令给小车，小车则调集相机对该物体进行定位性的双目拍摄，且双目拍摄过程中小车始终保持运动。
针对一个插排插到另一个插排等情况，针对建筑内私拉电线等情况，针对电瓶车进室内充电等情况，上述不规范用电情况的排查过程与上述违章电器的排查过程类似。
针对多功能打印机、中央空调等大功率电器长期开启的排查，小车通过图像分析其电源指示灯来判断其是否开启，若多次排查下该机器长期开启，或者晚上下班时刻该机器仍开启，则小车需调集两组双目摄像头，对该房间内的特征物体(如门牌号、座椅摆放等)进行定位拍摄，以帮助云端识别多功能打印机、中央空调等电器位于哪个房间，进而做出相应报警。
针对建筑物外部的输配电电线的排查，由于给建筑物输配电的电线通常是裸露的，因此小车可沿着建筑物外围进行定期拍摄排查，通过图像比对方式确定电线是否有绝缘层破裂、是否有绝缘层老化等状况。
针对建筑物内部接线端、插座、配电箱等设备的排查，包括有无老化开裂情况出现，包括有无冷凝水出现等，其排查过程与上述两类排查过程类似。
图6为本发明的三类典型应用方式。第一类与第二类典型应用时，被测距对象与智能小车之间的连线，与小车运动方向平行或垂直，此时一个相机拍摄智能小车运动正前方、一个相机拍摄智能小车运动正后方、两个相机拍摄智能小车运动正左侧、两个相机拍摄智能小车运动正右侧。第三类典型应用时，四个相机分别正对智能小车运动的前后左右四个方向进行拍摄，另外两个相机瞄准斜线方向的被测距对象。
图7为本发明的避障方法示意图，如图所示，小车运动前方有障碍物需要避开，而此时双目视觉系统又需捕捉对象实时采集信息，本发明采用底盘轴承可将小车车体与图像采集装置隔离，因此小车车体转弯不会改变摄像装置内相机拍摄角度。进行目标测量的两个相机通过运动底座沿环形轨道环形移动，并且通过相机底座旋转连轴转动，通过两者的配合可以实时锁定测量目标，实现避障和测量的同步进行，显著提高了工作效率。
本发明避障方法，充分体现出本发明结构设计方面的优势，相比于传统全景拍摄小车转弯时带偏相机视角的缺点，本发明确保了相机拍照方向调整与小车运动方向调整的相互独立性，即相机拍照方向调整无需小车改变车体角度与运动方向，同时小车运动方向调整不会引起相机视角的变化。
通过图1至图7的设计，使得本发明提出的智能小车可简单而便捷地实现360度全周场景拍摄、墙体等目标测距、探索路径规划、小车位置自定位、隐患位置标记、自主移动/远程遥控等电气隐患排查过程中常见的任务。
由此本发明智能小车可简单而便捷地实现360度全周场景拍摄、墙体等目标测距、探索路径规划、小车位置自定位、隐患位置标记、自主移动/远程遥控等电气隐患排查过程中常见的任务，能够适用于商场、写字楼、学校等各类建筑的电气安全隐患排查。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车，其特征在于：主要由小车车体(1)和摄像装置(2)的两部分组成，小车车体(1)包括小车底盘(1A)、环形轨道(2A)；小车底盘(1A)为圆形，环形轨道(2A)通过底盘轴承(1B)转动安装在小车底盘(1A)外周面，摄像装置(2)安装在环形轨道(2A)上；摄像装置包括六个相机探测机构，每个相机探测机构包括相机(2B)、相机底板(2C)、相机旋转电机(2D)、相机底座(2E)、运动底座(2F)、运动底座驱动电机(2G)和驱动齿轮(2H)；相机(2B)安装在相机底板(2C)顶面，相机底板(2C)铰接安装在相机底座(2E)的中心孔中，相机旋转电机(2D)安装于相机底座(2E)底部，相机旋转电机(2D)输出轴朝向穿过相机底座(2E)的中心孔并和相机底板(2C)固定连接；相机底座(2E)安装在运动底座(2F)顶面，运动底座(2F)上安装有运动底座驱动电机(2G)，运动底座驱动电机(2G)输出轴朝下穿过运动底座(2F)和驱动齿轮(2H)同轴连接，驱动齿轮(2H)和环形轨道(2A)内圈设置的环形齿条啮合连接形成齿轮齿条副，运动底座(2F)地面还铰接安装多个从动轮，从动轮和驱动齿轮(2H)布置环形轨道(2A)内圈和外圈侧，使得环形轨道(2A)被夹装在从动轮和驱动齿轮(2H)之间形成滑动副。
2.根据权利要求1所述的一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车，其特征在于：所述的相机(2B)视场角不小于70度，焦距不小于4mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车，其特征在于：所述的小车底盘(1A)底部安装多个车轮子，每个车轮子连接安装一个车轮驱动电机(1C)，由车轮驱动电机(1C)驱动车轮子旋转带动小车底盘(1A)前进/后退。
4.根据权利要求2所述的一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车，其特征在于：所述的小车底盘(1A)上还安装有主控电路板(1D)和充电电池，主控电路板(1D)和充电电池连接，主控电路板(1D)分别和每个相机探测机构的相机(2B)、相机旋转电机(2D)、运动底座驱动电机(2G)以及车轮驱动电机(1C)连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于电气安全隐患排查的多相机自探索智能小车，其特征在于：所述的主控电路板(1D)包括单片机、图像采集处理模块、远程通讯模块和电机驱动芯片；图像采集处理模块输入端和相机(2B)连接，图像采集处理模块输出端连接到单片机，单片机经电机驱动芯片和相机旋转电机(2D)、运动底座驱动电机(2G)和车轮驱动电机(1C)连接，单片机经电源管理芯片和充电电池连接，单片机经远程通讯模块和云端服务器连接。
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