CN112157642B - 一种用于配电室的无人巡检机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于配电室的无人巡检机器人，包括车身、车轮、车身驱动机构和核心控制板，还包括分别连接核心控制板的升降云台、摄像云台、摄像模块、带编码器的直流电机和磁传导传感器；配电室中配电柜前方铺设有磁路，配电室巡检过程包括：1)控制升降云台位于最低高度；2)根据磁传导传感器沿磁路进行匀速巡检，同时摄像模块实时采集巡检图像，直至完成一轮巡检；3)控制升降云台上升，并重复执行步骤2)和3)；核心控制板从巡检图像中识别设置在配电柜上的表计，从而获取配电柜的位置和表计的高度。与现有技术相比，本发明可以极大的节省人工时间，同时不需要人工定位，效率得到了很大的提升，安全隐患可以降至最低。

Description

一种用于配电室的无人巡检机器人
技术领域
本发明涉及配电室巡检机器人领域，尤其是涉及一种用于配电室的无人巡检机器人。
背景技术
随着电力行业的迅速发展，配电站以及配电室越来越多，所需要的巡检人员也与日俱增。然而安全性得不到很好的保障。针对这一问题，越来越多的人开始研究机器人来替代人工巡检。现在市面上的机器人大多是轮式和导轨式机器人。轮式机器人大多是针对变电站而言，室内的巡检机器人采用的是物理标定定位的方式。导轨式机器采用的加设导轨的方式进行巡检，也是通过物理标定定位。
轮式机器人的工作场地受限，并且它的视觉分析复杂。所以大部分都是适用于变电站的巡检。而室内的则是选择物理标定的定位方式。导轨式巡检机器人需要加设轨道，这对检修以及之后的维护非常的不方便。在定位方面是靠着标志来识别定位。这种方式非常的单一并且重复工作较多，若之后配电柜的位置发生位移，则定位需要重新标定。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无需人为标定的用于配电室的无人巡检机器人。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于配电室的无人巡检机器人，包括车身、车轮、车身驱动机构和核心控制板，所述无人巡检机器人还包括分别连接所述核心控制板的升降云台、摄像云台、摄像模块、超声波传感器、带编码器的直流电机和磁传导传感器，所述升降云台依次连接所述摄像云台和摄像模块，所述升降云台受所述带编码器的直流电机驱动，所述磁传导传感器设置在所述车身的底端；
所述核心控制板通过执行预先存储的巡检程序进行配电室巡检，所述配电室包括配电柜，该配电柜前方铺设有由磁条构成的磁路，所述配电室巡检的过程包括以下步骤：
S1：所述核心控制板控制所述升降云台位于预设的最低高度；
S2：所述核心控制板根据所述磁传导传感器传输的磁路探测结果，通过所述车身驱动机构控制车身沿所述磁路进行匀速巡检，同时通过所述摄像模块实时采集巡检图像，直至完成一轮巡检；
S3：所述核心控制板根据预设的上升高度控制所述升降云台上升，并重复依次执行步骤S2和S3，直至所述升降云台位于预设的最高高度；
所述核心控制板采用图像识别算法从所述巡检图像中识别设置在配电柜上的表计，获取识别有所述表计的巡检图像，根据该巡检图像对应的编号，分别获取配电柜的位置和表计的高度。
进一步地，所述配电柜的位置的计算表达式为：
S＝v
式中，S为距离，即配电柜的位置，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，v为无人巡检机器人的行驶速度。
进一步地，根据所述升降云台的调整次数以及预设的上升高度，获取所述表计的高度，所述升降云台的调整次数的计算表达式为：
Figure GDA0003625301650000021
式中，Sup-down为升降云台的调整次数，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，t为每轮巡检所需的时间。
进一步地，所述从巡检图像中识别设置在配电柜上的表计具体为：
对所述巡检图像进行二值化处理；
采用边缘检测算法对所述二值化处理后的巡检图像进行处理，获取边缘图像；
从所述边缘图像中识别矩形区域轮廓，从识别结果中选取最大的矩形区域轮廓，作为所述表计的识别结果。
进一步地，所述巡检图像的获取具体为，采用OpenCV对所述摄像模块采集的视频进行分解，获取所述巡检图像。
进一步地，在所述配电室巡检过程中，所述核心控制板根据所述超声波传感器进行异物探测，当探测到异物时，控制所述无人巡检机器人进行紧急避让。
进一步地，无人巡检机器人还包括声音传感器，该声音传感器设置在所述车身上，并连接所述核心控制板；
在无人巡检机器人直行过程中，所述核心控制板通过声音传感器检测，判断所述声音传感器传输的数据是否超过预设的声音阈值，若否则继续直行，若是，则无人巡检机器人停止直行，根据声音传感器进行检测，判断是否为误判，若是，则继续直行，若否则执行报警措施。
进一步地，无人巡检机器人还包括WIFI模块，所述报警措施为通过所述WIFI模块发送报警信息。
进一步地，所述核心控制板采用ARM核心控制板。
进一步地，所述升降云台包括依次连接的多个升降杆，所述带编码器的直流电机的数量为多个，每个所述升降杆均对应连接一个所述带编码器的直流电机。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在配电柜点设置磁路，无人巡检机器人通过磁传导传感器探测磁路，沿磁路进行巡检，每轮巡检开始时控制升降云台上升，巡检过程中实时采集巡检图像，根据巡检图像识别配电柜上的表计；本发明通过固定巡检的路线、升降云台的起始高度和每轮巡检的上升高度，根据识别出表计的巡检图像的序号即可计算出配电柜的位置和表计的高度，方便高效，智能化水平高，且采用图像识别的方法，无需重复的物理标定过程。
(2)本发明可以极大的节省人工时间，同时不需要人工定位，效率得到了很大的提升，安全隐患可以降至最低；同时，本发明是专门服务于配电室，所以他的成本，精确度都很高，识别精确度可以达到百分之九十八以上。
(3)本发明首先是通过视频转换为图片，之后通过对图片的识别处理得到所需要的图片进行信息的比对，取出位置信息，达到定位的效果。
附图说明
图1为本发明用于配电室的无人巡检机器人的侧视图；
图2为本发明用于配电室的无人巡检机器人的底盘图；
图3为本发明实施例中定位步骤的流程示意图；
图4为本发明实施例中异常声响检测的流程示意图；
图5为本发明实施例中无人巡检机器人的整体巡检流程图；
图中，1、车身，2、车轮，3、核心控制板，4、声音传感器，5、升降云台，6、摄像模块，7、摄像云台，8、超声波传感器，9、磁传导传感器，10、第一带编码器的直流电机，11、第二带编码器的直流电机，12、第三带编码器的直流电机，13、第四带编码器的直流电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种用于配电室的无人巡检机器人，包括车身1、车轮2、车身驱动机构和核心控制板3，车身驱动机构设置在车身1中，连接车轮2，用于带动车轮2旋转，车身驱动机构连接核心控制板3；无人巡检机器人还包括分别连接核心控制板3的升降云台5、摄像云台7、摄像模块6、超声波传感器8、带编码器的直流电机和磁传导传感器9，升降云台5依次连接摄像云台7和摄像模块6，升降云台5受带编码器的直流电机驱动，磁传导传感器9设置在车身1的底端；
核心控制板3通过执行预先存储的巡检程序进行配电室巡检，配电室包括配电柜，该配电柜前方铺设有由磁条构成的磁路，配电室巡检的过程包括以下步骤：
S1：核心控制板3控制升降云台5位于预设的最低高度；
S2：核心控制板3根据磁传导传感器9传输的磁路探测结果，通过车身驱动机构控制车身1沿磁路进行匀速巡检，同时通过摄像模块6实时采集巡检图像，直至完成一轮巡检；
S3：核心控制板3根据预设的上升高度控制升降云台5上升，并重复依次执行步骤S2和S3，直至升降云台5位于预设的最高高度；
核心控制板3采用图像识别算法从巡检图像中识别设置在配电柜上的表计，获取识别有表计的巡检图像，根据该巡检图像对应的编号，分别获取配电柜的位置和表计的高度。
摄像模块6为摄像头和热成像仪。
作为一种更优的实施方式，配电柜的位置的计算表达式为：
Figure GDA0003625301650000051
式中，S为距离，即配电柜的位置，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块6的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，v为无人巡检机器人的行驶速度。
作为一种更优的实施方式，根据升降云台5的调整次数以及预设的上升高度，获取表计的高度，升降云台5的调整次数的计算表达式为：
Figure GDA0003625301650000052
式中，Sup-down为升降云台5的调整次数，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块6的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，t为每轮巡检所需的时间。
作为一种更优的实施方式，从巡检图像中识别设置在配电柜上的表计具体为：
对巡检图像进行二值化处理；
采用边缘检测算法对二值化处理后的巡检图像进行处理，获取边缘图像；
从边缘图像中识别矩形区域轮廓，从识别结果中选取最大的矩形区域轮廓，作为表计的识别结果。
巡检图像的获取具体为，采用OpenCV对摄像模块6采集的视频进行分解，获取巡检图像。
作为一种更优的实施方式，在配电室巡检过程中，核心控制板3根据超声波传感器8进行异物探测，当探测到异物时，控制无人巡检机器人进行紧急避让。
作为一种更优的实施方式，无人巡检机器人还包括声音传感器4，该声音传感器4设置在所述车身1上，并连接所述核心控制板3；
在无人巡检机器人直行过程中，所述核心控制板3通过声音传感器4检测，判断所述声音传感器4传输的数据是否超过预设的声音阈值，若否则继续直行，若是，则无人巡检机器人停止直行，根据声音传感器4进行检测，判断是否为误判，若是，则继续直行，若否则执行报警措施。
作为一种更优的实施方式，无人巡检机器人还包括WIFI模块，报警措施为通过WIFI模块发送报警信息。
作为一种更优的实施方式，核心控制板3采用ARM核心控制板。
作为一种更优的实施方式，升降云台5包括依次连接的多个升降杆，带编码器的直流电机的数量为多个，每个升降杆均对应连接一个带编码器的直流电机。
本实施例还提供一种最优的实施方式，如下：
一种用于配电室的无人巡检机器人，车身结构采用的是核心控制板3、升降云台5、带编码器的直流电机、高清摄像头、红外成像，寻迹模块、超声波模块以及声音检测模块。无人巡检机器人的定位步骤如下：
S1：设定升降云台5的最低限度和最高限度；
S2：机器人前进并且进行摄像；
S3：将所拍摄的视频，进行图像分解并取出每帧图像；
S4：对图像进行边缘检测以及二值化处理，得出表计所在的框图；
S5：筛选出正确以及合适的框图并得到位置信息。
下面对车身结构、定位步骤和具体实施过程分别进行具体描述。
1、车身结构
核心控制板3采用的是ARM核心控制面板，进行图像处理以及电机的控制。升降云台5采用的是直流带编码器的直流电机，可以控制升降高度，达到闭环控制的效果。高清摄像头与红外成像模块均安装在升降云台5上，高帧率的摄像头可以提高摄像的清晰度。寻迹模块采用磁传导传感器9对所铺设的磁路进行寻迹。超声波模块是用于紧急避障，当有异物来到巡检轨道时，机器人会紧急避开。声音检测通过设定阈值，当噪声达到阈值时实行报警。
如图2所示，寻迹模块包括四个沿一条直线设置的磁传导传感器9；升降云台5包括依次连接的四个升降杆，带编码器的直流电机的数量也为四个，包括第一带编码器的直流电机10、第二带编码器的直流电机11、第三带编码器的直流电机12和第四带编码器的直流电机13，每个升降杆均对应连接一个带编码器的直流电机。
2、定位步骤
如图3所示，定位步骤具体如下：
第一步：
S1.1首先测量配电柜的高度以及表计的位置。
S1.2在上位机进行设定升降云台5的最低限度和最高限度。
S1.3根据表计间的间隙设定每次上升的距离。
第二步：
S2.1在配电柜前方铺设磁条。
S2.2现场进行车身稳定调试，通过上位机设定合适的P值，I值，D值。
S2.3一轮巡检完毕后，升降云台5上升至所设置高度，继续巡检，以此往复直到升降到所设定的最高限度。
第三步：
S3.1将图像将内存中读出。
S3.2通过OpenCV将视频进行分解成若干图片。
S3.3由于表计的位置间隙，所以每3-5张图片中选取一张作为分析图像。
第四步：
S4.1对选取的图片进行灰度，二值化处理。
S4.2由于LCD屏幕和面板具有较大的亮度差异，我们可以使用边缘检测算法获得LCD的位置。
S4.3通过上一步我们可以获得一个边缘map，接着我们需要在这个边缘map中寻找轮廓，最后最大的矩形区域即是我们需要的LCD。
第五步：
S5.1因为LCD屏幕是矩形，所以筛选有4个顶点的矩形框。其他的图片删除。
S5.2将最后得到的图片与带编码器的直流电机的信息进行匹配得到升降杆所升到的高度以及配电柜。
S5.2具体实现如下：
由于车速是线性的我们可以通过以下公式来确定配电柜的位置：
Figure GDA0003625301650000071
式中，S为距离，即配电柜的位置，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块6的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，v为无人巡检机器人的行驶速度。
由于升降杆每次升降的高度是一定的，所以可以通过查表的方式确定表计位置：
Figure GDA0003625301650000072
式中，Sup-down为升降云台5的调整次数，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块6的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，t为每轮巡检所需的时间。根据Sup-down，通过查表得到编码器信息，得到升降台的准确位置。
如图4和图5所示，无人巡检机器人在巡检过程中还进行异常声响检测，该异常声响检测的流程具体为：在无人巡检机器人直行过程中，通过声音传感器4检测，判断是否检测到异常声响，若否则继续直行，若是，则无人巡检机器人停止直行，根据声音传感器4进行检测，判断是否为误判，若是，则继续直行，若否则通过WIFI模块发出报警信息。若再次检测到声响，则不是误判，否则为误判。
3、具体实施过程
首先在配电柜前方放置磁条，放置完毕后，在现场进行车身稳定测试，在上位机上设置合适的P值，I值与D值以增加车身1在运动的过程中的稳定性。之后将机器人初始化，通过测量配电柜高度以及表计高度来设定升降云台5的最低限度和最高限度。根据表计间的间隙设定每次上升的距离。之后机器人开始摄像，一轮巡检完毕后，升降云台5上升至所设定高度，继续巡检，以此往复直到升至所设定的最高限度。将所拍摄的视频进行图像分解并取出每帧图像，首先读取内存中的图像信息，通过OpenCV将视频分解成若干图片，然后根据表计间的间隙从3-5张图片中选取一张作为分析图像。对取出的图像进行灰度，二值化处理，由于LCD屏幕和面板具有较大的亮度差异，所以我们可以使用边缘检测算法获得LCD的位置，通过上一步可以获得一个边缘map并在这个边缘map中寻找轮廓，最后最大的矩形区域即是我们需要的LCD。
因为LCD屏幕是矩形，所以筛选有4个顶点的矩形框，其他的图片删除。将最后得到的图片与带编码器的直流电机的信息进行匹配得到升降杆所升到的高度以及配电柜所在位置。我们可以通过带编码器的直流电机来得到车的运行速度，从而用如下公式来确定配电柜的位置：
Figure GDA0003625301650000081
式中，S为距离，即配电柜的位置，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块6的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，v为无人巡检机器人的行驶速度。
由于升降杆每次升降的高度是一定的，所以可以通过查表的方式确定表计位置：
Figure GDA0003625301650000082
式中，Sup-down为升降云台5的调整次数，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块6的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，t为每轮巡检所需的时间。根据Sup-down，通过查表得到编码器信息，得到升降台的准确位置。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于配电室的无人巡检机器人，包括车身(1)、车轮(2)、车身驱动机构和核心控制板(3)，其特征在于，所述无人巡检机器人还包括分别连接所述核心控制板(3)的升降云台(5)、摄像云台(7)、摄像模块(6)、超声波传感器(8)、带编码器的直流电机和磁传导传感器(9)，所述升降云台(5)依次连接所述摄像云台(7)和摄像模块(6)，所述升降云台(5)受所述带编码器的直流电机驱动，所述磁传导传感器(9)设置在所述车身(1)的底端；
所述核心控制板(3)通过执行预先存储的巡检程序进行配电室巡检，所述配电室包括配电柜，该配电柜前方铺设有由磁条构成的磁路，所述配电室巡检的过程包括以下步骤：
S1：所述核心控制板(3)控制所述升降云台(5)位于预设的最低高度；
S2：所述核心控制板(3)根据所述磁传导传感器(9)传输的磁路探测结果，通过所述车身驱动机构控制车身(1)沿所述磁路进行匀速巡检，同时通过所述摄像模块(6)实时采集巡检图像，直至完成一轮巡检；
S3：所述核心控制板(3)根据预设的上升高度控制所述升降云台(5)上升，然后重复执行步骤S2和S3，直至所述升降云台(5)位于预设的最高高度；
所述核心控制板(3)采用图像识别算法从所述巡检图像中识别设置在配电柜上的表计，获取识别有所述表计的巡检图像，根据该巡检图像对应的编号，分别获取配电柜的位置和表计的高度。
2.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，所述配电柜的位置的计算表达式为：
Figure FDA0003625301640000011
式中，S为距离，即配电柜的位置，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，v为无人巡检机器人的行驶速度。
3.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，根据所述升降云台(5)的调整次数以及预设的上升高度，获取所述表计的高度，所述升降云台(5)的调整次数的计算表达式为：
Figure FDA0003625301640000012
式中，Sup-down为升降云台的调整次数，n为所得巡检图像的编号，N为摄像模块的帧率，ci为转弯时间常数数列，i为折返次数，t为每轮巡检所需的时间。
4.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，从所述巡检图像中识别设置在配电柜上的表计具体为：
对所述巡检图像进行二值化处理；
采用边缘检测算法对所述二值化处理后的巡检图像进行处理，获取边缘图像；
从所述边缘图像中识别矩形区域轮廓，从识别结果中选取最大的矩形区域轮廓，作为所述表计的识别结果。
5.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，所述巡检图像的获取具体为，采用OpenCV对所述摄像模块(6)采集的视频进行分解，获取所述巡检图像。
6.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，在所述配电室巡检过程中，所述核心控制板(3)根据所述超声波传感器(8)进行异物探测，当探测到异物时，控制所述无人巡检机器人进行紧急避让。
7.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，无人巡检机器人还包括声音传感器(4)，该声音传感器(4)设置在所述车身(1)上，并连接所述核心控制板(3)；
在无人巡检机器人直行过程中，所述核心控制板(3)通过声音传感器(4)检测，判断所述声音传感器(4)传输的数据是否超过预设的声音阈值，若否则继续直行，若是，则无人巡检机器人停止直行，根据声音传感器(4)进行检测，判断是否为误判，若是，则继续直行，若否则执行报警措施。
8.根据权利要求7所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，无人巡检机器人还包括WIFI模块，所述报警措施为通过所述WIFI模块发送报警信息。
9.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，所述核心控制板(3)采用ARM核心控制板。
10.根据权利要求1所述的一种用于配电室的无人巡检机器人，其特征在于，所述升降云台(5)包括依次连接的多个升降杆，所述带编码器的直流电机的数量为多个，每个所述升降杆均对应连接一个所述带编码器的直流电机。
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