CN112260353B - 一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统和方法 - Google Patents

一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统和方法，包括自动充电座和巡检机器人；自动充电座包含充电电极、U型挡板和定位装置，实现巡检机器人的充电与定位；所述巡检机器人配置二维图像传感器、激光测距传感器和机器人充电电极，分别用于实现巡检机器人充电过程中的图像采集、测距和巡检机器人充电。充电电极安装在U型挡板的后侧面，U型挡板的底面与地面成2°斜坡。定位装置包含无线通讯装置、红色、绿色、蓝色投射灯。无线通讯装置能够与巡检机器人进行数据交互，利用继电器控制充电电极的通断电，保证设备的用电安全。本发明能够实现稳定的充电连接，具有较大的机械冗余，定位系统精度相对较高。

Description

一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统和方法
技术领域
本发明属于机器人自动充电技术领域，具体涉及一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统和方法。
背景技术
随着电力与自动化技术的不断发展与完善，变电室作为电压转换和分配电能的重要环节，逐渐向着智能化与自动化的方向前进。传统的变电室巡检主要是采取人工方式，定期的人工巡检会给值班人员带来较大的疲劳问题，从而可能引起较大的安全事故。随着机器人技术的发展，智能巡检机器人逐渐部署在变电室内实现自动巡检，有效地提高了变电室的巡检效率、极大地环节了变电室的人员短缺问题。
目前巡检机器人主要分为挂轨式和地面式两种，其中地面式巡检机器人主要采用电池供电，为实现巡检机器人24小时不间断巡检，地面式巡检机器人需配备自动充电系统。目前，巡检机器人自动化充电系统主要分为无线充电、机械连接式充电及自动更换电池。无线充电系统的电源利用效率相对较低，而自动更换电池对机器人结构及自身结构精度和复杂度要求较高，因此，机械连接式充电系统主要采用触点式连接机构，通常采用锁紧机构实现稳定连接，但该机构对机器人的定位系统有较高要求。
目前地面式巡检机器人的充电站导航对接主要采用磁导航、二维码导航、激光导航等方式，其中磁导航与二维码导航需改变现场环境，并且导航磁条和二维码标签易于受损，激光导航虽无需改造现场环境，但其定位误差相对较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统和方法，具有简单的机械结构，能够实现高冗余、高稳定性的充电连接，同时具有高精度的导航对接性能。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统，包括自动充电座和巡检机器人；
所述自动充电座包含充电电极、U型挡板和定位装置，实现巡检机器人的充电与定位；
所述巡检机器人配置二维图像传感器、激光测距传感器和机器人充电电极，分别用于实现巡检机器人充电过程中的图像采集、测距和巡检机器人充电。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的自动充电座的充电电极横向安装在U型挡板的后侧面，U型挡板的底面与地面成2°斜坡，当巡检机器人在该平面上时，由于重力作用，巡检机器人的重力有向后的分力，使得巡检机器人电极始终与自动充电座的充电电极连接，为保障巡检机器人容易进入U型挡板，U型挡板的底面前端为60°斜坡；
所述U型挡板的左右两侧挡板保证电极正确连接；
所述定位装置用于巡检机器人的数据通讯与定位。
上述的定位装置包含无线通讯装置、红色投射灯、绿色投射灯和蓝色投射灯；
所述无线通讯装置能够与巡检机器人进行数据交互，并能够利用继电器控制充电电极的通断电，保证设备的用电安全；
所述无线通讯装置，控制红色、绿色、蓝色三色投射灯开关状态，所述红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板，经二维图像传感器采集后用于自动充电座和巡检机器人的定位。
上述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统的自动充电方法，包括：
S1：当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系；
S2：当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，构建XOY’坐标系；
S3：在二维图像传感器的内部坐标系下得到XOY坐标系与XOY’坐标系的转换关系；
S4：利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系；
S5：巡检机器人根据获得的位置和角度误差进行调整，直至XOY坐标系与XOY’坐标系重合，此时巡检机器人已经进入自动充电座中，而后发送命令给无线通讯装置，控制关闭红色、绿色、蓝色三色投射灯，同时打开充电电极继电器，使得巡检机器人开始充电，当机器人充满后，关闭充电电极的继电器。
上述的S1所述当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系，包括：
S11：当巡检机器人在自动充电座内时，巡检机器人利用二维图像传感器采集天花板图像P1，然后巡检机器人发送命令给无线通讯装置，该装置控制红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板上；
S12：利用二维图像传感器采集天花板图像P2；
S13：通过图像P1和P2利用差分算法提取天花板上的光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
S14：根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为q1点，绿色光斑定义为q2点，蓝色光斑定义为q3点；
S15：巡检机器人利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体与地面的夹角，并利用该角度校正q1、q2、q3点的坐标；
S16：以q2点作为坐标系的原点，以q2与q1间的向量作为x轴，以q2与q3间的向量作为y轴，构建XOY坐标系。
上述的S2所述当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，构建XOY’坐标系，包括：
S21：所述当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，首先控制二维图像传感器采集天花板图像Q1，然后通过无线方式给自动充电座发送命令；
S22：无线通讯装置控制红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板上，并利用二维图像传感器采集天花板图像Q2；
S23：通过图像Q1和Q2利用差分算法提取天花板上的光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
S24：根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为p1点，绿色光斑定义为p2点，蓝色光斑定义为p3点；
S25：利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体与水平面的夹角，并利用该角度校正p1、p2、p3点的坐标；
S26：以p2点作为坐标系的原点，以p2与p1间的向量作为x轴，以p2与p3间的向量作为y轴，构建XOY’坐标系。
上述的S4所述利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系，具体为：
利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，已知二维图像传感器的焦距，基于小孔成像原理得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系。
本发明具有以下有益效果：
一、自动充电座的结构简单，能够实现稳定的充电连接；
二、基于图像的导航定位系统，实现原理简单，投射光斑可控，无需进行现场改造，定位精度相对磁导航等传统导航方式较高。
附图说明
图1是本发明的变电室巡检机器人自动充电系统的定位状态；
图2是本发明的变电室巡检机器人自动充电系统的连接状态；
图3是本发明的变电室巡检机器人自动充电系统的充电装置；
图4是本发明的变电室巡检机器人自动充电系统的巡检机器人；
图5是本发明的变电室巡检机器人自动充电系统的定位系统；
图6是本发明的变电室巡检机器人自动充电系统的连接稳定性分析。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1，本发明设计了一种应用与变电室巡检机器人的自动充电系统，该系统主要包含自动充电座101和巡检机器人102两部分。
参见图2，巡检机器人102在自动充电座101进行充电。
参见图3，图6，自动充电座101包含充电电极202、U型挡板201和定位装置。
定位装置包含红色投射灯204、绿色投射灯203，蓝色投射灯206，以及无线通讯装置205。
充电电极202横向安装在U型挡板201的后侧面，U型挡板201的底面与地面成2°斜坡，当巡检机器人102在该平面上时，由于重力作用，巡检机器人102的重力有沿斜坡向后的分力，使得巡检机器人102的充电电极302始终与自动充电座101的充电电极202连接。
为保障巡检机器人102容易进入U型挡板201，底面前端为60°斜坡。
U型挡板201的左右两侧挡板保证充电电极正确连接。
无线通讯装置205能够与巡检机器人102进行数据交互，并能够利用继电器控制充电电极202的通断电，保证设备的用电安全。
参见图4，巡检机器人102包含机器人本体301，二维图像传感器303、激光测距传感器304和机器人充电电极302。
参见图5，无线通讯装置205控制红色投射灯204、绿色投射灯203，蓝色投射灯206在天花板上形成三个不同颜色光斑。
上述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统的自动充电方法，包括：
S1：当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系；
S11：当巡检机器人102在自动充电座101内时，巡检机器人102利用二维图像传感器303采集天花板图像P1，然后巡检机器人102发送命令给无线通讯装置205，该装置控制三个投射灯203、204、206投射光斑至天花板上；
S12：利用二维图像传感器303采集天花板图像P2；
S13：通过图像P1和P2利用差分算法提取天花板上光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
S14：根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为q1点，绿色光斑定义为q2点，蓝色光斑定义为q3点；
S15：由于巡检机器人102处于2°度斜面上，利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体301与地面的夹角，并利用该角度校正q1、q2、q3点的坐标；
S16：以q2点作为坐标系的原点，以q2与q1间的向量作为x轴，以q2与q3间的向量作为y轴，构建XOY坐标系。
S2：当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，构建XOY’坐标系；
S21：当巡检机器人102离开自动充电座101后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，首先控制二维图像传感器303采集天花板图像Q1，然后通过无线方式给自动充电座101发送命令；
S22：无线通讯装置205控制三个投射灯203、204、206投射光斑至天花板上，并利用二维图像传感器303采集天花板图像Q2；
S23：通过图像Q1和Q2利用差分算法提取天花板上的光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
S24：根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为p1点，绿色光斑定义为p2点，蓝色光斑定义为p3点；
S25：利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体301与水平面的夹角，并利用该角度校正p1、p2、p3点的坐标；
S26：以p2点作为坐标系的原点，以p2与p1间的向量作为x轴，以p2与p3间的向量作为y轴，构建XOY’坐标系。
S3：在二维图像传感器303的内部坐标系下可以得到XOY坐标系与XOY’坐标系的转换关系；
S4：利用激光测距传感器304测量二维图像传感器303与天花板的距离，已知二维图像传感器303的焦距，基于小孔成像原理可以得到巡检机器人102当前位置与自动充电座101间的位置和角度关系；
S5：巡检机器人102根据获得的位置和角度误差进行调整，直至XOY坐标系与XOY’坐标系重合，此时巡检机器人102已经进入自动充电座101中，而后发送命令给无线通讯装置205，控制关闭三个投射灯203、204、206，同时打开充电电极202的继电器，使得巡检机器人101开始充电，当机器人充满后，关闭充电电极202的继电器。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统，其特征在于，包括自动充电座和巡检机器人；
所述自动充电座包含充电电极、U型挡板和定位装置，实现巡检机器人的充电与定位；
所述巡检机器人配置二维图像传感器、激光测距传感器和机器人充电电极，分别用于实现巡检机器人充电过程中的图像采集、测距和巡检机器人充电；
当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系；
当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，构建XOY’坐标系；
在二维图像传感器的内部坐标系下得到XOY坐标系与XOY’坐标系的转换关系；
利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系；
巡检机器人根据获得的位置和角度误差进行调整，直至XOY坐标系与XOY’坐标系重合，此时巡检机器人已经进入自动充电座中，而后发送命令给无线通讯装置，控制关闭红色、绿色、蓝色三色投射灯，同时打开充电电极继电器，使得巡检机器人开始充电，当机器人充满后，关闭充电电极的继电器；
所述当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系，包括：
当巡检机器人在自动充电座内时，巡检机器人利用二维图像传感器采集天花板图像P1，然后巡检机器人发送命令给无线通讯装置，该装置控制红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板上；
利用二维图像传感器采集天花板图像P2；
通过图像P1和P2利用差分算法提取天花板上的光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为q1点，绿色光斑定义为q2点，蓝色光斑定义为q3点；
巡检机器人利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体与地面的夹角，并利用该角度校正q1、q2、q3点的坐标；
以q2点作为坐标系的原点，以q2与q1间的向量作为x轴，以q2与q3间的向量作为y轴，构建XOY坐标系。
2.根据权利要求1所述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统，其特征在于，所述自动充电座的充电电极横向安装在U型挡板的后侧面，U型挡板的底面与地面成2°斜坡，当巡检机器人在平面上时，由于重力作用，巡检机器人的重力有向后的分力，使得巡检机器人电极始终与自动充电座的充电电极连接，为保障巡检机器人容易进入U型挡板，U型挡板的底面前端为60°斜坡；
所述U型挡板的左右两侧挡板保证电极正确连接；
所述定位装置用于巡检机器人的数据通讯与定位。
3.根据权利要求1所述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统，其特征在于，所述定位装置包含无线通讯装置、红色投射灯、绿色投射灯和蓝色投射灯；
所述无线通讯装置能够与巡检机器人进行数据交互，并能够利用继电器控制充电电极的通断电，保证设备的用电安全；
所述无线通讯装置，控制红色、绿色、蓝色三色投射灯开关状态，所述红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板，经二维图像传感器采集后用于自动充电座和巡检机器人的定位。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电系统的自动充电方法，其特征在于，包括：
S1：当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系；
S2：当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，构建XOY’坐标系；
S3：在二维图像传感器的内部坐标系下得到XOY坐标系与XOY’坐标系的转换关系；
S4：利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系；
S5：巡检机器人根据获得的位置和角度误差进行调整，直至XOY坐标系与XOY’坐标系重合，此时巡检机器人已经进入自动充电座中，而后发送命令给无线通讯装置，控制关闭红色、绿色、蓝色三色投射灯，同时打开充电电极继电器，使得巡检机器人开始充电，当机器人充满后，关闭充电电极的继电器；
S1所述当巡检机器人在自动充电座内时，构建XOY坐标系，包括：
S11：当巡检机器人在自动充电座内时，巡检机器人利用二维图像传感器采集天花板图像P1，然后巡检机器人发送命令给无线通讯装置，该装置控制红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板上；
S12：利用二维图像传感器采集天花板图像P2；
S13：通过图像P1和P2利用差分算法提取天花板上的光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
S14：根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为q1点，绿色光斑定义为q2点，蓝色光斑定义为q3点；
S15：巡检机器人利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体与地面的夹角，并利用该角度校正q1、q2、q3点的坐标；
S16：以q2点作为坐标系的原点，以q2与q1间的向量作为x轴，以q2与q3间的向量作为y轴，构建XOY坐标系。
5.根据权利要求4所述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电方法，其特征在于，S2所述当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，构建XOY’坐标系，包括：
S21：所述当巡检机器人离开自动充电座后，并且运行一段时间后，需要进行充电时，首先控制二维图像传感器采集天花板图像Q1，然后通过无线方式给自动充电座发送命令；
S22：无线通讯装置控制红色、绿色、蓝色三色投射灯投射光斑至天花板上，并利用二维图像传感器采集天花板图像Q2；
S23：通过图像Q1和Q2利用差分算法提取天花板上的光斑的边缘，并拟合光斑的圆心位置；
S24：根据光斑的颜色区别光斑，将红色光斑定义为p1点，绿色光斑定义为p2点，蓝色光斑定义为p3点；
S25：利用自身携带的惯性传感器获得机器人本体与水平面的夹角，并利用该角度校正p1、p2、p3点的坐标；
S26：以p2点作为坐标系的原点，以p2与p1间的向量作为x轴，以p2与p3间的向量作为y轴，构建XOY’坐标系。
6.根据权利要求4所述的一种用于变电室巡检机器人的自动充电方法，其特征在于，S4所述利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系，具体为：
利用激光测距传感器测量二维图像传感器与天花板的距离，已知二维图像传感器的焦距，基于小孔成像原理得到巡检机器人当前位置与自动充电座间的位置和角度关系。
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