具有自适应偏振镜调节的巡检机器人图像处理系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有自适应偏振镜调节的巡检机器人图像处理系统及方法。
【背景技术】
[0002] 变电站设备巡检机器人是基于自主导航、精确定位、自动充电的室外全天候移动 平台，集成可见光、红外、声音等传感器；基于磁轨迹和路面特殊布置的RFID标签，实现巡 检机器人的最优路径规划和双向行走，将被检测设备的视频、图像数据通过无线网络传输 到监控室；巡检后台系统通过对待检设备的图像处理和模式识别等技术，结合设备图像模 板库，实现对设备缺陷、分合状态、外观异常的判别，以及仪表读数、油位计位置的识别；并 配合智能变电站顺控操作系统实现被控设备状态的自动校核（见参考文献1)。
[0003] 首先来了解一下巡检机器人对变电站设备检测识别的基本流程：在执行巡检任务 前，需要将机器人拍摄的变电站每一个预置位的设备图像都保存到模板库中，模板库中的 设备图像和变电站的设备是一一对应的，在向巡检机器人下达巡检任务时，要将在每个预 置停车位拍摄模板图像的各项参数（如，云台角度，相机焦距等）明确的指出，在巡检机器 人行进至此预置停车位后，依照该设备模板图像的采集方式进行姿态调整，拍摄实时的设 备图像并将图像回传至上层模式识别服务器，通过实时图像与模板图像的匹配进行设备区 域标定及设备工作状态识别。
[0004] 由此可见，机器人对设备工作状态的图像采集质量关系到整个巡检任务的结果。 变电站设备的模板图像是由人工操作机器人进行采集，往往选择光线照射柔和、清晰度良 好的图像作为该设备的模板。但是在实际的机器人巡检过程中，强烈阳光的照射、设备的反 光、明亮的天空背景、眩光等很多因素制约着设备图像的采集工作。这些不利于摄影工作的 因素有碍机器人对变电站设备运行状态进行准确的模式识别。具体影响例如：
[0005] (1)设备的反光：也称眩光，仪表是变电站中非常常见又相当重要的设备，也是巡 检机器人需要重点观测的对象，普通的500kv变电站中，约有700至800块各式的仪表设备 遍布在整个变电站的装置当中。无论数字显示的仪表或是指针式仪表，犹如我们常见的钟 表一般均在表盘外有一块起到保护作用的玻璃罩。变电站巡检机器人身高1. 1米，在观测 仪表设备时基本处于"仰视"的状态，而仪表朝向是多方向的，并非规则的面向机器人的巡 检路线，甚至有些处于装置顶端的设备在人工抄表时需要攀登近距离观测。由于玻璃表盘 与仪表的设置方向，在晴朗的天气下机器人进行巡检任务时，总会或多或少的有一部分仪 表反射阳光，使机器人不能采集到仪表指针或示数等细节，造成状态识别的障碍；
[0006] (2)反射其它设备的阴影：除却仪表设备，变电站中会为某些精密设备安装铁柜 加以保护，但又为了便于观测柜内的设备状态，柜门以玻璃门制作，如汇控柜、配电柜等。这 一层玻璃门虽然不易反射太阳光，但是由于面积较大经常反射其他装置的倒影，使得机器 人拍摄的图像无法透过玻璃门观测柜内的设备状态细节，甚至倒影产生的边缘信息会为设 备的图像处理造成干扰；
[0007] (3)水滴：当前机器人可以代替人工在全天候下对变电设备执行巡检任务，即便 在雨雪天气巡检机器人也应保证高效率的工作质量，但采集的图像中有水滴滞留在观测设 备表面时，水滴的光斑会对图像处理及识别的效果带来干扰，应当在采集图像时采取措施， 最大化避免这种客观条件的影响；
[0008] (4)过亮的天空：当机器人采集设备状态图像时大多处于"仰视"状态，此时采集 的图像明亮的蓝色天空占据了大部分的背景比例，而相机的感光器件是自动控制，由于背 景明亮，固在采集图像时相机自动降低了曝光度以平衡图像中的明暗区域，这样造成了机 器人所需观察的设备区域过暗，无法进行细节信息的识别。
[0009] 其中，参考文献1为：鲁守银，钱庆林，张斌等.变电站设备巡检机器人的研制 [J]?电力系统自动化，2006, 30(13) :94 _ 98。
【发明内容】
[0010] 本发明为了解决上述问题，提出了一种具有自适应偏振镜调节的巡检机器人图像 处理系统及方法，本系统设置偏振镜，使得相机的光轴垂直穿过偏振镜的中心，并且偏振镜 可以以可见光相机的光轴为中心轴旋转，把景物表面的反光降到最低程度，使得有害眩光 减至最小甚至消失，拍摄出优质的图像。
[0011] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] 一种具有自适应偏振镜调节的巡检机器人图像处理系统，包括巡检机器人本体、 图像采集机构、偏振镜和偏振镜自动旋转驱动装置，其中，图像采集机构设置于巡检机器人 本体前端，用于采集变电站内的视频、图像数据，偏振镜设置于图像采集机构前端，偏振镜 固定于偏振镜自动旋转驱动装置上，使得相机的光轴垂直穿过偏振镜的中心，并且偏振镜 以可见光相机的光轴为中心轴旋转。
[0013] 所述图像采集机构包括云台和摄像机，其中，摄像机设置于云台上。
[0014] 所述偏振镜自动旋转驱动装置，包括固定盘、回转盘、偏振镜、支撑轮、支撑轮轴、 马达齿轮、马达、过渡齿轮和编码器，其中，固定盘固定于摄像机镜头前端，所述固定盘安装 有支撑轮、马达、编码器，所述支撑轮安装在支撑轮轴上，所述支撑轮轴固定在固定盘上，所 述马达的输出轴安装有马达齿轮，所述编码器的轴安装有过渡齿轮，所述过渡齿轮与回转 盘的外齿啮合，所述回转盘设有指针，所述回转盘由支撑轮支撑，所述回转盘固定有偏振 镜。
[0015] 所述固定盘上刻有间隔为1°的0-180°刻度。
[0016] 所述过渡齿轮与马达齿轮啮合。
[0017] 基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
[0018] (1)变电站巡检机器人接收巡检任务，在规划路径上行驶，行驶至设备观测点预置 位；
[0019] (2)变电站巡检机器人接收该设备模板图像采集时的工作参数，根据工作参数调 整本体姿态，采集该设备的实时巡检图像；
[0020] (3)巡检机器人将采集的巡检图像回传至后台服务器，调取该设备的模板配置图 像，与巡检图像进行图像匹配、模式识别，对巡检图像中的设备状态进行识别，输出结果；
[0021] (4)确认该设备观测点是否为最后一个观测点，如果是，结束巡检任务，巡检机器 人返回；如果不是，则重复步骤（1)-(3)。
[0022] 所述步骤（2)中，工作参数包括相机焦距、云台角度和偏振镜放置角度。
[0023] 所述步骤（2)中，模板图像的配置方法，具体包括：
[0024] (2-1)调整巡检机器人本体姿态，将待检测设备区域显示在图像的中央后，拍摄为 该设备的图像，并在图像中标定设备区域；
[0025] (2-2)标记此设备是否需要配置偏振镜角度进行图像采集，如是则执行步骤 (2-3)，否则执行步骤（2-7);
[0026] (2-3)如果是需要配置偏振镜角度进行观测的设备，则对步骤（2-1)采集的图像 进行图像处理，提取设备边缘信息；
[0027] (2-4)根据图像中设备边缘的信息，计算仿射投影角度，得到光线入射、反射平面， 在图像中求出入射光反射平面的垂线的斜率，求得眩光偏振极性在相机坐标系下的倾斜角 度；
[0028] (2-5)将相机坐标系下眩光偏振极性的倾斜角转化为偏振镜的旋转调节角度发送 给偏振镜角度旋转驱动装置，调节设置偏振镜放置角度；
[0029] (2-6)确定偏振镜角度旋转到位后，采集设备的模板图像；
[0030] (2-7)保存设备模板图像采集的工作参数，确定当前设备是否为模板配置的最后 一个设备，如否，则返回步骤1，如是，则结束设备模板图像的配置工作。
[0031] 所述步骤（2)中，偏振镜放置角度自动旋转调节步骤包括：
[0032] ⑴以机器人采集图像的相机坐标系为参照物，以Z轴为中心，逆时针旋转偏振镜 角度放置，将计算得出的偏振镜放置角度作为输入值传至偏振镜自动旋转驱动装置；
[0033] (ii)电机驱动镜片按照指定方向旋转输入的角度数，编码器记录旋转起始位置；
[0034] (iii)编码器验证角度旋转是否到位，