一种巡检机器人激光导航系统及方法与流程

[0001]
本发明涉及巡检机器人技术领域，尤其涉及一种巡检机器人激光导航系统及方法。


背景技术：

[0002]
变电站巡检机器人是智能变电站为了取代人工巡检所出现的产物。变电站大多处于人烟稀少，甚至是环境恶劣的地区，加之无人值守变电站的发展，只通过人工巡检效率低下、安全性、可靠性差。变电站巡检机器人与传统人工巡检相比，主要是对高压以及无人值守变电站下的设备进行巡检。
[0003]
目前巡检机器人包括如下模块：行走模块、图像识别模块、导航模块。巡检机器人按照行走方式可以分为轮式巡检机器人、履带式巡检机器人和固定轨道式巡检机器人。
[0004]
近年来，随着变电站巡检机器人应用日益广泛，更多的机器人厂商投入到变电站巡检机器人的设计、研发和销售中来。据不完全统计，国内已有25家具备一定规模的机器人制造厂商，并且研制出适用于各种环境下的变电站巡检机器人，这就极大的促进了变电站巡检机器人的应用。
[0005]
现有的变电站智能巡检机器人技术中，结合图1，已基本实现自动化，机器人按照规划路径行驶，在指定位置停靠，进行设备检查。无需人为干预。但是，其运行控制系统仍有待完善。为了使机器人不偏离轨道，准确停靠，必须依靠辅助装置提供辅助定位信息。运动控制系统通过在巡检路线下铺设磁条，由机器人前部的磁传感器阵列检测机器人相对于磁轨迹的偏移。根据轨迹偏移信息，电机驱动控制模块控制驱动轮差速，从动轮轮随动，调整机器人运行姿态，跟踪磁轨迹。同时在巡检路线的转弯或上坡路段预埋rfid标签，rfid标签的串号与地理位置一一对应。机器人通过读卡器读取rfid信息并将机器人的位置传递给工控机，并根据相应路段下发停车、转弯、调速等相应控制指令给电机驱动器，完成特殊路段的自动行进。
[0006]
虽然磁轨导航系统具有良好的稳定性，很少会受到外界环境因素的影响。按照预设的运行轨迹将磁性材料预埋在地下，机器人通过传感器探测磁力块信息，不断监测行进间偏移的位置。由于磁轨导航系统需要通过雷达监测预埋的标签，在相应位置执行不同的操作，如停车、转向等。因此对天气要求较高，阴雨、雷暴等恶劣天气对磁轨导航系统的影响较大。其影响主要分为两点：
[0007]
1.磁轨导航系统需要连接定位系统，而恶劣天气会影响信号的传导，造成操作信息的传导延迟或缺失。
[0008]
2.磁轨导航系统需要在巡检路线下铺设磁条，需要对变电站巡检路段进行开挖及安装磁条工作，部署难度偏高。另外，需要定期对磁条进行检测及维护，否则磁条老化会造成定位信息不准，影响自动巡检的进行。


技术实现要素：

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针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种巡检机器人激光导航系统及方法，使用激光雷达技术代替磁导轨导航系统，无需铺设磁条以及对磁条进行维护，采用激光测距技术代替射频发射技术给机器人下达运动指令，采用激光测距技术辅助机器人修正行进路线。
[0010]
为达到上述目的，本发明提供了一种巡检机器人激光导航系统，包括激光发射器、接收板、图像采集模块以及主控计算机；
[0011]
所述激光发射器安装于巡检机器人，用于发射激光；所述接收板安装在变电站巡检路线的拐弯后的直行路段，接收到所述激光发射器发射的激光后，发送采集信号至所述主控计算机；
[0012]
所述主控计算机接收到所述采集信号后开启所述图像采集模块，所述图像采集模块采集所述接收板的图像，并发送给所述主控计算机；当所述巡检机器人沿直线前进时，图像中激光点位置不变；所述主控计算机根据图像中激光点位置的变化，判断机器人的行进方向的偏移，调整行进方向。
[0013]
进一步地，所述主控计算机包括校正模块、偏移采集模块和伺服控制模块，如果图像中激光点位置未位于图像中心区域，则所述校正模块调整图像采集模块视角直至激光点位置位于图像中心区域；视角调整完毕后启动偏移采集模块，偏移采集模块获取图像中激光点的位置，如果位于图像中心偏左的位置，则伺服控制模块输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向右，如果位于图像中心偏右的位置，则伺服控制模块输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向左。
[0014]
进一步地，所述主控计算机还包括巡检机器人定位模块，基于多帧图像中激光点位置计算所述巡检机器人的位置。
[0015]
进一步地，还包括地面监控计算机，接收主控计算机发送的图像，监控巡检机器人的位置以及激光发射器是否正常发射激光。
[0016]
进一步地，所述接收板上设置若干激光接收器，采集到激光后，如果超过强度阈值，则发送采集信号至所述主控计算机。
[0017]
进一步地，所述激光发射器安装于巡检机器人两个前轮之间，拐弯后的直行路段设置所述接收板，位于巡检机器人的正前方。
[0018]
本发明另一方面提供一种巡检机器人激光导航方法，包括：
[0019]
巡检机器人设置激光器发射激光；变电站巡检路线中每个拐弯后的直行路段安装接收板；
[0020]
所述巡检机器人拐弯后，进入直行路段，所述安装接收板接收到所述激光发射器发射的激光，发送采集信号至主控计算机；
[0021]
所述主控计算机接收到所述采集信号后开启图像采集模块，采集所述接收板的图像，并发送给所述主控计算机；如果图像中激光点位置未位于图像中心区域，则所述主控计算机调整图像采集模块视角直至激光点位置位于图像中心区域；
[0022]
视角调整完毕后基于采集的图像连续调整行进方向包括：获取图像中激光点的位置，如果位于图像中心偏左的位置，则输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向右，如果位于图像中心偏右的位置，则输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前
轮向左。
[0023]
进一步地，还包括，视角调整完毕后基于采集的图像计算所述巡检机器人的位置。
[0024]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0025]
(1)本发明采用激光测距技术代替磁导轨导航技术，克服了恶劣天气对机器人定位的影响。
[0026]
(2)本发明不需要在变电站内部署磁导轨，激光接收器的部署相对简单。
[0027]
(3)本发明的调整方式计算简单，调整速度快，在通过弯道后进行连续的调节，快速将车体调整为沿直线前进。
附图说明
[0028]
图1是机器人全局结构图；
[0029]
图2激光采集示意图；
[0030]
图3为巡检机器人激光导航系统组成示意图。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0032]
结合图3，本发明的巡检机器人激光导航系统，包括管理层、规划层以及执行层。管理层设置地面监控计算机，接收主控计算机发送的图像，监控巡检机器人的位置以及激光发射器是否正常发射激光。规划层包括主控计算机、激光发射器、图像采集模块、接收板、声光报警模块。
[0033]
所述主控计算机包括校正模块、偏移采集模块和伺服控制模块，如果图像中激光点位置未位于图像中心区域，则所述校正模块调整图像采集模块视角直至激光点位置位于图像中心区域；视角调整完毕后启动偏移采集模块，偏移采集模块获取图像中激光点的位置，如果位于图像中心偏左的位置，则伺服控制模块输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向右，如果位于图像中心偏右的位置，则伺服控制模块输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向左。
[0034]
进一步地，所述激光发射器安装于巡检机器人两个前轮之间，拐弯后的直行路段设置所述接收板，位于巡检机器人的正前方。
[0035]
进一步地，所述接收板上设置若干激光接收器，采集到激光后，如果超过强度阈值，则发送采集信号至所述主控计算机。
[0036]
进一步地，所述主控计算机还包括定位模块，基于多帧图像中激光点位置计算所述巡检机器人的位置。
[0037]
执行层包括下位机、伺服电机驱动器、电动机、巡检机器人以及位置、速度传感器。位置、速度传感器采集两个前轮的位置及速度发送给下位机。下位机控制巡检机器人移动，接收所述主控计算机的指令，控制伺服电机驱动器，控制电动机调整巡检机器人的两个前轮。
[0038]
高清摄像头拍摄激光点位置，拍摄两组位置后，由几何光学知识计算出机器人与激光接收器的相对位置。转弯后地面上有两个感应区域，前轮、后轮分别压到感应区的时候就会上传l
n1
和l
n2
＝l
n1-前后轮距。经过第一个感应区激光点图像坐标中的位置p
n1
为(x
n1
,y
n1
)，经过第二个感应区激光点图像坐标中的位置p
n2
为(x
n2
,y
n2
)，基于以上两点的位置信息，定位模块可以计算采集的激光点对应的位置。
[0039]
本发明的激光导航系统包括管理层、规划层以及执行层。
[0040]
管理层包括人机接口、地面监控计算机。主要通过摄像头监控巡检机器人的实时位置；规划层可接收机器人传回的实时位置信息，在巡检路线发生偏差时，可修改自动校正的数值，人工辅助机器人进行二次校正，也可对摄像头进行控制。
[0041]
主控计算机与机器人通过无线网络进行连接，机器人可将激光定位信息，摄像机视频信息传回主控计算机。主控机接收到当前测量点x，y的值，计算机器人与激光接收器的距离l，向下位机发出减速及调整方向的指令。若巡检设备出现异常放电、结构破损等故障，机器人可将声光报警信息及设备破损位置图像回传。
[0042]
两台伺服电动机分别控制机器人前轮转向和后轮转速。
[0043]
位置传感器可记录机器人与激光接收器的实时直线距离，速度传感器记录机器人实时速度。另一组位置传感器与激光接收器记录机器人相对于道路两侧的距离和速度信息，在接近道路边缘时主控机通过下位机向后轮伺服电动机发出减速或停止行进命令，机器人停止后需人工修改行进方向及路线，并再次发出启动命令。
[0044]
同时，在发射激光时，摄像机需辅助拍摄照射位置，通过图像采集卡将视频信息传给下位机，再上送到主控计算机，视频信息为人工二次校准提供依据。
[0045]
本发明另一方面提供一种巡检机器人激光导航方法，包括：以下步骤：
[0046]
(1)巡检机器人设置激光器发射激光；变电站巡检路线中每个拐弯后的直行路段安装接收板；
[0047]
(2)所述巡检机器人拐弯后，进入直行路段，所述安装接收板接收到所述激光发射器发射的激光，发送采集信号至主控计算机；
[0048]
(3)所述主控计算机接收到所述采集信号后开启图像采集模块，采集所述接收板的图像，并发送给所述主控计算机；如果图像中激光点位置未位于图像中心区域，则所述主控计算机调整图像采集模块视角直至激光点位置位于图像中心区域；
[0049]
(4)视角调整完毕后基于采集的图像连续调整行进方向，包括：获取图像中激光点的位置，如果位于图像中心偏左的位置，则输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向右，如果位于图像中心偏右的位置，则输出指令至伺服电机驱动器调整巡检机器人的前轮向左。连续对行进方向进行调整，使得机器人沿直线前进。
[0050]
综上所述，本发明涉及一种巡检机器人激光导航系统及方法，巡检机器人设置激光器发射激光；变电站巡检路线中每个拐弯后的直行路段安装接收板；巡检机器人设置激光器发射激光；变电站巡检路线中每个拐弯后的直行路段安装接收板；采集接收板的图像，如果图像中激光点位置未位于图像中心区域，则主控计算机调整图像采集模块视角直至激光点位置位于图像中心区域；如果偏离图像中心则调整巡检机器人的前轮方向。本发明采用激光测距技术代替磁导轨导航技术，克服了恶劣天气对机器人定位的影响；不需要在变电站内部署磁导轨，激光接收器的部署相对简单；调整方式计算简单，调整速度快，在通过
弯道后进行连续的调节，快速将车体调整为沿直线前进。
[0051]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。