一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人的制作方法

一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人
1.本发明是发明名称为“基于分布式框架的自主导航巡检机器人的控制方法”的分案申请，其中，母案的申请号为201610858249.5，申请日为2016.09.28。
技术领域
2.本发明涉及机器人自动导航技术领域，特别是涉及一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人。


背景技术：

3.近年来随着智能电网朝着信息化、数字化、自动化、互动化的方向发展，智能机器人在高空、隧道电力线路巡检、无人值守变电站巡检方面的应用越来越得到电力系统部门的重视。国家各级电力调度和控制中心作为电网安全、可靠运行的核心环节，通过安装视频、温检等不同类型的传感器对电力设备安全运行进行监控。目前除省级部门设有专人对远程搜集的数据进行监管之外，各地方部门采用工作人员定时巡检模式，主要分为例行巡检和特殊巡检。例行巡检每天至少2次；特殊巡检一般在高温天气、大负荷运行、新投入设备运行前以及大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨后进行。此外，检修人员还通过手持红外热像仪，一般每半个月一次对变电站设备进行红外测温，现有巡检方式主要为人工巡视，手工或手持掌上电脑记录，每次巡视时间在2h以上。
4.因此，将移动智能机器人应用于电力调度和控制中心的设备运行监控无疑会增加电力系统的安全冗余，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行巡检，可及时发现电力设备的热缺陷、异物悬挂等异常现象，自动报警或进行预先设置好的故障处理，对于智能电网的安全运行具有重要的意义。
5.目前已有轨道、磁条导航、差分gps、航位推算、惯性及视觉标识等定位导航方式已被引入巡检机器人并在变电站现场进行了测试，但由于变电站室外大规模环境里，电力设备林立且存在强电磁干扰，上述定位导航方法，有的涉及大量现场施工、成本及维护成本，有的易受电磁干扰、误差累积及视觉标识受雨雪遮挡等因素影响难以在变电站内可靠工作。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人，实现对户外开放式环境的全面、准确且稳定的自动导航巡检。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人，所述自主导航巡检机器人包括：导航模块、图像与温度传感器模块、距离传感器模块、角速度传感器模块、线加速度传感器模块、数据收集模块、数据转换与融合模块、slam模块和电机控制模块；
9.所述导航模块包括gps/北斗单元和激光传感器；所述图像与温度传感器模块包括双目视觉传感器和红外热成像传感器；所述距离传感器模块包括超声波传感器；所述角速
度传感器模块包括两个加速度计；线加速度传感器模块包括两个陀螺仪和两个地磁指南针；
10.其中，所述双目视觉传感器、所述加速度计、所述陀螺仪和所述地磁指南针相互配合构成视觉里程计；
11.所述数据收集模块用于收集位置信息、图像与温度信息、距离信息、角速度信息以及线加速度信息；所述数据转换与融合模块用于将所述数据收集模块收集的各种信息进行转换及融合并输出融合后的信息；所述slam模块用于根据融合后的信息，构建机器人所处环境的地图信息实现机器人的定位与路径的导航与规划；所述电机控制模块用于根据所述slam模块得到的信息控制巡检机器人运动；
12.工作时，通过gps/北斗单元为主进行速度和位置的测量；当gps/北斗单元的信号弱时，通过所述视觉里程计探测前方场景中物体的深度，以产生深度图像进行障碍感知；所述深度图像还可以用于重建一个巡检机器人周围的局部地图，以进行精细的运动规划；
13.以所述双目视觉传感器为主进行深度图像的测量；当在户外光照强烈或光照不足时，自动从所述双目视觉传感器切换到所述激光传感器进行地图数据的测量和采集。
14.可选地，所述自主导航巡检机器人还包括线速度传感器模块；
15.所述线速度传感器模块包括里程计；
16.数据收集模块还用于收集线速度信息。
17.可选地，所述自主导航巡检机器人工作时，以两个地磁指南针的其中一个进行前方场景中物体深度的探测；
18.当工作中的地磁指南针受到严重干扰的时候，自动进行备份切换到另一个未工作的地磁指南针进行前方场景中物体深度的探测。
19.可选地，所述自主导航巡检机器人工作时，以两个陀螺仪的其中一个进行前方场景中物体深度的探测；
20.当工作中的陀螺仪受到严重干扰的时候，自动进行备份切换到另一个未工作的陀螺仪进行前方场景中物体深度的探测。
21.可选地，所述自主导航巡检机器人工作时，以两个加速度计的其中一个进行前方场景中物体深度的探测；
22.当工作中的加速度计受到严重干扰的时候，自动进行备份切换到另一个未工作的加速度计进行前方场景中物体深度的探测。
23.可选地，所述电机控制模块采用具有网络连接的arm系列。
24.可选地，所述自主导航巡检机器人还包括：
25.可视化界面，用于显示机器人所处环境的图像信息及地图信息。
26.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
27.本发明提供一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人，通过双目视觉传感器、加速度计、陀螺仪和地磁指南针相互配合构成视觉里程计；通过数据收集模块收集位置信息、图像与温度信息、距离信息、角速度信息以及线加速度信息；通过数据转换与融合模块将数据收集模块收集的各种信息进行转换及融合并输出融合后的信息；slam模块根据融合后的信息，构建机器人所处环境的地图信息实现机器人的定位与路径的导航与规划；电机控制模块用于根据slam模块得到的信息控制巡检机器人运动。由于其采用的三种确定高度
的传感器：超声波、激光、双目立体视觉，这三种传感器几乎可以覆盖所有让传统巡检机器人头疼的场景：树丛上方、室内、靠近建筑的位置、大风环境等，从而达到更全面的巡检范围。
28.工作时，通过gps/北斗单元为主进行速度和位置的测量；当gps/北斗单元的信号弱时，通过视觉里程计探测前方场景中物体的深度，以产生深度图像进行障碍感知；深度图像还可以用于重建一个巡检机器人周围的局部地图，以进行精细的运动规划。以双目视觉传感器为主进行深度图像的测量；当在户外光照强烈或光照不足时，自动从双目视觉传感器切换到激光传感器进行地图数据的测量和采集，从而实现更稳定的巡检，不会因为外部环境的变化影响到巡检机器人的巡检运动和结果。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的结构示意图。
30.图1为本发明实施例提供的基于分布式框架的自主导航巡检机器人的系统框架图；
31.图2为本发明实施例提供的基于分布式框架的自主导航巡检机器人的控制方法的流程图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明基于分布式框架通过多种传感器融合技术突破户外开放式环境的自主地图创建与定位技术构建变电站智能巡检机器人原理样机，代替操作人员执行定时巡检任务，在遇到设备运行异常时能及时报警，能够使技术人员根据需求获取想要的现场信息，做出合理、科学的应急决策。
34.上述关键技术的突破通过解决户外开放式下的地图创建、定位以及自主导航，为变电站巡检机器人在电力系统的推广应用提供重要的理论基础和技术支撑。分布式框架巡检机器人平台采用嵌入式系统作为主控，实现模块间通讯方式与模块间的完全解耦，所以对于导航规划层而言，定位方法、静态还是动态的地图，对于导航层内部几乎没有区别。
35.请参照图1，本发明实施例提供一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人，包括：导航模块，包括gps/北斗单元和激光传感器，图像与温度传感器模块，包括双目视觉传感器、红外热成像传感器；距离传感器模块，包括超声波传感器；角速度传感器模块，包括加速度计；线加速度传感器模块，包括陀螺仪和地磁指南针；线速度传感器模块，包括里程计；数据收集模块，用于收集所述位置信息、图像与温度信息、距离信息、角速度信息、线加速度信息以及线速度信息；数据转换与融合模块，用于将各种信息进行转换及融合并输入融合
后的信息；slam模块，用于根据融合后的信息，构建机器人所处环境的地图信息实现机器人的定位与路径的导航与规划；电机控制模块用于根据slam的信息控制巡检机器人运动；可视化界面，用于显示机器人所处环境的图像信息及地图信息。
36.所述双目视觉传感器与所述加速度计及陀螺仪和地磁指南针相互配合构成视觉里程计，用于探测前方场景中物体的深度，产生深度图进行障碍感知。深度图还可以用于重建一个巡检机器人周围的局部地图，以进行精细的运动规划。
37.优选的，所述线加速度传感器模块包括两个地磁指南针以实现双冗余备份，当工作中的地磁指南针受到严重干扰的时候，会自动进行备份切换到另一个未工作的地磁指南针。所述角速度传感器模块包括两个加速度计以实现双冗余备份，当工作中的加速度计受到严重干扰时，会自动进行备份切换到另一个未工作的加速度计。所述线加速度传感器模块包括两个陀螺仪以实现双冗余备份，当工作中的陀螺仪受到严重干扰时，会自动进行备份切换到另一个未工作的陀螺仪。
38.所述机器人工作时以通过gps/北斗单元为主进行速度和位置的测量，其他模块提供额外的速度和位置的测量值以提高gps/北斗单元的精度。当gps/北斗单元的信号弱时，系统自动从gps/北斗单元切换到其他模块为整个系统提供稳定的观测。
39.当机器人所处的环境光线适合时，系统主要以双目视觉传感器为主进行观测；当在户外光照强烈时，系统自动从所述双目视觉传感器切换到所述激光传感器；当在户外光照不足时，系统自动从所述双目视觉传感器切换到所述红外热成像传感器。
40.作为进一步改进的，所述电机控制模块可以采用具有网络连接的arm系列，从而能够保证系统长时间稳定运行。
41.请参照图2，本发明实施例还提供一种基于分布式框架的自主导航巡检机器人的控制方法，包括：
42.s1，通过gps/北斗单元为主进行速度和位置的测量，其他模块提供额外的速度和位置的测量值以提高gps/北斗单元的精度。
43.s2，当gps/北斗单元的信号弱时，系统自动从gps/北斗单元切换到其他模块为整个系统提供稳定的观测。
44.在步骤s2中，所述通过其他模块为整个系统提供稳定的观测的步骤包括：通过所述双目视觉传感器、所述加速度计、所述陀螺仪和所述地磁指南针相互配合构成视觉里程计，探测前方场景中物体的深度，以产生深度图进行障碍感知。
45.所述线加速度传感器模块包括两个地磁指南针，所述通过地磁指南针探测前方场景中物体的深度的步骤包括：以其中一个地磁指南针进行前方场景中物体深度的探测；当工作中的地磁指南针受到严重干扰的时候，自动进行备份切换到另一个未工作的地磁指南针进行前方场景中物体深度的探测。
46.所述线加速度传感器模块包括两个陀螺仪，所述通过陀螺仪探测前方场景中物体的深度的步骤包括：以其中一个陀螺仪进行前方场景中物体深度的探测；当工作中的陀螺仪受到严重干扰的时候，自动进行备份切换到另一个未工作的陀螺仪进行前方场景中物体深度的探测。
47.所述角速度传感器模块包括两个加速度计，所述通过加速度计探测前方场景中物体的深度的步骤包括：以其中一个加速度计进行前方场景中物体深度的探测；当工作中的
加速度计受到严重干扰的时候，自动进行备份切换到另一个未工作的加速度计进行前方场景中物体深度的探测。
48.所述方法进一步包括步骤s3，以双目视觉传感器为主进行地图信息的测量；当在户外光照强烈或光照不足时，自动从所述双目视觉传感器切换到所述激光传感器进行图像的测量。
49.相对于现有技术，本发明还具有如下优点：
50.1)所述控制方法可以根据户外信息，进行灵活的切换，从而可以适用不同的使用环境，扩展其应用范围。
51.2)通过多种传感器融合技术突破户外开放式环境的自主地图创建与定位技术构建变电站智能巡检机器人原理样机，代替操作人员执行定时巡检任务，在遇到设备运行异常时能及时报警，能够使技术人员根据需求获取想要的现场信息，做出合理、科学的应急决策。
52.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。