基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒ǖ难矙z機(jī)器人的制作方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明專利涉及基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒ǖ难矙z機(jī)器人。
[0002]
【背景技術(shù)】： 近年來隨著智能電網(wǎng)朝著信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的方向發(fā)展，智能機(jī)器人在 高空、隧道電力線路巡檢、無人值守變電站巡檢方面的應(yīng)用越來越得到電力系統(tǒng)部門的重 視。我國各級電力調(diào)度和控制中心作為電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，通過安裝視頻、溫 檢等不同類型的傳感器對電力設(shè)備安全運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。目前除省級部門設(shè)有專人對遠(yuǎn)程搜 集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)管之外，各地方部門采用工作人員定時(shí)巡檢模式，即在夜間及絕大部分白 天時(shí)間處于無人值守狀態(tài)。因此，將移動(dòng)智能機(jī)器人應(yīng)用于電力調(diào)度和控制中心的設(shè)備運(yùn) 行監(jiān)控?zé)o疑會增加電力系統(tǒng)的安全冗余，對于智能電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。
[0003] 與目前已經(jīng)推廣應(yīng)用的變電站巡檢機(jī)器人相比，調(diào)控中心巡檢機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行 面臨如下難題： 1)調(diào)控中心巡檢機(jī)器人無法借助于GPS設(shè)備進(jìn)行精確定位，而變電站巡檢機(jī)器人借 助于差分GPS定位可以達(dá)到厘米級精度；埋設(shè)磁導(dǎo)引雖然能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對預(yù)設(shè)路線的跟 蹤，但需要對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改動(dòng)，巡檢過程中的精確定位也難度很大，且不利于后期任務(wù)的 局部修改，魯棒性差。
[0004] 2)調(diào)控中心巡檢機(jī)器人需要對監(jiān)控計(jì)算機(jī)的顯示器界面內(nèi)容進(jìn)行識別以實(shí)現(xiàn)對 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的認(rèn)知，而變電站巡檢機(jī)器人只需要利用自身攜帶的傳感器(如紅外攝 像儀、可見光攝像機(jī)）等獲取直接數(shù)據(jù)。由于機(jī)器人需要將視覺系統(tǒng)對準(zhǔn)計(jì)算機(jī)屏幕，精確 定位恰恰是最需要的。
[0005] 為了解決調(diào)控中心巡檢機(jī)器人所面臨的困難，本發(fā)明通過突破復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的自 主地圖創(chuàng)建與定位技術(shù)構(gòu)建電力調(diào)度控制中心巡檢機(jī)器人原理樣機(jī)，代替操作人員執(zhí)行定 時(shí)巡檢任務(wù)，在遇到設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)能及時(shí)報(bào)警，并能在技術(shù)人員的遠(yuǎn)程操控下與調(diào)控中 心現(xiàn)有固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動(dòng)感知系統(tǒng)，能夠使技術(shù)人員根據(jù)需求獲取想要的 現(xiàn)場信息，做出合理、科學(xué)的應(yīng)急決策。上述關(guān)鍵技術(shù)的突破通過解決復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的地 圖創(chuàng)建、自主定位以及監(jiān)視器內(nèi)容認(rèn)知瓶頸難題，為調(diào)控中心巡檢機(jī)器人在電力系統(tǒng)的推 廣應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】
： 1基于場景-拓?fù)涞膶哟位h(huán)境建模與特征約簡 將多源傳感器信息融合后提取的時(shí)空不變特征以圖1的方式進(jìn)行層次化建模，由上到 下依次為拓?fù)鋵?、場景層和特征層。其中場?拓?fù)涞貓D由若干類型的節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)場 景包含與拓?fù)涔?jié)點(diǎn)分支數(shù)相同的場景，每一個(gè)場景包含若干彩色0RB特征。
[0007] 為了解決海量特征匹配所面臨的瓶頸問題，采用兩級特征約簡技術(shù)：首先，通過提 取環(huán)境的拓?fù)涔?jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)第一級特征約簡一巡檢機(jī)器人無需在環(huán)境中的所有位置和視角 獲取場景，而只需在節(jié)點(diǎn)的通道方向上獲取場景并抽取特征，這是對非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境的 一種稀疏描述；其次，利用多幀相似場景的特征聚類對本地局部地圖的場景特征進(jìn)行優(yōu)化， 通過將低重復(fù)匹配率的特征刪除提高巡檢機(jī)器人的特征匹配效率。
[0008] 2基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒?由于場景-拓?fù)涞臅r(shí)空不變特征對圖像的比例縮放、旋轉(zhuǎn)、三維視角、噪聲、光強(qiáng)的變 化具有較好的不變性，機(jī)器人的自主定位問題可以簡化為特征匹配問題。即通過當(dāng)前節(jié)點(diǎn) 的場景與地圖庫中的場景匹配，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在拓?fù)涞貓D中的定位。
[0009] 我們在早期的自主定位方法采用一種類似于齒輪嚙合的方法，即把每一個(gè)通 道對應(yīng)的場景作為齒輪的一個(gè)齒，通過匹配節(jié)點(diǎn)上所有的齒實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的節(jié)點(diǎn)定位。 但是，當(dāng)環(huán)境中存在多個(gè)相似節(jié)點(diǎn)時(shí)（如走廊中的門口、相似的格局和辦公器具擺設(shè) 等），齒輪嚙合方法通常無法獲得正確的匹配結(jié)果。因此本項(xiàng)目擬采用隱馬爾可夫模型 (HiddenMarkovModel,HMM)提高機(jī)器人的定位準(zhǔn)確率，在CHMM中，觀測模型@?丨〇 表示機(jī)器人n在本地拓?fù)涔?jié)點(diǎn)<處觀測到機(jī)器人m提供的場景< 的概率；運(yùn)動(dòng)模型 丨if=LC1jf)則表示機(jī)器人m經(jīng)過t-1時(shí)刻執(zhí)行動(dòng)作 < 后由節(jié)點(diǎn)if運(yùn)動(dòng) 到節(jié)點(diǎn)<的概率。其中，力：：1表示機(jī)器人m在其本地地圖中的上一節(jié)點(diǎn)出發(fā)時(shí)所觀測的場 景，也就是關(guān)聯(lián)上一節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的場景。一般來說，4由若干的組成，具體的數(shù)量 取決于拓?fù)涔?jié)點(diǎn)所用的分支數(shù)。因此，通過綜合考慮單個(gè)節(jié)點(diǎn)的相似度和不同節(jié)點(diǎn)間的空 間關(guān)系提高節(jié)點(diǎn)匹配準(zhǔn)確率。
[0010] 3巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 綜合考慮巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性和智能性，建立如圖2所示的體系結(jié)構(gòu)。機(jī)器人安 裝可見光IP攝像機(jī)、紅外熱像儀和激光雷達(dá)3種典型傳感器。體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡機(jī)器人的計(jì)算 能力與系統(tǒng)可靠性：電機(jī)控制單元采用具有網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式解決方案(如ARM系列)，能 夠保證系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。環(huán)境感知、地圖表示、自主定位與任務(wù)規(guī)劃模塊采用工控機(jī)解 決方案(如研華工控機(jī))，計(jì)算能力能夠得到有效保證，但該方案容易在長時(shí)間運(yùn)行情況下 發(fā)生重啟現(xiàn)象。因此底層嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)任務(wù)是與工控機(jī)的定期通信對機(jī)器人的工作 狀態(tài)進(jìn)行檢測。當(dāng)上層系統(tǒng)失效時(shí)，底層嵌入式系統(tǒng)與IP攝像構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠 通過遠(yuǎn)程終端與操作人員進(jìn)行互動(dòng)，保證系統(tǒng)的自動(dòng)恢復(fù)和在電力系統(tǒng)異常情況下的巡檢 任務(wù)完成。
[0011]
【附圖說明】： 附圖1基于場景-拓?fù)涞膶哟位枋觯?附圖2巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)； 附圖3巡檢機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)圖；1)IP攝像機(jī)2)監(jiān)控器3)聲光報(bào)警儀4)紅外探測 儀5)機(jī)器人本體6)激光雷達(dá) 有益效果： 1) 代替操作人員執(zhí)行定時(shí)巡檢任務(wù) 2) 在遇到設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)能及時(shí)報(bào)警，并能在技術(shù)人員的遠(yuǎn)程操控下與調(diào)控中心現(xiàn)有 固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動(dòng)感知系統(tǒng)，能夠使技術(shù)人員根據(jù)需求獲取想要的現(xiàn)場信 息，做出合理、科學(xué)的應(yīng)急決策。
[0012] 3)上述關(guān)鍵技術(shù)的突破通過解決復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的地圖創(chuàng)建、自主定位以及監(jiān)視 器內(nèi)容認(rèn)知瓶頸難題，為調(diào)控中心巡檢機(jī)器人在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ) 和技術(shù)支撐。
[0013] 具體實(shí)施方法： 1.基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒ǖ难矙z機(jī)器人，其組成包括：內(nèi)嵌到ARM模塊中的 控制和識別模塊、監(jiān)控器和聲光報(bào)警儀、機(jī)器人本體工控機(jī)等，機(jī)器人安裝可見光IP攝像 機(jī)、紅外熱像儀和激光雷達(dá)3種典型傳感器。體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡機(jī)器人的計(jì)算能力與系統(tǒng)可靠 性：電機(jī)控制單元采用具有網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式解決方案(如ARM系列)，能夠保證系統(tǒng)長時(shí) 間穩(wěn)定運(yùn)行。環(huán)境感知、地圖表示、自主定位與任務(wù)規(guī)劃模塊采用工控機(jī)解決方案(如研華 工控機(jī))，計(jì)算能力能夠得到有效保證，但該方案容易在長時(shí)間運(yùn)行情況下發(fā)生重啟現(xiàn)象。 因此底層嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)任務(wù)是與工控機(jī)的定期通信對機(jī)器人的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。 當(dāng)上層系統(tǒng)失效時(shí)，底層嵌入式系統(tǒng)與IP攝像構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠通過遠(yuǎn)程終端與 操作人員進(jìn)行互動(dòng)，保證系統(tǒng)的自動(dòng)恢復(fù)和在電力系統(tǒng)異常情況下的巡檢任務(wù)完成。
[0014] 2.基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒ǖ难矙z機(jī)器人，其特征是：巡檢機(jī)器人利用場 景-拓?fù)涞臅r(shí)空不變特征對圖像的比例縮放、旋轉(zhuǎn)、三維視角、噪聲、光強(qiáng)的變化具有較好 的不變性，機(jī)器人的自主定位問題可以簡化為特征匹配問題。即通過當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的場景與地 圖庫中的場景匹配，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在拓?fù)涞貓D中的定位。能夠代替操作人員執(zhí)行定時(shí)巡 檢任務(wù)，在遇到設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)能及時(shí)報(bào)警，并能在技術(shù)人員的遠(yuǎn)程操控下與調(diào)控中心現(xiàn) 有固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動(dòng)感知系統(tǒng)，能夠使技術(shù)人員根據(jù)需求獲取想要的現(xiàn)場 信息，做出合理、科學(xué)的應(yīng)急決策，為調(diào)控中心巡檢機(jī)器人在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供重要 的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
[0015] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒ǖ难矙z機(jī)器人，其組成包括：內(nèi)嵌到ARM模塊中的 控制和識別模塊、監(jiān)控器和聲光報(bào)警儀、機(jī)器人本體工控機(jī)等，機(jī)器人安裝可見光IP攝像 機(jī)、紅外熱像儀和激光雷達(dá)3種典型傳感器；體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡機(jī)器人的計(jì)算能力與系統(tǒng)可靠 性：電機(jī)控制單元采用具有網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式解決方案(如ARM系列)，能夠保證系統(tǒng)長時(shí) 間穩(wěn)定運(yùn)行；環(huán)境感知、地圖表示、自主定位與任務(wù)規(guī)劃模塊采用工控機(jī)解決方案(如研華 工控機(jī))，計(jì)算能力能夠得到有效保證，但該方案容易在長時(shí)間運(yùn)行情況下發(fā)生重啟現(xiàn)象； 因此底層嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)任務(wù)是與工控機(jī)的定期通信對機(jī)器人的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測； 當(dāng)上層系統(tǒng)失效時(shí)，底層嵌入式系統(tǒng)與IP攝像構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)，能夠通過遠(yuǎn)程終端與 操作人員進(jìn)行互動(dòng)，保證系統(tǒng)的自動(dòng)恢復(fù)和在電力系統(tǒng)異常情況下的巡檢任務(wù)完成。
2. 基于場景-拓?fù)涞淖灾鞫ㄎ环椒ǖ难矙z機(jī)器人，其特征是：巡檢機(jī)器人利用場 景-拓?fù)涞臅r(shí)空不變特征對圖像的比例縮放、旋轉(zhuǎn)、三維視角、噪聲、光強(qiáng)的變化具有較好 的不變性，機(jī)器人的自主定位問題可以簡化為特征匹配問題；即通過當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的場景與地 圖庫中的場景匹配，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在拓?fù)涞貓D中的定位；能夠代替操作人員執(zhí)行定時(shí)巡 檢任務(wù)，在遇到設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)能及時(shí)報(bào)警，并能在技術(shù)人員的遠(yuǎn)程操控下與調(diào)控中心現(xiàn) 有固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動(dòng)感知系統(tǒng)，能夠使技術(shù)人員根據(jù)需求獲取想要的現(xiàn)場 信息，做出合理、科學(xué)的應(yīng)急決策，為調(diào)控中心巡檢機(jī)器人在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供重要 的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
【專利摘要】針對調(diào)控中心巡檢機(jī)器人所面臨的困難，將環(huán)境的場景與拓?fù)浣Y(jié)合實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的環(huán)境表示與自主定位已被證明是一種有效的解決方案，利用拓?fù)鋵印鼍皩优c特征層構(gòu)成了層次化場景-拓?fù)涞貓D。最后將拓?fù)鋵?、場景層與特征層構(gòu)建場景-拓?fù)涞貓D，采用基于隱馬爾可夫模型實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的精確定位，該地圖的在線創(chuàng)建可以不依賴任何人工路標(biāo)和機(jī)器人的全局精確定位，適用于巡檢機(jī)器人在大范圍復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的自主導(dǎo)航。通過該發(fā)明突破機(jī)器人自主導(dǎo)航和環(huán)境認(rèn)知技術(shù)不僅能夠提高電力巡檢機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行能力，而且能夠直接推廣到其他領(lǐng)域的巡檢機(jī)器人，具有普遍的意義。
【IPC分類】G05D1-02, G05B17-02
【公開號】CN104570771
【申請?zhí)枴緾N201510003614
【發(fā)明人】王燕清, 石朝俠, 王一璞
【申請人】哈爾濱理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月6日