基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人及其方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人及其方法，包括机器人移动平台，所述机器人移动平台上有工控机、里程计、测速传感器、视觉采集装置以及激光雷达；所述工控机与行程计算装置、视觉采集装置和激光雷达分别连接；行程计算装置与测速传感器连接。本发明专利技术有益效果：本发明专利技术视觉图像处理定位、激光雷达同步定位与地图构建是两种决定定位方式，行程计算装置航迹推算是一种相对定位方式，成功实现了两种绝对定位方式在构图中的共同作用，通过绝对定位方式校正相对定位方式，实现了行程计算装置的连续校正。

【技术实现步骤摘要】
基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人及其方法
本专利技术隶属于移动机器人定位与导航
，尤其涉及一种基于里程计、视觉、激光雷达等多传感器数据融合技术构图的变电站巡检机器人及方法。
技术介绍
随着近几年变电站巡检机器人更深入的应用，复杂的变电站环境和变电巡检任务对于巡检机器人的导航方式和导航定位精度提出了更高的要求，为了能够更好的适应复杂的变电站环境，满足复杂变电站巡检任务的需要，越来越多的导航技术投入测试并投入应用，激光导航技术即是其中之一。机器人激光导航过程中，实现自主定位和高精度导航是巡检机器人完成巡检任务的重要前提，而实现定位和高精度导航的关键在于建立起完整准确的变电站环境地图，因此，变电站地图构建对于变电站巡检机器人进行激光导航具有重要意义。目前对于变电站环境地图构建的方法主要有以下几种：1、使用3D(三维)激光扫描仪进行变电站环境地图构建。该方法是通过在变电站内间隔选择多个位置进行全站多点环境数据采集。在每一个位置，3D激光扫描仪进行水平360°三维环境数据采集。全站多点环境数据采集结束后，使用环境数据处理软件对采集到的多点环境数据进行拼接再现处理，建立起变电站三维环境地图。在三维环境地图的基础上进行裁剪，裁剪高度力求和变电站巡检机器人激光雷达的高度相同，裁剪之后整理输出变电站巡检机器人定位导航可用的二维变电站环境地图。该方法虽然建图精度高，环境再现效果好，但是该方法成本高，对于局部变电站地势不平的区域需要进行反复裁剪，并且对于局部地图的修改不易。2、使用基于里程计、陀螺仪、激光雷达进行变电站地图构建的方法。该方法是机器人在全站进行漫游，通过安装于机器人本体上的里程计、陀螺仪、激光雷达进行环境数据采集。数据环境数据采集结束后，将数据进行格式转换并进行编辑，最终输出二维变电站环境地图。该方法虽然方案具有一定的可行性，实现了环境数据采集、定位导航在同一台机器人上集成，但是该方案由于里程计和陀螺仪属于相对定位方式存在误差，环境数据采集过程中误差一直得不到修正，在长时间或大尺度航迹推算之后会存在较大的累积误差，环形回路无法闭合，这就需要在后期环境数据处理中，除了数据格式转换和编辑外，为了修正累积误差带来的地图变形，还需要引入复杂的ICP(最近点循环迭代匹配算法)、弹簧模型等算法，方案复杂，另外还要进行大量细致的地图修改调整工作，参考标准模糊，工作量大且存在修改之后的地图精度不高、再现效果不好等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于多传感器数据融合技术构图的变电站巡检机器人及其方法，通过不断对里程计进行反馈校正，有效的降低了里程计长时间或大尺度航迹推算累计误差，解决了里程计累计误差造成的环形回路不闭合，地图形变等问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人，包括机器人移动平台，所述机器人移动平台上有工控机、里程计、测速传感器、视觉采集装置以及激光雷达；工控机：搭载到机器人移动平台上的计算机；行程计算装置：接收测速传感器信号，不断输出机器人当前的位置信息和航向角信息，并将所述信息通过通信线路传送至工控机；视觉采集装置：用于采集变电站巡检机器人漫游路径上的标识线图像，并通过通信线路传送至工控机；激光雷达：用于实现对变电站巡检机器人运行区域环境数据的扫描，并将扫描图像通过通信线路传送至工控机；所述工控机与行程计算装置、视觉采集装置和激光雷达分别连接；行程计算装置与测速传感器连接。所述视觉采集装置包括摄像机，摄像机镜头与地面平行，在摄像机镜头周围分布有打光LED灯阵列，摄像机通过网线与工控机连接。在构图区域的变电站巡检机器人漫游路径上，设置标识线，所述标识线为颜色明显区别于路面颜色的彩色色带或线。一种基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人的构图方法，包括以下步骤：(1)变电站巡检机器人构图过程开始之前，在目标构图区域内的变电站巡检机器人漫游路径上设置标识线；(2)以变电站巡检机器人行程计算装置开始工作的位置作为原点(0,0,0)建立直角坐标系，行程计算装置通过对测速传感器信号接收进行航迹推算，并输出t时刻变电站巡检机器人当前的位置信息和航向角信息；同时，视觉采集装置采集变电站巡检机器人移动平台漫游路径上的标识线图像，通过视觉图像处理识别出t时刻变电站巡检机器人移动平台相对于标识线的航向角信息；激光雷达扫描机器人移动平台漫游路径周围的环境，获得不同的激光雷达数据，该数据包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离，并将扫描数据通过以太网传输至工控机；(3)根据激光雷达采集到t时刻的环境数据与行程计算装置上传t时刻的位置信息和航向角信息对扫描区域进行局部构图，并通过同步定位输出变电站巡检机器人的位置信息和航向角信息；(4)将同步定位处理得到的变电站巡检机器人的航向角信息与步骤(2)中通过视觉图像处理识别出的航向角信息进行加权滤波处理，通过滤波得到信任度更高的航向角信息；(5)将同步定位处理得到的位置信息和加权滤波处理之后的航向角信息反馈到行程计算装置实现对行程计算装置的校正；(6)重复上述步骤(2)～(5)，循环迭代并将局部构图进行融合输出全局构图。所述步骤(2)中，行程计算装置通过对测速传感器信号接收进行航迹推算的方法为：其中，Sr(t-1)，Sl(t-1)分别为机器人移动平台右轮和左轮在t-1时刻到t时刻时间间隔走过的距离，d为机器人移动平台轮距；[X(t),Y(t),W(t)]为t时刻机器人位置信息和航向角信息。所述步骤(2)中，通过视觉图像处理识别出t时刻变电站巡检机器人移动平台相对于标识线的航向角信息的具体方法为：：(2-1)图像标定：使用相机标定阶段获取的标定参数对每一帧图像进行标定，以消除相机镜头带来的图像畸变；(2-2)对彩色图象进行颜色模型转变，把RGB模型转换为HSI模型图像；(2-3)目标图像分割，在HSI模型图像中选择关注区域，通过确定的H和S的阈值对图像进行分割，提取出特征对比图像；(2-4)形态学处理，通过图像结构元素对图像特征进行度量和提取，通过腐蚀和膨胀的形态学方法对图像处理，以方便对特征的识别和分析；(2-5)提取目标特征，通过边缘检测确定每行目标特征中心点坐标，通过粒子分析计算出标识线与图像垂直中轴线的夹角，确定机器人在工作区域全局中的航向角信息w(t)，即实现视觉定位。对于视觉图像处理需提前设定标识线图像处理时间间隔，视觉采集装置每隔设定时间间隔执行一次，通过视觉图像处理得到并输出机器人航向角信息。所述步骤(3)的具体方法为：3-1)将激光雷达采集到的点集数据转换到直角坐标系下；3-2)使用聚类距离阈值指标对直角坐标系下的点集进行聚类处理；3-3)使用最小二乘法对聚类之后的点集进行曲线拟合，求出参考物特征直线方程，确定各参考物特征直线的中心点坐标；3-4)对相邻特征直线进行匹配，通过对各参考物特征直线之间的局部特征偏移量进行分布平均计算，得出相邻帧特征最优偏移量；3-5)将前一帧数据的所有点加上上一步得到的最优偏移量，得到局部地图；重复上述处理过程；3-6)通过循环迭代，将新的激光数据点集与原有数据匹配，同步更新位置信息和航向角信息。所述步骤3-2)的具体方法为：通过顺序计算点集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人，其特征是，包括机器人移动平台，所述机器人移动平台上有工控机、里程计、测速传感器、视觉采集装置以及激光雷达；工控机：搭载到机器人移动平台上的计算机；行程计算装置：接收测速传感器信号，不断输出机器人当前的位置信息和航向角信息，并将所述信息通过通信线路传送至工控机；视觉采集装置：用于采集变电站巡检机器人漫游路径上的标识线图像，并通过通信线路传送至工控机；激光雷达：用于实现对变电站巡检机器人运行区域环境数据的扫描，并将扫描图像通过通信线路传送至工控机；所述工控机与行程计算装置、视觉采集装置和激光雷达分别连接；行程计算装置与测速传感器连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人的构图方法，其特征是，采用基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人，包括机器人移动平台，所述机器人移动平台上有工控机、里程计、测速传感器、视觉采集装置以及激光雷达；工控机：搭载到机器人移动平台上的计算机；行程计算装置：接收测速传感器信号，不断输出机器人当前的位置信息和航向角信息，并将所述信息通过通信线路传送至工控机；视觉采集装置：用于采集变电站巡检机器人漫游路径上的标识线图像，并通过通信线路传送至工控机；激光雷达：用于实现对变电站巡检机器人运行区域环境数据的扫描，并将扫描图像通过通信线路传送至工控机；所述工控机与行程计算装置、视觉采集装置和激光雷达分别连接；行程计算装置与测速传感器连接；方法包括以下步骤：(1)变电站巡检机器人构图过程开始之前，在目标构图区域内的变电站巡检机器人漫游路径上设置标识线；(2)以变电站巡检机器人行程计算装置开始工作的位置作为原点(0,0,0)建立直角坐标系，行程计算装置通过对测速传感器信号接收进行航迹推算，并输出t时刻变电站巡检机器人当前的位置信息和航向角信息；同时，视觉采集装置采集变电站巡检机器人移动平台漫游路径上的标识线图像，通过视觉图像处理识别出t时刻变电站巡检机器人移动平台相对于标识线的航向角信息；激光雷达扫描机器人移动平台漫游路径周围的环境，获得不同的激光雷达数据，该数据包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离，并将扫描数据通过以太网传输至工控机；(3)根据激光雷达采集到t时刻的环境数据与行程计算装置上传t时刻的位置信息和航向角信息对扫描区域进行局部构图，并通过同步定位输出变电站巡检机器人的位置信息和航向角信息；(4)将同步定位处理得到的变电站巡检机器人的航向角信息与步骤(2)中通过视觉图像处理识别出的航向角信息进行加权滤波处理，通过滤波得到信任度更高的航向角信息；(5)将同步定位处理得到的位置信息和加权滤波处理之后的航向角信息反馈到行程计算装置实现对行程计算装置的校正；(6)重复上述步骤(2)～(5)，循环迭代并将局部构图进行融合输出全局构图。2.如权利要求1所述的一种基于多传感器数据融合构图的变电站巡检机器人的构图方法，其特征是，所述步骤(2)中，行程计算装置通过对测速传感器信号接收进行航迹推算的方法为：1其中，Sr(t-1),Sl(t-1)分别为机器人移动平台右轮和左轮在t-1时刻到t时刻时间间隔走过的距离，d为机器人移动平台轮距；[X(t),Y(t),W(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘加科，孔令文，田晓璐，韩磊，付崇光，秦振华，孙凯，
申请(专利权)人：山东鲁能智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37