基于場景-拓撲的自主定位方法的巡檢機器人的制作方法
【專利說明】
[0001]
技術領域： 本發(fā)明專利涉及基于場景-拓撲的自主定位方法的巡檢機器人。
[0002]
【背景技術】： 近年來隨著智能電網(wǎng)朝著信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的方向發(fā)展，智能機器人在 高空、隧道電力線路巡檢、無人值守變電站巡檢方面的應用越來越得到電力系統(tǒng)部門的重 視。我國各級電力調度和控制中心作為電網(wǎng)安全、可靠運行的核心環(huán)節(jié)，通過安裝視頻、溫 檢等不同類型的傳感器對電力設備安全運行進行監(jiān)控。目前除省級部門設有專人對遠程搜 集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)管之外，各地方部門采用工作人員定時巡檢模式，即在夜間及絕大部分白 天時間處于無人值守狀態(tài)。因此，將移動智能機器人應用于電力調度和控制中心的設備運 行監(jiān)控無疑會增加電力系統(tǒng)的安全冗余，對于智能電網(wǎng)的安全運行具有重要的意義。
[0003] 與目前已經推廣應用的變電站巡檢機器人相比，調控中心巡檢機器人的任務執(zhí)行 面臨如下難題： 1)調控中心巡檢機器人無法借助于GPS設備進行精確定位，而變電站巡檢機器人借 助于差分GPS定位可以達到厘米級精度；埋設磁導引雖然能夠實現(xiàn)機器人對預設路線的跟 蹤，但需要對基礎設施進行改動，巡檢過程中的精確定位也難度很大，且不利于后期任務的 局部修改，魯棒性差。
[0004] 2)調控中心巡檢機器人需要對監(jiān)控計算機的顯示器界面內容進行識別以實現(xiàn)對 電力設備運行狀態(tài)的認知，而變電站巡檢機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）等獲取直接數(shù)據(jù)。由于機器人需要將視覺系統(tǒng)對準計算機屏幕，精確 定位恰恰是最需要的。
[0005] 為了解決調控中心巡檢機器人所面臨的困難，本發(fā)明通過突破復雜室內環(huán)境的自 主地圖創(chuàng)建與定位技術構建電力調度控制中心巡檢機器人原理樣機，代替操作人員執(zhí)行定 時巡檢任務，在遇到設備運行異常時能及時報警，并能在技術人員的遠程操控下與調控中 心現(xiàn)有固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動感知系統(tǒng)，能夠使技術人員根據(jù)需求獲取想要的 現(xiàn)場信息，做出合理、科學的應急決策。上述關鍵技術的突破通過解決復雜室內環(huán)境下的地 圖創(chuàng)建、自主定位以及監(jiān)視器內容認知瓶頸難題，為調控中心巡檢機器人在電力系統(tǒng)的推 廣應用提供重要的理論基礎和技術支撐。
[0006]
【發(fā)明內容】
： 1基于場景-拓撲的層次化環(huán)境建模與特征約簡 將多源傳感器信息融合后提取的時空不變特征以圖1的方式進行層次化建模，由上到 下依次為拓撲層、場景層和特征層。其中場景-拓撲地圖由若干類型的節(jié)點組成，每一個場 景包含與拓撲節(jié)點分支數(shù)相同的場景，每一個場景包含若干彩色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：首先，通過提 取環(huán)境的拓撲節(jié)點實現(xiàn)第一級特征約簡一巡檢機器人無需在環(huán)境中的所有位置和視角 獲取場景，而只需在節(jié)點的通道方向上獲取場景并抽取特征，這是對非結構化復雜環(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行優(yōu)化， 通過將低重復匹配率的特征刪除提高巡檢機器人的特征匹配效率。
[0008] 2基于場景-拓撲的自主定位方法 由于場景-拓撲的時空不變特征對圖像的比例縮放、旋轉、三維視角、噪聲、光強的變 化具有較好的不變性，機器人的自主定位問題可以簡化為特征匹配問題。即通過當前節(jié)點 的場景與地圖庫中的場景匹配，可以實現(xiàn)機器人在拓撲地圖中的定位。
[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，即把每一個通 道對應的場景作為齒輪的一個齒，通過匹配節(jié)點上所有的齒實現(xiàn)機器人的節(jié)點定位。 但是，當環(huán)境中存在多個相似節(jié)點時（如走廊中的門口、相似的格局和辦公器具擺設 等），齒輪嚙合方法通常無法獲得正確的匹配結果。因此本項目擬采用隱馬爾可夫模型 (HiddenMarkovModel,HMM)提高機器人的定位準確率，在CHMM中，觀測模型@?丨〇 表示機器人n在本地拓撲節(jié)點<處觀測到機器人m提供的場景< 的概率；運動模型 丨if=LC1jf)則表示機器人m經過t-1時刻執(zhí)行動作 < 后由節(jié)點if運動 到節(jié)點<的概率。其中，力：：1表示機器人m在其本地地圖中的上一節(jié)點出發(fā)時所觀測的場 景，也就是關聯(lián)上一節(jié)點與當前節(jié)點的場景。一般來說，4由若干的組成，具體的數(shù)量 取決于拓撲節(jié)點所用的分支數(shù)。因此，通過綜合考慮單個節(jié)點的相似度和不同節(jié)點間的空 間關系提高節(jié)點匹配準確率。
[0010] 3巡檢機器人的體系結構設計 綜合考慮巡檢機器人系統(tǒng)的可靠性和智能性，建立如圖2所示的體系結構。機器人安 裝可見光IP攝像機、紅外熱像儀和激光雷達3種典型傳感器。體系結構權衡機器人的計算 能力與系統(tǒng)可靠性：電機控制單元采用具有網(wǎng)絡連接的嵌入式解決方案(如ARM系列)，能 夠保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。環(huán)境感知、地圖表示、自主定位與任務規(guī)劃模塊采用工控機解 決方案(如研華工控機)，計算能力能夠得到有效保證，但該方案容易在長時間運行情況下 發(fā)生重啟現(xiàn)象。因此底層嵌入式系統(tǒng)的另一個任務是與工控機的定期通信對機器人的工作 狀態(tài)進行檢測。當上層系統(tǒng)失效時，底層嵌入式系統(tǒng)與IP攝像構成網(wǎng)絡機器人系統(tǒng)，能夠 通過遠程終端與操作人員進行互動，保證系統(tǒng)的自動恢復和在電力系統(tǒng)異常情況下的巡檢 任務完成。
[0011]
【附圖說明】： 附圖1基于場景-拓撲的層次化描述； 附圖2巡檢機器人的體系結構； 附圖3巡檢機器人的外形結構圖；1)IP攝像機2)監(jiān)控器3)聲光報警儀4)紅外探測 儀5)機器人本體6)激光雷達 有益效果： 1) 代替操作人員執(zhí)行定時巡檢任務 2) 在遇到設備運行異常時能及時報警，并能在技術人員的遠程操控下與調控中心現(xiàn)有 固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動感知系統(tǒng)，能夠使技術人員根據(jù)需求獲取想要的現(xiàn)場信 息，做出合理、科學的應急決策。
[0012] 3)上述關鍵技術的突破通過解決復雜室內環(huán)境下的地圖創(chuàng)建、自主定位以及監(jiān)視 器內容認知瓶頸難題，為調控中心巡檢機器人在電力系統(tǒng)的推廣應用提供重要的理論基礎 和技術支撐。
[0013] 具體實施方法： 1.基于場景-拓撲的自主定位方法的巡檢機器人，其組成包括：內嵌到ARM模塊中的 控制和識別模塊、監(jiān)控器和聲光報警儀、機器人本體工控機等，機器人安裝可見光IP攝像 機、紅外熱像儀和激光雷達3種典型傳感器。體系結構權衡機器人的計算能力與系統(tǒng)可靠 性：電機控制單元采用具有網(wǎng)絡連接的嵌入式解決方案(如ARM系列)，能夠保證系統(tǒng)長時 間穩(wěn)定運行。環(huán)境感知、地圖表示、自主定位與任務規(guī)劃模塊采用工控機解決方案(如研華 工控機)，計算能力能夠得到有效保證，但該方案容易在長時間運行情況下發(fā)生重啟現(xiàn)象。 因此底層嵌入式系統(tǒng)的另一個任務是與工控機的定期通信對機器人的工作狀態(tài)進行檢測。 當上層系統(tǒng)失效時，底層嵌入式系統(tǒng)與IP攝像構成網(wǎng)絡機器人系統(tǒng)，能夠通過遠程終端與 操作人員進行互動，保證系統(tǒng)的自動恢復和在電力系統(tǒng)異常情況下的巡檢任務完成。
[0014] 2.基于場景-拓撲的自主定位方法的巡檢機器人，其特征是：巡檢機器人利用場 景-拓撲的時空不變特征對圖像的比例縮放、旋轉、三維視角、噪聲、光強的變化具有較好 的不變性，機器人的自主定位問題可以簡化為特征匹配問題。即通過當前節(jié)點的場景與地 圖庫中的場景匹配，可以實現(xiàn)機器人在拓撲地圖中的定位。能夠代替操作人員執(zhí)行定時巡 檢任務，在遇到設備運行異常時能及時報警，并能在技術人員的遠程操控下與調控中心現(xiàn) 有固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動感知系統(tǒng)，能夠使技術人員根據(jù)需求獲取想要的現(xiàn)場 信息，做出合理、科學的應急決策，為調控中心巡檢機器人在電力系統(tǒng)的推廣應用提供重要 的理論基礎和技術支撐。
[0015] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 基于場景-拓撲的自主定位方法的巡檢機器人，其組成包括：內嵌到ARM模塊中的 控制和識別模塊、監(jiān)控器和聲光報警儀、機器人本體工控機等，機器人安裝可見光IP攝像 機、紅外熱像儀和激光雷達3種典型傳感器；體系結構權衡機器人的計算能力與系統(tǒng)可靠 性：電機控制單元采用具有網(wǎng)絡連接的嵌入式解決方案(如ARM系列)，能夠保證系統(tǒng)長時 間穩(wěn)定運行；環(huán)境感知、地圖表示、自主定位與任務規(guī)劃模塊采用工控機解決方案(如研華 工控機)，計算能力能夠得到有效保證，但該方案容易在長時間運行情況下發(fā)生重啟現(xiàn)象； 因此底層嵌入式系統(tǒng)的另一個任務是與工控機的定期通信對機器人的工作狀態(tài)進行檢測； 當上層系統(tǒng)失效時，底層嵌入式系統(tǒng)與IP攝像構成網(wǎng)絡機器人系統(tǒng)，能夠通過遠程終端與 操作人員進行互動，保證系統(tǒng)的自動恢復和在電力系統(tǒng)異常情況下的巡檢任務完成。
2. 基于場景-拓撲的自主定位方法的巡檢機器人，其特征是：巡檢機器人利用場 景-拓撲的時空不變特征對圖像的比例縮放、旋轉、三維視角、噪聲、光強的變化具有較好 的不變性，機器人的自主定位問題可以簡化為特征匹配問題；即通過當前節(jié)點的場景與地 圖庫中的場景匹配，可以實現(xiàn)機器人在拓撲地圖中的定位；能夠代替操作人員執(zhí)行定時巡 檢任務，在遇到設備運行異常時能及時報警，并能在技術人員的遠程操控下與調控中心現(xiàn) 有固定方位監(jiān)控系統(tǒng)組成全方位移動感知系統(tǒng)，能夠使技術人員根據(jù)需求獲取想要的現(xiàn)場 信息，做出合理、科學的應急決策，為調控中心巡檢機器人在電力系統(tǒng)的推廣應用提供重要 的理論基礎和技術支撐。
【專利摘要】針對調控中心巡檢機器人所面臨的困難，將環(huán)境的場景與拓撲結合實現(xiàn)巡檢機器人的環(huán)境表示與自主定位已被證明是一種有效的解決方案，利用拓撲層、場景層與特征層構成了層次化場景-拓撲地圖。最后將拓撲層、場景層與特征層構建場景-拓撲地圖，采用基于隱馬爾可夫模型實現(xiàn)巡檢機器人的精確定位，該地圖的在線創(chuàng)建可以不依賴任何人工路標和機器人的全局精確定位，適用于巡檢機器人在大范圍復雜室內環(huán)境的自主導航。通過該發(fā)明突破機器人自主導航和環(huán)境認知技術不僅能夠提高電力巡檢機器人的任務執(zhí)行能力，而且能夠直接推廣到其他領域的巡檢機器人，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
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月6日