一种电缆沟巡检机器人的导航系统及其导航方法与流程

本发明属于机器人视觉导航技术领域，具体地讲涉及一种电缆沟巡检机器人的导航系统及其导航方法。

背景技术：

电缆沟智能巡检装置是电力行业迫切需求的部分，因为电缆沟存在以下隐患：电缆沟内设备和电缆运行发热导致空间温度上升，且封闭空间不易散热，温度过高时电缆材料易老化，产生火灾隐患；沟道内阴暗潮湿，电缆受潮后引起绝缘性能下降，产生绝缘击穿的隐患；电缆沟道空间狭窄，给人工巡检带来很大困难，巡检工作量大、任务繁重，且常规人力巡检效率低下。

针对变电站电缆沟道的特殊环境，巡检过程主要有以下难点：电缆沟在地下，整个环境为黑暗状态；各个沟道之间有防火墙，要想在沟道中来回巡检就必须穿越防火墙下的一个10cm*10cm的排水沟洞口；为达到检测周密性以及完成转弯和钻洞操作，机器人则须沿着电缆沟内的排水沟行走。然而，现如今市面上的电缆沟巡检机器人大都是非视觉导航系统，例如磁导航、预设轨道导航以及遥控指挥等等，存在不能自主运行以及受干扰可能性大的问题。

技术实现要素：

根据现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供了一种电缆沟巡检机器人的导航系统，其受环境干扰性小，能够自动调节前进方向、自主穿越防火墙洞口，实现了巡检机器人的视觉导航。

本发明采用以下技术方案：

一种电缆沟巡检机器人的导航系统，包括图像获取单元、图像处理单元、运动驱动单元、运动控制单元、通讯管理单元；所述图像获取单元与图像处理单元、图像处理单元与通讯管理单元、运动控制单元与通讯管理单元均双向通信连接；所述运动控制单元的输出端连接运动驱动单元的输入端。

优选的，所述图像获取单元包括激光发射器和摄像头，所述激光发射器的控制端连接图像处理单元的输出端，所述摄像头与图像处理单元双向通信连接。

进一步优选的，所述摄像头采用高清彩色摄像头。

进一步优选的，所述运动驱动单元包括行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机；所述运动控制单元的输出端分别连接行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机的控制端。

更进一步优选的，所述图像处理单元和通讯管理单元均采用树莓派电脑主板；所述运动控制单元采用stm32主控芯片。

更进一步优选的，还包括管理平台，所述管理平台与通讯管理单元双向通信连接。

更进一步优选的，所述激光发射器设置在巡检机器人的前进方向的上方，且激光发射器发出的激光线段的长度大于电缆沟的宽度，所述激光线段在巡检机器人所处平面的投影位于巡检机器人的正前方；所述摄像头靠近激光发射器设置，且摄像头与激光发射器连接线平行于巡检机器人的左右行进轮的转动面；所述摄像头的摄取图像的区域大于激光线段的所处区域，且激光线段位于所述摄取图像的中间位置。

相应的，本发明还提供了一种电缆沟巡检机器人的导航系统的导航方法，包括如下步骤：

s1，对巡检机器人的初始位置进行标定，即将巡检机器人的左行进轮和右行进轮架设在电缆沟的两侧，左行进轮距离相应侧的电缆沟边沿的距离等于右行进轮距离相应侧的电缆沟边沿的距离，且左右行进轮的转动面平行于电缆沟的长度方向，使得巡检机器人处于正常的行驶位置；

s2，巡检机器人前进过程中，激光发射器发出激光线，且摄像头拍摄获取激光线所处位置的rgb彩色图像，同时图像处理单元对rgb彩色图像进行处理，最终得到激光线相应的拟合直线图像，进而获得拟合直线的线段数和直线长度；

s3，所述图像处理单元通过通讯管理单元将拟合直线的线段数和直线长度信息传送给运动控制单元，运动控制单元根据拟合直线的线段数和直线长度信息分别控制行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机运转，进而控制调节巡检机器人沿着电缆沟前行。

优选的，步骤s2具体包括如下步骤：

s21，巡检机器人前进过程中，由摄像头获取巡检机器人前进方向的rgb彩色图像，所述rgb彩色图像中含有由激光发射器发出的投射在电缆沟上的激光线信息，同时图像处理单元对rgb彩色图像进行高斯滤波和中值滤波处理，得到处理后的rgb彩色图像；

s22，通过图像处理单元的opencv函数库中的cvtcolor函数将处理后的rgb彩色图像转化为hsv通道图像；

s23，通过图像处理单元的opencv函数库中的inrange函数将hsv通道图像进行hsv三通道二值化，即在inrange函数中设定h通道、s通道、v通道的激光线所处的范围阈值，并通过查找hsv基本颜色分量范围表得到红色阈值，进而得到二值化图像；

s24，通过图像处理单元的opencv函数库中的medianblur函数对所述二值化图像进行中值滤波，得到滤波后的图像，并通过opencv函数库中的sobel算子计算滤波后的图像在激光线的长度方向的梯度值，在梯度值变化较大的像素点处即是导航线的分割点，从而消除垂直于激光线的长度方向处干扰激光的影响，获得三条导航线，即得到激光线导航图像；

s25，通过图像处理单元的zhang并行快速细化算法对激光线导航图像进行激光线细化处理，得到激光线导航图像的骨架图像；

s26，通过图像处理单元的opencv中的findcontours函数对激光线导航图像的骨架图像进行轮廓查找，得到直线像素点图像；

s27，通过图像处理单元中的hough变换和最小二乘法的方法将直线像素点图像中的直线像素点进行直线拟合，得到拟合直线图像，进而获得拟合直线的线段数和直线长度。

进一步优选的，步骤s3的具体控制过程为：

若拟合直线含有三条线段，则根据左右两条线段的长度比来确定巡检机器人相对于电缆沟的偏移角度，若左线段长度大于右线段长度，则巡检机器人为向左偏移状态，此时运动控制单元控制转向驱动电机向右转向调节，直至左线段长度等于右线段长度；若左线段长度小于右线段长度，则巡检机器人为向右偏移状态，此时运动控制单元控制转向驱动电机向左转向调节，直至左线段长度等于右线段长度；若左线段长度等于右线段长度，此时运动控制单元控制行进驱动电机运转，巡检机器人继续前行；

若拟合直线仅有一条线段，且此线段位于拟合直线图像的上半部分的位置，则运动控制单元控制钻洞驱动电机运转，完成巡检机器人的变形，使得巡检机器人顺利通过防火墙洞口；

若拟合直线仅有二条线段，且左边的线段长度大于右边的线段长度，则为即将进行左转直角拐弯，此时运动控制单元控制转向驱动电机向左转角拐弯；若拟合直线仅有二条线段，且右边的线段长度大于左边的线段长度，则为即将进行右转直角拐弯，此时运动控制单元控制转向驱动电机向右转角拐弯。

本发明的优点和有益效果在于：

1)本发明包括图像获取单元、图像处理单元、运动驱动单元、运动控制单元、通讯管理单元；其中，图像获取单元包括激光发射器和摄像头，通过激光发射器发射出激光，摄像头拍照获取激光所在区域的图像，实现了巡检机器人的视觉导航；同时，所述运动驱动单元包括行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机；所述运动控制单元的输出端分别连接行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机的控制端，通过图像处理单元处理后得到的拟合直线的线段数和直线长度信息来控制运动驱动单元，从而使得巡检机器人自动调节前进方向。

2)本发明的运动驱动单元包括行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机，通过判断拟合直线是否为一条线段、两条线段还是三条线段，以及此线段中各条直线长度的比较，来控制行进驱动电机、转向驱动电机和钻洞驱动电机运转，进而分别完成巡检机器人的直行、转向和变形，使得巡检机器人顺利前行、拐弯和通过防火墙洞口；本发明的巡检机器人导航系统适应性强，受环境干扰性小。

附图说明

图1为本发明的巡检机器人的导航系统的组成框图。

图2为本发明的巡检机器人的导航系统的导航方法控制流程图。

图3为本发明的处理后的rgb彩色图像。

图4为本发明的hsv通道图像。

图5为本发明的二值化图像。

图6为本发明的激光线导航图像。

图7为本发明的激光线导航图像的骨架图像。

附图标记：

1-图像获取单元，2-图像处理单元，3-运动驱动单元，4-运动控制单元，5-通讯管理单元，6-管理平台，11-激光发射器，12-摄像头，31-行进驱动电机，32-转向驱动电机，33-钻洞驱动电机。

具体实施方式

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。

如图1所示，一种电缆沟巡检机器人的导航系统，包括图像获取单元1、图像处理单元2、运动驱动单元3、运动控制单元4、通讯管理单元5；所述图像获取单元1与图像处理单元2、图像处理单元2与通讯管理单元5、运动控制单元4与通讯管理单元5均双向通信连接；所述运动控制单元4的输出端连接运动驱动单元3的输入端；

具体的，所述图像处理单元2和通讯管理单元5均采用树莓派电脑主板；所述运动控制单元4采用stm32主控芯片。

所述图像获取单元1包括激光发射器11和摄像头12，所述激光发射器11的控制端连接图像处理单元2的输出端，所述摄像头12与图像处理单元2双向通信连接；

具体的，所述激光发射器11设置在巡检机器人的前进方向的上方，且激光发射器11在巡检机器人所处平面的投影位于巡检机器人左右行进轮的中间位置处；所述摄像头12靠近激光发射器11设置，且摄像头12与激光发射器11连接线平行于巡检机器人的左右行进轮的转动面；

具体的，所述摄像头12采用高清彩色摄像头。

所述运动驱动单元3包括行进驱动电机31、转向驱动电机32和钻洞驱动电机33；所述运动控制单元4的输出端分别连接行进驱动电机31、转向驱动电机32和钻洞驱动电机33的控制端。

具体的，巡检机器人的导航系统还包括管理平台6，所述管理平台6与通讯管理单元5双向通信连接，从而通过管理平台6完成对巡检机器人的远程控制和远程监视。

所述激光发射器11设置在巡检机器人的前进方向的上方，且激光发射器11发出的激光线段的长度大于电缆沟的宽度，所述激光线段在巡检机器人所处平面的投影位于巡检机器人的正前方；所述摄像头12靠近激光发射器11设置，且摄像头12与激光发射器11连接线平行于巡检机器人的左右行进轮的转动面；所述摄像头12的摄取图像的区域大于激光线段的所处区域，且激光线段位于所述摄取图像的中间位置。

下面结合具体工作过程和附图，对本发明的导航系统和导航方法进行详细说明：

s1，对巡检机器人的初始位置进行标定，即将巡检机器人的左行进轮和右行进轮架设在电缆沟的两侧，左行进轮距离相应侧的电缆沟边沿的距离等于右行进轮距离相应侧的电缆沟边沿的距离，且左右行进轮的转动面平行于电缆沟的长度方向，使得巡检机器人处于正常的行驶位置；

s2，巡检机器人前进过程中，激光发射器11发出激光线，且摄像头12拍摄获取激光线所处位置的rgb彩色图像，同时图像处理单元2对rgb彩色图像进行处理，最终得到激光线相应的拟合直线图像，进而获得拟合直线的线段数和直线长度；

具体包括如下步骤：

s21，巡检机器人前进过程中，由摄像头12获取巡检机器人前进方向的rgb彩色图像，所述rgb彩色图像中含有由激光发射器11发出的投射在电缆沟上的激光线信息，同时图像处理单元2对rgb彩色图像进行高斯滤波和中值滤波处理，得到处理后的rgb彩色图像，如图3所示；

s22，通过图像处理单元2的opencv函数库中的cvtcolor函数将处理后的rgb彩色图像转化为hsv通道图像，如图4所示；

s23，通过图像处理单元2的opencv函数库中的inrange函数将hsv通道图像进行hsv三通道二值化，即在inrange函数中设定h通道、s通道、v通道的激光线所处的范围阈值，并通过查找hsv基本颜色分量范围表得到红色阈值，进而得到二值化图像，如图5所示；其中，hsv基本颜色分量范围表如表1所示；

表1hsv基本颜色分量范围表：

s24，通过图像处理单元2的opencv函数库中的medianblur函数对所述二值化图像进行中值滤波，得到滤波后的图像，并通过opencv函数库中的sobel算子计算滤波后的图像在激光线的长度方向的梯度值，在梯度值变化较大的像素点处即是导航线的分割点，从而消除垂直于激光线的长度方向处干扰激光的影响，获得三条导航线，即得到激光线导航图像，如图6所示；

s25，通过图像处理单元2的zhang并行快速细化算法对激光线导航图像进行激光线细化处理，得到激光线导航图像的骨架图像，如图7所示；

s26，通过图像处理单元2的opencv中的findcontours函数对激光线导航图像的骨架图像进行轮廓查找，得到直线像素点图像；

s27，通过图像处理单元2中的hough变换和最小二乘法的方法将直线像素点图像中的直线像素点进行直线拟合，得到拟合直线图像，进而获得拟合直线的线段数和直线长度。

s3，所述图像处理单元2通过通讯管理单元5将拟合直线的线段数和直线长度信息传送给运动控制单元4，运动控制单元4根据拟合直线的线段数和直线长度信息分别控制行进驱动电机31、转向驱动电机32和钻洞驱动电机33运转，进而控制调节巡检机器人沿着电缆沟前行；

如图2所示，具体控制过程为：若拟合直线含有三条线段，则根据左右两条线段的长度比来确定巡检机器人相对于电缆沟的偏移角度，若左线段长度大于右线段长度，则巡检机器人为向左偏移状态，此时运动控制单元4控制转向驱动电机32向右转向调节，直至左线段长度等于右线段长度；若左线段长度小于右线段长度，则巡检机器人为向右偏移状态，此时运动控制单元4控制转向驱动电机32向左转向调节，直至左线段长度等于右线段长度；若左线段长度等于右线段长度，此时运动控制单元4控制行进驱动电机31运转，巡检机器人继续前行；

若拟合直线仅有一条线段，且此线段位于拟合直线图像的上半部分的位置，则运动控制单元4控制钻洞驱动电机33运转，完成巡检机器人的变形，使得巡检机器人顺利通过防火墙洞口；

若拟合直线仅有二条线段，且左边的线段长度大于右边的线段长度，则为即将进行左转直角拐弯，此时运动控制单元4控制转向驱动电机32向左转角拐弯；若拟合直线仅有二条线段，且右边的线段长度大于左边的线段长度，则为即将进行右转直角拐弯，此时运动控制单元4控制转向驱动电机32向右转角拐弯。