高压线路巡检机器人控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高压线路巡检机器人控制系统，包括红外线传感器、CCD摄像机、监控主机和无线通信接口，所述监控主机与所述红外线传感器、所述CCD摄像机和所述无线通信接口分别连接，所述监控主机具有远程控制模式和自动控制模式，基于所述红外线传感器和所述CCD摄像机的检测结果确定是否切换到远程控制模式，所述监控主机在远程控制模式下，根据所述无线通信接口接收的远程控制信息实现对所述巡检机器人的控制。通过本发明，能够在自动控制模式下，实现对确定类型的障碍物实现自动跨越，并对于无法自动跨越的障碍物，通过无线通信控制下的远程控制模式进行避让，从而保证机器人的正常巡检工作。
【专利说明】高压线路巡检机器人控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力监控领域，尤其涉及一种高压线路巡检机器人控制系统。
【背景技术】
[0002]移动机器人技术综合应用了包括多种传感器、机械运动控制、电子通讯等技术，在家用、娱乐、安保、监控、救灾及军事应用各个领域都具有广阔的前景。目前各个国家都专注移动机器人技术的研发，以期在该方面占据一席之地。
[0003]在移动机器人用于电力系统监控的应用中，高压输电线路的巡检是其中一项重要的应用子领域。该子领域中对机器人的需求为，不仅仅要求机器人能够在高压输电线路上自由快速的前进，而且更需要跨越不同类型的障碍物，例如防震锤、耐张线夹和悬垂线夹等。由此可见，高压输电线路的巡检对移动机器人的要求较高。
[0004]然而，现有技术中电力监控的移动机器人，仅仅能够通过超声波传感器或红外线传感器检测前方障碍物距离机器人的距离，没有障碍物类型识别的手段，在障碍物难于跨越时，更是手足无措，这样，进行高压输电线路的巡检的机器人的工作常常被打断，需要人工操作才能将机器人脱离困境，导致巡检风险增大且效率不高。
[0005]因此，需要一种新的高压线路巡检机器人控制系统，无论前方遇到何种类型的障碍物，都能灵活制定出躲避方案，减少现场的人工干涉，保证电力巡检的安全性。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供了一种高压线路巡检机器人控制系统，在红外线传感器检测到障碍物的情况下，通过图像识别设备识别出障碍物类型，如果属于能够自动跨越的类型，则控制各个运动关节进行自动跨越，如果不属于能够自动跨越的类型，则将现场图像传送到远端控制平台，并基于远端控制平台的控制指令实现对障碍物的避让。
[0007]根据本发明的一方面，提供了一种高压线路巡检机器人控制系统，所述控制系统包括红外线传感器、CXD摄像机、监控主机和无线通信接口，所述监控主机与所述红外线传感器、所述CXD摄像机和所述无线通信接口分别连接，所述监控主机具有远程控制模式和自动控制模式，基于所述红外线传感器和所述CCD摄像机的检测结果确定是否切换到远程控制模式，所述监控主机在远程控制模式下，根据所述无线通信接口接收的远程控制信息实现对所述巡检机器人的控制。
[0008]更具体地，所述高压线路巡检机器人控制系统还包括多个运动关节，分别设置在所述巡检机器人的不同位置，每一个运动关节都与所述监控主机电性连接，在所述监控主机的控制下，执行不同运动方向和不同运动行程；所述红外线传感器设置在所述巡检机器人的外壳前端上，包括红外线发射单元、红外线接收单元和计算单元，所述红外线发射单元用于发射红外线，所述红外线接收单元用于接收经过前方障碍物反射回来的红外线，所述计算单元与所述红外线发射单元和所述红外线接收单元分别连接，用于基于红外线发射接收时间差和红外线传播速率，计算前方障碍物距离所述巡检机器人的障碍物距离；存储器，设置在所述巡检机器人的外壳前端内，预先存储了障碍物特征类型数据库，所述障碍物特征类型数据库保存了每一种障碍物类型对应的障碍物特征和跨障指令，所述存储器还预先存储了预设障碍物距离阈值；所述CCD摄像机，设置在所述巡检机器人的外壳前端上，用于采集前方图像；图像识别设备，设置在所述巡检机器人的外壳前端内，包括图像分割单元和图像识别单元，所述图像分割单元与所述CCD摄像机连接，对所述前方图像执行障碍物子图像分割以获得障碍物子图像，所述图像识别单元与所述图像分割单元和所述存储器分别连接，对所述障碍物子图像进行特征识别以获得障碍物特征，并将识别到的障碍物特征与所述障碍物特征类型数据库中的每一种障碍物类型对应的障碍物特征进行匹配，如果匹配成功则将识别到的障碍物特征所对应的障碍物类型作为前方障碍物类型输出，如果匹配失败则输出匹配失败信息；所述无线通信接口设置在所述巡检机器人的外壳前端上，用于接收远端控制平台发送的远程控制信息，所述远程控制信息包括关节命令、宏命令和切换控制命令，所述无线通信接口还用于将所述监控主机发送的障碍物报警信息和转发的前方图像发送到远端控制平台；所述监控主机设置在所述巡检机器人的外壳前端内，默认为自动控制模式，与所述红外线传感器、所述存储器、所述CCD摄像机、所述图像识别设备和所述无线通信接口分别连接，当接收到的障碍物距离小于等于预设障碍物距离阈值时，启动所述CCD摄像机和所述图像识别设备，在启动所述CCD摄像机和所述图像识别设备后，当接收到前方障碍物类型时，在所述存储器中查找与所述前方障碍物类型对应的跨障指令，根据查找到的对应的跨障指令控制所述多个运动关节，当接收到匹配失败信息时，将所述障碍物报警信息发送到所述无线通信接口并进入所述远程控制模式；其中，在所述远程控制模式中，所述监控主机接收通过所述无线通信接口转发的、远端控制平台发送的远程控制信息，如果所述远程控制信息为关节命令，则所述监控主机直接将关节命令转发给所述关节命令对应的运动关节，如果所述远程控制信息为宏命令，则所述监控主机对所述宏命令进行解析，确定各个运动关节的运动方向和运动行程以分别对各个运动关节进行控制，如果所述远程控制信息为切换控制命令，则所述监控主机切换到所述自动控制模式；所述无线通信接口还包括TCP封装单元和TCP解析单元，所述TCP封装单元用于将所述障碍物报警信息封装为TCP包以通过无线通信网络发送到所述远端控制平台，所述TCP解析单元用于解析从所述远端控制平台接收到的TCP包以获得所述远程控制信息。
[0009]更具体地，所述高压线路巡检机器人控制系统还包括图像编码器，与所述监控主机和所述无线通信接口分别连接，用于接收所述监控主机转发的前方图像，并对所述前方图像压缩编码，以生成压缩编码图像并发送给所述无线通信接口。
[0010]更具体地，所述高压线路巡检机器人控制系统中，所述图像编码器为MPEG-4压缩编码标准的图像编码器。
[0011]更具体地，所述高压线路巡检机器人控制系统中，所述多个运动关节中包括所述巡检机器人的两个手臂的前臂和后臂。
[0012]更具体地，所述高压线路巡检机器人控制系统中，多个运动关节还将各自的运动方向和运动行程实时发送给所述监控主机，以便于所述监控主机实现对所述宏命令的解析。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中:
[0014]图1为根据本发明实施方案示出的高压线路巡检机器人控制系统的结构方框图。
【具体实施方式】
[0015]下面将参照附图对本发明的高压线路巡检机器人控制系统的实施方案进行详细说明。
[0016]从应用环境出发，可将移动机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括:服务机器人、水下机器人、监控机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人。
[0017]因为电力部门工作的特殊性，电力场所是一个高危场所，高压和高电磁辐射对现场工作人员的伤害较大，不宜频繁进行现场人工操作。而移动机器人因为其灵活性和智能化程度较高，为电力部门所青睐，常常被定制以适应多种电力场所，例如高压变电站，用于对高压仪表远程读表或对高压线路现场巡查，从而替换工作人员来执行各种任务。
[0018]但是，由于电力场所的复杂现场环境，机器人在行动中经常会遇到各种类型的障碍物，这些障碍物阻挡机器人的正常行走，进一步妨碍机器人执行任务，为了避让这些障碍物，当前，一般在使用超声波传感器或红外线传感器检测到前方存在障碍物时，由远端控制平台发送具体的控制指令来控制机器人的动作，然而，这样又带来一个问题，现场和远端的频繁信息交互，影响了机器人的工作效率。
[0019]本发明的高压线路巡检机器人控制系统，具有两种控制模式，即远程控制模式和自动控制模式，在能够识别到障碍物类型时，基于识别到的障碍物类型对应的预设避障指令，自动实现障碍物避让，在无法识别到障碍物类型时，方由远端控制平台根据现场实时传回的图像，发出具体的操作指令来完成对现场机器人的控制。
[0020]图1为根据本发明实施方案示出的高压线路巡检机器人控制系统的结构方框图，如图1所示，所述控制系统包括无线通信接口 1、(XD摄像机2、图像识别设备3、监控主机4、红外线传感器5、存储器6和η个运动关节7，其中η为大于I的自然数，所述监控主机4与所述无线通信接口 1、(XD摄像机2、图像识别设备3、红外线传感器5、存储器6和η个运动关节7分别连接，所述监控主机4具有远程控制模式和自动控制模式，基于所述红外线传感器5和所述CXD摄像机2的检测结果确定是否切换到远程控制模式，所述监控主机4在远程控制模式下，根据所述无线通信接口 I接收的远程控制信息实现对所述巡检机器人的控制，其中所述无线通信接口 I和远端控制平台8通过无线网络实现数据的双向收发。
[0021]接着，对本发明的高压线路巡检机器人控制系统的结构进行更具体的说明。
[0022]所述η个运动关节7，分别设置在所述巡检机器人的不同位置，每一个运动关节7都与所述监控主机4电性连接，在所述监控主机4的控制下，执行不同运动方向和不同运动行程。
[0023]所述红外线传感器5设置在所述巡检机器人的外壳前端上，包括红外线发射单元、红外线接收单元和计算单元，所述红外线发射单元用于发射红外线，所述红外线接收单元用于接收经过前方障碍物反射回来的红外线，所述计算单元与所述红外线发射单元和所述红外线接收单元分别连接，用于基于红外线发射接收时间差和红外线传播速率，计算前方障碍物距离所述巡检机器人的障碍物距离。
[0024]所述存储器6设置在所述巡检机器人的外壳前端内，预先存储了障碍物特征类型数据库，所述障碍物特征类型数据库保存了每一种障碍物类型对应的障碍物特征和跨障指令，所述存储器6还预先存储了预设障碍物距离阈值。
[0025]所述CXD摄像机2设置在所述巡检机器人的外壳前端上，用于采集前方图像。
[0026]所述图像识别设备3设置在所述巡检机器人的外壳前端内，包括图像分割单元和图像识别单元，所述图像分割单元与所述CCD摄像机2连接，对所述前方图像执行障碍物子图像分割以获得障碍物子图像，所述图像识别单元与所述图像分割单元和所述存储器分别连接，对所述障碍物子图像进行特征识别以获得障碍物特征，并将识别到的障碍物特征与所述障碍物特征类型数据库中的每一种障碍物类型对应的障碍物特征进行匹配，如果匹配成功则将识别到的障碍物特征所对应的障碍物类型作为前方障碍物类型输出，如果匹配失败则输出匹配失败信息。
[0027]所述无线通信接口 I设置在所述巡检机器人的外壳前端上，用于接收远端控制平台8发送的远程控制信息，所述远程控制信息包括关节命令、宏命令和切换控制命令，所述无线通信接口I还用于将所述监控主机4发送的障碍物报警信息和转发的前方图像发送到远端控制平台8。
[0028]所述监控主机4设置在所述巡检机器人的外壳前端内，默认为自动控制模式，根据接收到的各种数据实现以下的控制，当接收到的障碍物距离小于等于预设障碍物距离阈值时，启动所述CCD摄像机2和所述图像识别设备3，在启动所述CCD摄像机2和所述图像识别设备3后，当接收到前方障碍物类型时，在所述存储器6中查找与所述前方障碍物类型对应的跨障指令，根据查找到的对应的跨障指令控制所述η个运动关节7，当接收到匹配失败信息时，将所述障碍物报警信息发送到所述无线通信接口 I并进入所述远程控制模式。
[0029]其中，在所述远程控制模式中，所述监控主机4接收通过所述无线通信接口 I转发的、远端控制平台8发送的远程控制信息，如果所述远程控制信息为关节命令，则所述监控主机4直接将关节命令转发给所述关节命令7对应的运动关节，如果所述远程控制信息为宏命令，则所述监控主机4对所述宏命令进行解析，确定各个运动关节7的运动方向和运动行程以分别对各个运动关节7进行控制，如果所述远程控制信息为切换控制命令，则所述监控主机4切换到所述自动控制模式。
[0030]所述无线通信接口 I还包括TCP封装单元和TCP解析单元，所述TCP封装单元用于将所述障碍物报警信息封装为TCP包以通过无线通信网络发送到所述远端控制平台8，所述TCP解析单元用于解析从所述远端控制平台8接收到的TCP包以获得所述远程控制信肩、O
[0031]其中，所述高压线路巡检机器人控制系统还可以包括图像编码器，与所述监控主机4和所述无线通信接口 I分别连接，用于接收所述监控主机4转发的前方图像，并对所述前方图像压缩编码，以生成压缩编码图像并发送给所述无线通信接口 1，所述图像编码器可选择为MPEG-4压缩编码标准的图像编码器，所述η个运动关节7中可包括所述巡检机器人的两个手臂的前臂和后臂，所述η个运动关节7还可以将各自的运动方向和运动行程实时发送给所述监控主机4，以便于所述监控主机4实现对所述宏命令的解析。
[0032]另夕卜，视频压缩算法除MPEG-4以外主要有:MPEG_1 ;MPEG_2 ；M0T10N-JPEG ；
H.263;小波。MPEG-4是公认的最好的压缩算法。MPEG-4具有以下优点:
[0033](I)分辨率高:MPEG_4可以达到非常接近MPEG-2的高分辨率效果。POS-Watch的MPEG-4算法+RET分辨率加强技术，使画面分辨率可达704*576，而其他产品(特别是基于PC-base的工控型产品)即使采用的是MPEG-4压缩算法，由于其系统资源需要支持庞大的WINDOWS系统，又无分辨率加强技术，所以只能做到352*288的分辨率。
[0034](2)压缩率高:MPEG_4的压缩率可高达200:1，一帧画面的容量只有1-2KB。如此高的压缩率，解决了硬盘容量的瓶颈，使人们能储存更长时间的录像文件。另外，逐帧播放功能也是MPEG-4所特有的。
[0035](3)动态分配码流:MPEG_4的码流带宽是不固定的(而MPEG-1固定码流
1.5Mbits/s)，他能够根据画面的复杂程度和变化程度来自动调整码流，在画面比较复杂或变化比较剧烈的时候占用较多的带宽，保证了画面质量；在画面比较简单或静止的时候，占用较少的带宽，节约了资源。
[0036](4)适合网络传输:P0S_Watch —路实时(25巾贞/秒)上传所占的带宽大约为600Kbits/s(不固定，视具体情况不同而占用的带宽也不同)，非常适合低带宽的网络传输。即使网络带宽严重不足，MPEG-4能降低一定的帧数来保证画面质量。另外，一个视频源多个视音频对象编码，非常适合交互式多媒体通讯。
[0037](5)算法不固定:MPEG_4是个开放的算法(MPEG-1和MPEG-2都是固定的算法)，各个厂商都能开发自己的MPEG-4算法，POS-Watch的MPEG-4算法是由P0SDATA公司针对TI (德州仪器)的DSP (精简指令集的数字信号处理器)开发的，另外，由于各个厂商开发的MPEG-4各不相同，所以在安全性和保密性方面得到了很高的保证。
[0038](6)高抗误码性:现在的监控系统基本都要涉及到网络，然而以太网的误码性是非常高的，如果没有很高的抗误码性，会严重影响画面的传输质量。MPEG-4错误处理的鲁棒性，有助于低比特率视频信号在高误码率环境下的存储和传输。
[0039]采用本发明的高压线路巡检机器人控制系统，针对现有电力场所机器人躲避障碍物能力较低需要更多远端操控的技术问题，基于图像处理技术对障碍物进行识别，确定障碍物能否与已有类型匹配成功，如果属于已有类型，则按照与已有类型对应的跨越指令实现自动避让，如果不属于已有类型，方根据远端控制平台的控制指令实现有效避让，这样，能够避让所有类型的障碍物，减少现场人工介入和远端控制数据量，提高机器人的自动化水平。
[0040]可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种高压线路巡检机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统包括红外线传感器、CXD摄像机、监控主机和无线通信接口，所述监控主机与所述红外线传感器、所述CXD摄像机和所述无线通信接口分别连接，所述监控主机具有远程控制模式和自动控制模式，基于所述红外线传感器和所述CCD摄像机的检测结果确定是否切换到远程控制模式，所述监控主机在远程控制模式下，根据所述无线通信接口接收的远程控制信息实现对所述巡检机器人的控制。
2.如权利要求1所述的高压线路巡检机器人控制系统，其特征在于， 所述控制系统还包括: 多个运动关节，分别设置在所述巡检机器人的不同位置，每一个运动关节都与所述监控主机电性连接，在所述监控主机的控制下，执行不同运动方向和不同运动行程； 所述红外线传感器设置在所述巡检机器人的外壳前端上，包括红外线发射单元、红外线接收单元和计算单元，所述红外线发射单元用于发射红外线，所述红外线接收单元用于接收经过前方障碍物反射回来的红外线，所述计算单元与所述红外线发射单元和所述红外线接收单元分别连接，用于基于红外线发射接收时间差和红外线传播速率，计算前方障碍物距离所述巡检机器人的障碍物距离； 存储器，设置在所述巡检机器人的外壳前端内，预先存储了障碍物特征类型数据库，所述障碍物特征类型数据库保存了每一种障碍物类型对应的障碍物特征和跨障指令，所述存储器还预先存储了预设障碍物距离阈值； 所述CXD摄像机，设置在所述巡检机器人的外壳前端上，用于采集前方图像； 图像识别设备，设置在所述巡检机器人的外壳前端内，包括图像分割单元和图像识别单元，所述图像分割单元与所述CCD摄像机连接，对所述前方图像执行障碍物子图像分割以获得障碍物子图像，所述图像识别单元与所述图像分割单元和所述存储器分别连接，对所述障碍物子图像进行特征识别以获得障碍物特征，并将识别到的障碍物特征与所述障碍物特征类型数据库中的每一种障碍物类型对应的障碍物特征进行匹配，如果匹配成功则将识别到的障碍物特征所对应的障碍物类型作为前方障碍物类型输出，如果匹配失败则输出匹配失败信息； 所述无线通信接口设置在所述巡检机器人的外壳前端上，用于接收远端控制平台发送的远程控制信息，所述远程控制信息包括关节命令、宏命令和切换控制命令，所述无线通信接口还用于将所述监控主机发送的障碍物报警信息和转发的前方图像发送到远端控制平台； 所述监控主机设置在所述巡检机器人的外壳前端内，默认为自动控制模式，与所述红外线传感器、所述存储器、所述CXD摄像机、所述图像识别设备和所述无线通信接口分别连接，当接收到的障碍物距离小于等于预设障碍物距离阈值时，启动所述CCD摄像机和所述图像识别设备，在启动所述CCD摄像机和所述图像识别设备后，当接收到前方障碍物类型时，在所述存储器中查找与所述前方障碍物类型对应的跨障指令，根据查找到的对应的跨障指令控制所述多个运动关节，当接收到匹配失败信息时，将所述障碍物报警信息发送到所述无线通信接口并进入所述远程控制模式； 其中，在所述远程控制模式中，所述监控主机接收通过所述无线通信接口转发的、远端控制平台发送的远程控制信息，如果所述远程控制信息为关节命令，则所述监控主机直接将关节命令转发给所述关节命令对应的运动关节，如果所述远程控制信息为宏命令，则所述监控主机对所述宏命令进行解析，确定各个运动关节的运动方向和运动行程以分别对各个运动关节进行控制，如果所述远程控制信息为切换控制命令，则所述监控主机切换到所述自动控制模式； 其中，所述无线通信接口还包括TCP封装单元和TCP解析单元，所述TCP封装单元用于将所述障碍物报警信息封装为TCP包以通过无线通信网络发送到所述远端控制平台，所述TCP解析单元用于解析从所述远端控制平台接收到的TCP包以获得所述远程控制信息。
3.如权利要求2所述的高压线路巡检机器人控制系统，其特征在于， 所述控制系统还包括: 图像编码器，与所述监控主机和所述无线通信接口分别连接，用于接收所述监控主机转发的前方图像，并对所述前方图像压缩编码，以生成压缩编码图像并发送给所述无线通信接口。
4.如权利要求3所述的高压线路巡检机器人控制系统，其特征在于: 所述图像编码器为MPEG-4压缩编码标准的图像编码器。
5.如权利要求2所述的高压线路巡检机器人控制系统，其特征在于: 所述多个运动关节中包括所述巡检机器人的两个手臂的前臂和后臂。
6.如权利要求2所述的高压线路巡检机器人控制系统，其特征在于: 多个运动关节还将各自的运动方向和运动行程实时发送给所述监控主机，以便于所述监控主机实现对所述宏命令的解析。
【文档编号】G05D1/02GK104199454SQ201410506138
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月27日 优先权日:2014年9月27日
【发明者】孙春兰 申请人:江苏华宏实业集团有限公司