综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置及方法与流程

本发明涉及电力设备红外测温补偿技术，尤其是涉及一种综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置及方法。

背景技术：

对变电站设备进行例行红外巡检是保障电力设备安全稳定运行的常规技术手段。近年来，传统的人工红外巡检模式正逐渐发展为机器人的红外巡检模式。但巡检机器人在实际应用过程中却面临着红外温度的检测精度问题，例如，在电力设备红外巡检中，机器人载荷的红外测温仪器与被测设备表面存在一定的距离，受到红外辐射大气衰减的影响，测温结果与实际温度存在偏差；此外，巡检机器人与设备热缺陷表面法线往往不处于同一水平面，红外热像仪的观测方向与设备表面法线存在较大的夹角，从而导致测温结果与实际温度存在偏差。一般情况下，红外测温结果会同时受到观测距离和观测角度的影响，因此在电力机器人红外巡检中，需要综合考虑距离、视角这两个关键参量，并以此对测温结果进行修正，保证测温结果的准确度。

对于上述观测距离影响红外测温结果准确性的，目前已发展了将测距仪器与红外测温仪器组合的装置或方法，例如，激光测距与红外测温仪器组合方法(申请号：201120577082.8)、超声波测距与红外测温仪器组合方法(申请号：201210163806.3)、红外线测距与红外测温仪器组合方法等。所述方法中，往往直接将测距模块获取的距离作为热像仪至故障点距离，还是存在精度不够的问题.

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置，包括机器人车体以及设置于机器人车体上的定位机构、ccd相机、红外热像仪、超声测距传感器、控制处理模块和上位机，所述ccd相机、红外热像仪和超声测距传感器设置于定位机构上，所述控制处理模块分别连接定位机构、ccd相机、红外热像仪、超声测距传感器和上位机，还包括用于测量定位机构垂直仰角和红外热像仪观测视角的第一倾角传感器以及用于测量机器人车体爬坡角度的第二倾角传感器。

进一步地，所述第一倾角传感器和红外热像仪上下贴合设置于定位机构上。

进一步地，所述第二倾角传感器设置于机器人车体底部，且朝向机器人车体前进方向。

进一步地，所述第一倾角传感器为双轴结构传感器。

进一步地，所述定位机构包括云台以及控制所述云台运动的垂直电机和水平电机，所述ccd相机、红外热像仪、超声测距传感器和第一倾角传感器设置于云台上，所述垂直电机和水平电机均与控制处理模块连接。

进一步地，所述机器人车体包括固定底座，所述第二倾角传感器设置于固定底座上。

进一步地，所述控制处理模块包括cpu、无线通信单元和校准参数存储单元，所述cpu分别连接无线通信单元、校准参数存储单元、定位机构、红外热像仪、超声测距传感器、第一倾角传感器和第二倾角传感器。

本发明还提供一种根据所述的综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置的温度补偿方法，包括以下步骤：

1)移动测量装置至指定位置，调整定位机构使目标体处于红外热像仪和第一倾角传感器的视角范围内，保存位置信息；

2)红外热像仪、超声测距传感器、第一倾角传感器和第二倾角传感器工作，获取相应测量值，通过控制处理模块传输给上位机；

3)上位机通过定位机构垂直仰角和机器人车体爬坡角度对超声测距传感器的距离测量值进行补偿，并根据补偿后的实际距离值和红外热像仪观测视角对红外热像仪的温度测量值进行补偿，获得目标体表面真实温度。

进一步地，所述步骤3)中，对超声测距传感器的距离测量值的补偿公式为：

其中，l1为超声测距传感器的距离测量值，α为定位机构垂直仰角，β为机器人车体爬坡角度，l为补偿后的实际距离值。

进一步地，所述步骤3)中，红外热像仪的温度测量值的补偿具体为：

t＝t0cos^rγ-pl-ql²

其中，t0为目标体表面真实温度，t为红外热像仪的温度测量值，γ为红外热像仪观测视角，r、p、q为拟合系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将倾角传感器与超声波测距传感器相结合，提高了红外热像仪至待测点处之间测量距离的精确度，以补偿后的距离和视角作为补偿因子对测量温度进行补偿或修正，保证了最终温度诊断结果的准确度，解决了电力巡检机器人实际应用过程中面临的红外热像仪与设备之间的距离和角度影响测温结果精确性的问题。

2、本发明第一倾角传感器与红外热像仪上下贴合固定，两者之间间距很小，可以近似测得热像仪与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角，有效提高补偿精度。

3、本发明的角度补偿同时考虑了云台垂直仰角、红外热像仪观测视角和机器人车体爬坡角度，补偿精度高。

4、本发明将红外热像仪与超声测距技术相结合，实现设备各部温度同时在线监测，节约了成本。

附图说明

图1为本发明的控制结构图；

图2为本发明机械结构立体示意图；

图3为爬坡中实施例立体结构示意图；

图4为无坡度时实施例结构示意图；

图5为本发明具体工作流程图；

图中，1、第一倾角传感器，2、红外热像仪，3、ccd相机，4、散热口，5、云台，6、固定底座，7、水平电机，8、垂直电机，9、超声测距传感器，10、第二倾角传感器，11、cpu，12、校准参数存储单元，13、无线通信单元，14、上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明考虑到观测角度对测温结果的影响，在巡检机器人测温结果的自动补偿过程中，除了需要机器人自动获取观测的距离，还需要考虑机器人能够自动获取红外热像仪2法线与目标体焦面法线的夹角，在此基础上综合观测距离和角度对测温结果进行补偿，并用其评估设备的运行状态。如图1-图2所示，本发明提供一种综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置，包括机器人车体以及设置于机器人车体上的定位机构、ccd相机3、红外热像仪2、超声测距传感器9、控制处理模块和上位机14，ccd相机3、红外热像仪2和超声测距传感器9设置于定位机构上，控制处理模块分别连接定位机构、ccd相机3、红外热像仪2、超声测距传感器9和上位机14，还包括用于测量定位机构垂直仰角和红外热像仪2观测视角的第一倾角传感器1以及用于测量机器人车体爬坡角度的第二倾角传感器10。

定位机构包括云台5以及控制云台5运动的垂直电机8和水平电机7，第一倾角传感器1和红外热像仪2上下贴合设置于云台5上，因两者之间间距很小，可以近似测得热像仪与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角。垂直电机8和水平电机7均与控制处理模块连接，控制云台5进行目标体定位。云台5上设置有散热口4。第一倾角传感器1为双轴结构传感器。机器人车体包括固定底座6，第二倾角传感器10设置于固定底座6上，且朝向机器人车体前进方向，可位于固定底座6正前方部位。超声测距传感器9置于云台5正前方，采集检测装置与待测点所处平面的直线距离。

控制处理模块包括cpu11、无线通信单元13和校准参数存储单元12，cpu11分别连接无线通信单元13、校准参数存储单元12、定位机构、红外热像仪2、超声测距传感器9、第一倾角传感器1和第二倾角传感器10。

本实施例中选用的第一倾角传感器1和第二倾角传感器10的型号为rs232analog，测量范围为单轴0°～360°，双轴+80°，最小分辨率为0.01°，精度0.1°，无滤波响应时间10ms，可获得热像仪至待测点的倾角、观测视角及机器人爬坡度。

本实施例中，红外热像仪2型号和参数为irt513-a型红外热像仪2，工作波段为8～14μm，氧化钒探测器探测像元数为320×240，像元尺寸为38×38μm²，成像形式选择25hzpal制式，热像仪的温度分辨率为50mk@30℃，测温范围为-30℃～200℃，可以对电子电路板、变电站避雷器、电压互感器和变压器等设备的表面进行测温。

本实施例中，超声波测距模块选用型号ks109进行分析，采用单通道测距模块sk109，当收到上位机14的有效指令后会进入探测模式，等待规定的响应时间后，再使用读取函数读寄存器的值，可获得检测装置至待测点所处平面的直线距离。

如图5所示，根据上述综合距离及视角的电力巡检机器人红外测温装置的温度补偿方法，包括以下步骤：

1)判断目标体是否在测量视野内，移动测量装置至指定位置，调整定位机构使目标体处于红外热像仪2和第一倾角传感器1的视角范围内，保存位置信息至校准参数存储单元；

2)红外热像仪2、超声测距传感器9、第一倾角传感器1和第二倾角传感器10工作，获取相应测量值，通过控制处理模块无线传输给上位机14；

3)上位机14通过定位机构垂直仰角和机器人车体爬坡角度对超声测距传感器9的距离测量值进行补偿，并根据补偿后的实际距离值和红外热像仪2观测视角对红外热像仪2的温度测量值进行补偿，获得目标体表面真实温度。

红外热像仪2测量之前，首先在0.5m左右范围利用黑体对其进行温度校正，随后利用该红外热像仪2对电源模块的目标点进行成像测温。

如图3所示为爬坡中故障点信息测量实例图，l1为机器人与待测点垂面的直线距离，即超声测距传感器9的距离测量值，α为热像仪至待测点连线与水平面的夹角，即定位机构(云台5)垂直仰角，β为机器人车体爬坡角度，γ为红外热像仪2观测视角(红外热像仪2镜面法线与目标体焦面夹角)。

通过上位机14中的红外热像系统软件得到红外热像仪2②测量到的目标温度数据及其它相关数据为：红外热像仪2的温度测量值t＝29.4℃，l1＝3(实际距离为2.93)，α＝55.15°，β＝10.05°，γ＝5°。如图3所示，通过三角形公式，可以得到红外热像仪2与待测点的实际距离即l＝5.179。

对于温度的修正，本发明采用了多项式的修正方法(参考文献：周志成，魏旭，谢天喜，唐忠，崔昊杨，红外技术，39(1):86-90，2017)，修正公式为：

t＝t0cos^rγ-pl-ql²(1)

其中，t0为目标体表面真实温度，t为红外热像仪2的温度测量值，γ为红外热像仪2观测视角，r、p、q为拟合系数，p、q分别是观测距离一次项和二次项的系数，r为观测角余弦幂指系数。将r、p、q作为拟合系数对实验数据进行拟合，得到r＝4.5，p＝0.3205，q＝0.01103。利用公式(1)对红外热像仪2的观测结果进行修正，修正后的温度为31.99℃。红外热像仪2对目标体的观测温度t＝29.4℃与实际温度t0(d)＝32.8℃的误差为δt1＝32.8-29.4＝3.4℃，而利用结合倾角传感器的超声波测距技术获取的距离参数l＝5.179m带入到修正前的红外热像仪2观测结果与目标体真是温度之间的误差为：δt2＝32.8-31.99＝0.8℃。

在同一位置，令β＝0°，如图4所示，通过上位机14红外热像系统软件得到红外热像仪2测量到的目标温度数据为t＝29.37℃，l1＝3(实际距离为2.88)，α＝55.10°，γ＝5°，如图3所示，通过三角形公式，可以得到红外热像仪2与待测点实际距离即l＝5.25。利用公式(1)对其进行修正，得修正温度为31.89℃，则修正后温度误差δt3＝32.8-31.89＝0.91℃。经过与设备真实温度的对比发现，修正后的结果较修正前更为准确。

本发明利用与倾角传感器结合超声波测距技术测量电力设备异常部位至红外热像仪2的距离，并采用该距离作为补偿因子对测量温度进行补偿或修正，保证了诊断结果的准确度。同时该装置将红外热像仪2与超声测距技术相结合，实现设备各部温度同时非接触、远距离在线监测，节约了成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。