巡视机器人的制作方法

本实用新型涉及电力技术领域，尤其涉及一种用于对电力设备进行巡视的巡视机器人。

背景技术：

对于电网系统的巡视主要依赖人工巡视，巡视强度大、安全风险高，因为各种各样的原因，比如巡视人员业务水平差、经验不足、责任心不强，又如现场环境原因等不佳，不能及时发现设备缺陷的问题。

随着电网系统自动化的不断升级，智能的巡视机器人逐渐成为电网系统安全稳定检测重要手段。然而，现有技术中的巡视机器人由于自身结构条件的限制，很难在拥堵和狭小空间的环境中通行，因而常常不能对电网系统进行全方面的巡视，还是得辅助人工巡视，从而效率低下，且仍存在较高的安全风险。而且，巡视机器人上搭载的数据采集装置通常设置于一固定的高度，不能根据待巡视设备中仪表盘的高度来进行调节，从而影响巡视的准确性。

技术实现要素：

本实用新型为解决上述技术问题提供一种巡视机器人及其巡视方法，能够在拥堵和狭小空间内使用，且能够根据待巡视设备中仪表盘的高度调整采集系统的所处位置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种巡视机器人，包括：运动系统，包括搭载平台以及装配于所述搭载平台上的具备全向运动性能的四个对称分布的Mecanum轮；升降系统，包括固设于所述搭载平台上的支架以及装配于所述支架上的由电机驱动其同步带的第一同步带滑轨以及装配于所述第一同步带滑轨中滑块上的由电机驱动其同步带的第二同步带滑轨，所述第一同步带滑轨中滑块带动所述第二同步带滑轨在竖直方向上升降，所述第二同步带滑轨中滑块亦在竖直方向上升降；采集系统，包括装配于所述第二同步带滑轨中滑块上的安装板以及装配于所述安装板上的摄像装置及热成像装置；以及分别与所述运动系统、所述升降系统及所述采集系统连接的控制系统，所述控制系统控制所述运动系统在平面上到达待巡视设备处，并控制所述升降系统在竖直方向上到达待巡视设备的仪表盘位置，进而控制所述采集系统对待巡视设备的仪表盘进行图像采集。

进一步地，所述巡视机器人包括分别与所述采集系统、所述控制系统连接的图像处理系统，用于对所述采集系统采集到的图像进行图像处理，进而生成并存储报表。

进一步地，所述巡视机器人包括分别与所述图像处理系统、所述控制系统连接的无线通信系统，用于将所述图像处理系统存储的报表发送至外部监控系统。

进一步地，所述图像处理系统还用于根据所述采集系统采集的图像计算出待巡视设备中仪表盘的高度，所述控制系统进而根据所述图像处理系统计算出的待巡视设备中仪表盘的高度控制所述升降系统中的第一同步带滑轨和/或第二同步带滑轨工作达到待巡视设备中仪表盘位置。

进一步地，所述待巡视设备中仪表盘的高度的计算依据来源于所述采集装置中摄像装置和/或热成像装置所采集的图像。

进一步地，所述巡视机器人包括与控制系统连接的激光导航系统，用于在SLAM环境地图中规划所述巡视机器人从初始待命位置到每一个待巡视设备所处位置的导航路径，同时获取所述巡视机器人在SLAM环境地图中的定位；所述控制系统用于根据所述激光导航系统规划的导航路径和对所述巡视机器人的定位控制所述运动系统中的各Mecanum轮运行并依次导航至每一个待巡视设备的前方位置。

进一步地，所述巡视机器人还包括与所述控制系统连接的循迹系统，用于对预设的循迹路径进行循迹；所述控制系统，用于在将所述巡视机器人导航至一个待巡视设备的前方位置后，控制所述运动系统中的各Mecanum轮运行并根据所述循迹系统对循迹路径的跟踪循迹进而以合适的姿态到达当前待巡视设备的循迹定位点停车以进行数据采集。

进一步地，所述激光导航系统还用于获取地图数据，利用SLAM技术对所述巡视机器人实时定位并同步构造所述SLAM环境地图；并用于在所述巡视机器人对全部待巡视设备完成数据采集后，规划另一导航路径以使得控制系统中的各Mecanum轮运行根据所述另一导航路径将所述巡视机器人直接导航至初始待命位置；所述循迹系统还用于捕捉所述循迹路径的图像，通过图像处理将所述循迹路径从所述图像中分离出来，并获取所述巡视机器人相对所述循迹路径的偏角信息。

进一步地，所述循迹系统用于实时获取所述巡视机器人相对于所述循迹路径的位置偏差，所述控制系统从所述运动系统处获取所述巡视机器人的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度，根据逆运动学矩阵推导计算所述巡视机器人每个Mecanum轮纠正位置的角加速度进而实现纠偏进而确保巡视机器人能始终沿循迹路径运动，逆运动学矩阵为：其中，分别为四个所述Mecanum轮的角加速度，W为所述巡视机器人的半宽，L为所述巡视机器人的半长，α为所述巡视机器人相对于所述循迹路径的偏角，VX、VY以及ωZ分别为X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度。

进一步地，所述控制系统还用于检测循迹模式是自动循迹模式还是手动循迹模式，如果所述控制系统检测到是自动循迹模式，则实时获取所述巡视机器人相对于所述循迹路径的位置偏差，并获取所述巡视机器人的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度，根据逆运动学矩阵对所述巡视机器人的各Mecanum轮的角加速度的控制来进行纠偏；如果所述控制系统检测到是手动循迹模式，则实时获取所述巡视机器人相对于所述循迹路径的位置偏差，并获取所述巡视机器人的四个Mecanum轮的角加速度，根据运动学方程控制所述巡视机器人的各Mecanum轮的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度来进行纠偏进而确保巡视机器人能始终沿循迹路径运动，其中，运动学矩阵为：

其中，[νX νY ωZ]^T∈R^3×1。

本实用新型的巡视机器人，具有如下有益效果：

通过设置成具有Mecanum轮的的运动系统的形式，借助Mecanum轮的全向运动性能，能够在拥堵和狭小的空间内运行使用；

通过在运动系统的搭载平台上设置装配采集系统的升降系统，能够根据待巡视设备中仪表盘的高度通过调整升降系统的高度进而调整采集系统的所处位置；

通过使用SLAM环境地图，能够在室内环境下精确导航至待巡视设备处，尤其是在SLAM环境地图所规划的导航路径的末段设置循迹路径，能够以更合适的姿态和更精确的位置到达待巡视设备处以进行数据采集，使得能够更好地进行数据采集。

附图说明

图1是本实用新型巡视机器人的巡视方法的工作流程图。

图2是本实用新型巡视机器的导航定位示意图。

图3是本实用新型巡视机器的运动示意图。

图4是本实用新型巡视机器的仰视图。

图5是本实用新型巡视机器的功能模块图。

图6是本实用新型巡视机器人的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型进行详细说明。

请结合图5和图6参阅，本实用新型提供一种巡视机器人。该巡视机器人包括：运动系统1、升降系统6、采集系统7以及分别与运动系统1、升降系统6及采集系统7连接的控制系统2。

运动系统1包括搭载平台101以及装配于搭载平台101上的具备全向运动性能的四个对称分布的Mecanum(麦克纳姆)轮102。举例而言，每个Mecanum轮102负载可以为40Kg，直径可以为127mm；该搭载平台101大小可以控制在500×500mm以内；以满足较高负载和稳定性要求。进一步地，每个Mecanum轮102分别通过一个独立的电机11驱动；每个电机11分别通过一个独立的电机驱动器12驱动；控制系统2与运动系统1之间通过CAN总线通信，具体为控制系统2与各电机驱动器12连接，且各电机驱动器12与CAN总线之间分别通过一个独立的CAN伺服接口13连接。

升降系统6包括固设于搭载平台101上的支架61以及装配于支架61上的第一同步带滑轨621以及装配于第一同步带滑轨621中滑块622上的第二同步带滑轨631，第一同步带滑轨621中滑块622带动第二同步带滑轨631整体在竖直方向上升降，第二同步带滑轨631中滑块632亦在竖直方向上升降。其中，该第一同步带滑轨621及第二同步带滑轨631中同步带均采用步进电机600驱动，如采用57式步进电机驱动，提升速度举例可控制在33mm/s、精度在1mm以内。其中，第一同步带滑轨621及第二同步带滑轨631中各自的滑块622、632的行程可以设置为相等，如1000mm；当然，也可以设置为不等。通过设置滑块622、632均可以在竖直方向上升降的两个同步带滑轨621、631，可以减小巡视机器人整体的高度，而且也提高了该巡视机器人在狭小空间内的通过性。该升降系统6与控制系统2之间也可以通过CAN总线通信。进一步地，第一同步带滑轨621、第二同步带滑轨631中的各步进电机600分别通过一个独立的电机驱动器601驱动；该升降系统6与控制系统2之间亦通过CAN总线通信，具体为控制系统2与各电机驱动器601连接，且各电机驱动器601与CAN总线之间分别通过一个独立的CAN伺服接口602连接。

采集系统7包括装配于第二同步带滑轨631中滑块上的安装板71以及装配于安装板71上的摄像装置72及热成像装置73。摄像装置72常为工业级摄像装置72，热成像装置73进行红外热成像。

其中，该控制系统2控制运动系统1在平面上到达待巡视设备处，并控制升降系统6在竖直方向上到达待巡视设备的仪表盘位置，进而控制采集系统7对待巡视设备的仪表盘进行图像采集。

在一具体实施例中，该巡视机器人还包括分别与采集系统7、控制系统2连接的图像处理系统8。该图像处理系统8用于对采集系统7采集到的图像进行图像处理，根据图像处理后得到相关数据进而生成并存储报表。

在一具体实施例中，巡视机器人包括分别与图像处理系统8、控制系统2连接的无线通信系统9。无线通信系统9用于将图像处理系统8生成及存储的报表以无线方式发送至外部监控系统以便于对各设备的实时监控。举例而言，该无线通信系统9可以采用WIFI模块、3G模块、或者4G模块等制成。

在一具体实施例中，图像处理系统8还用于根据采集系统7采集的图像计算出待巡视设备中仪表盘的高度，控制系统2进而根据图像处理系统8计算出高度值控制升降系统6中的第一同步带滑轨621和/或第二同步带滑轨631工作达到待巡视设备中仪表盘位置。其中，待巡视设备中仪表盘的高度的计算依据来源于采集装置中摄像装置72和/或热成像装置73所采集的图像。

在一较佳具体实施例中，巡视机器人包括与控制系统2连接的激光导航系统3。该激光导航系统3用于在SLAM环境地图中规划巡视机器人从初始待命位置到每一个待巡视设备所处位置的导航路径，同时获取巡视机器人在SLAM环境地图中的定位。其中，该激光导航系统3包括与控制系统2之间通过RS2通信的激光导航主机31、和与激光导航主机31之间通过RS2通信的激光雷达32，激光雷达32对环境实时扫描，激光导航主机31根据扫描得到的数据构建SLAM环境地图及该巡视机器人的定位。激光雷达32举例可以采用HOKUYO公司的UST-20LX激光雷达，具体参数为：扫描测距20m,测量范围270°，输入DC2V/24V，扫描时间25ms，防护等级IP65，非接触式测量。激光雷达32可以实现对室内环境的快速扫描，巡视机器人通过SLAM对巡视环境建立导航图像，可以准确的确定巡视环境中的障碍和路径，通过合理的路径规划可以有效的指导机器人运行到相应的工作位置。

进而，控制系统2用于根据激光导航系统3规划的导航路径和对巡视机器人的定位控制运动系统1中的各Mecanum轮102运行并依次导航至每一个待巡视设备的前方位置。

进一步地，巡视机器人还包括与控制系统2连接的循迹系统4。该循迹系统4用于对预设的循迹路径进行循迹。具体的，循迹系统4包括与控制系统2之间通过RS232通信的循迹工控主板41和与循迹工控主板41之间通过RS232通信的循迹传感器42。循迹传感器42用于捕捉循迹路径的图像，循迹工控主板41用于通过图像处理将循迹路径从图像中分离出来，并获取巡视机器人相对循迹路径的偏角信息。

进而，控制系统2用于在将巡视机器人导航至一个待巡视设备的前方位置后，控制运动系统1中的各Mecanum轮102运行并根据循迹系统4对循迹路径的跟踪循迹进而以合适的姿态到达当前待巡视设备的循迹定位点停车以进行数据采集。

上述实施例中，激光导航系统3还用于获取地图数据，利用SLAM技术对巡视机器人实时定位并同步构造SLAM环境地图。

该激光导航系统3还用于在巡视机器人对全部待巡视设备完成数据采集后，规划另一导航路径以使得控制系统2中的各Mecanum轮102运行根据另一导航路径将巡视机器人直接导航至初始待命位置。该循迹系统4还用于捕捉循迹路径的图像，通过图像处理将循迹路径从图像中分离出来，并获取巡视机器人相对循迹路径的偏角信息。

循迹系统4用于实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差，控制系统2从运动系统1处获取巡视机器人的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度，根据逆运动学矩阵推导计算巡视机器人每个Mecanum轮102纠正位置的角加速度进而实现纠偏进而确保巡视机器人能始终沿循迹路径运动，逆运动学矩阵为：其中，[νX νY ωZ]^T∈R^3×1，分别为四个Mecanum轮102的角加速度，W为巡视机器人的半宽，L为巡视机器人的半长，α为巡视机器人相对于循迹路径的偏角，VX、VY以及ωZ分别为X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度。

在另一具体实施例中，控制系统2还用于检测循迹模式是自动循迹模式还是手动循迹模式，如果控制系统2检测到是自动循迹模式，则实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差，并获取巡视机器人的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度，根据逆运动学矩阵对巡视机器人的各Mecanum轮102的角加速度的控制来进行纠偏。

而如果控制系统2检测到是手动循迹模式(具体指借助NRF遥控器5控制控制系统2来控制运动系统1运动)，则实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差，并获取巡视机器人的四个Mecanum轮102的角加速度，根据运动学方程控制巡视机器人的各Mecanum轮102的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度来进行纠偏进而确保巡视机器人能始终沿循迹路径运动，其中，运动学矩阵为：其中，[νX νY ωZ]^T∈R^3×1。

本实用新型还提供一种巡视机器人的巡视方法。如图1所示，该巡视方法包括如下步骤：

步骤S11，在SLAM环境地图中规划巡视机器人从初始待命位置到每一个待巡视设备所处位置的导航路径，同时获取巡视机器人在SLAM环境地图中的定位。其中，可以一次性对巡视机器人到一个及以上的待巡视设备统一进行导航路径的规划，以提高整体巡视效率。

步骤S12，根据导航路径和巡视机器人的定位将巡视机器人依次导航至每一个待巡视设备的前方位置。具体为在导航至一个待巡视设备完成后续姿态及位置的精确调整并进行数据采集之后继续导航至下一个待巡视设备。

步骤S13，每到达一个待巡视设备的前方位置后，按预设的循迹路径引导巡视机器人以合适的姿态到达当前待巡视设备的循迹定位点停车。进而能够以合适的姿态在最佳停车位置对待巡视设备进行数据采集，使每次的巡视定位精度大幅提升。该循迹路径可以通过测量和定位粘贴在待巡视点。通过跟踪循迹至循迹定位点可以以较高精度的实现最后一小段的定位，确保能够有效进行数据采集。

如图2所示，待巡视设备设置为A、B、C、D、E这样的至少5个以上，预先规划从A～E依次巡视，则巡视机器人会依次导航至该5个设备位置，当然，图2仅为举例示意的导航定位示意图，实际上可以按照各待巡视设备的具体定位自动进行合理规划出最佳的导航路径；当然，也可以人为地对各待巡视设备的巡视顺序进行设定，然后根据该设定规划合理的导航路径。在到达每个待巡视设备后，根据循迹路线跟踪循迹直至到该相应待巡视设备对应的循迹定位点停车。

步骤S14，控制升降系统携带采集系统到达当前待巡视设备中仪表盘的高度处。

步骤S15，控制采集系统对当前待巡视设备中仪表盘采集图像。在步骤S15中，还进一步对所采集的图像进行处理，根据图像处理所得到的数据生成并存储报表以供外部监控系统实时监控。

步骤S16，对所有待巡视设备巡视结束后，将巡视机器人直接导航返回至初始待命位置。该初始待命位置优选可以设置为充电座，该初始待命位置的设置可以方便对巡视机器人进行充电及维护。

其中，举例各待巡视设备A～D按照如图3所示的方式进行布置，借助Mecanum轮所具有的全向运动性能，巡视机器人检测完待巡视设备A后通过直行和横向移动可以以相同姿态到达待巡视设备B指定位置，在到达待巡视设备C过程中可以通过右前方式的斜向运动，通过左前斜向移动和旋转运动可以到达待巡视设备D，并且保持巡视机器人相对于设备的位置姿态。其中，从待巡视设备A到待巡视设备B～D过程中，除直行运动之外的运动可以按照上述的循迹路径进行跟踪循迹进而以合适姿态准确到达相应设备处。

在一具体实施例中，在步骤S11之前，还包括步骤S10：采用激光雷达通过扫描环境而获取地图数据，利用SLAM技术对巡视机器人实时定位并同步构造SLAM环境地图。相较于现有技术机器人导航技术中的电磁导航需在地上布置感应线圈、GPS导航在室内精度太低等在室内环境下无法有效使用，而基于RFID的导航系统精度较低，视觉导航虽然具有信号探测范围广,获取信息完整等优点，但需处理的实时图像数据量巨大，实时性较差，本实用新型采用基于激光雷达的SLAM导航可以有效和高精度的完成对巡视机器人在室内复杂环境的导航。该SLAM环境地图还可以帮助巡视机器人实现避障功能，该SLAM环境地图稳定、可靠、性能好。

在一具体实施例中，结合图4参阅，在步骤S13中，包括：

实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差(包括偏角和偏距)；

获取巡视机器人的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度；

根据逆运动学矩阵推导计算巡视机器人每个Mecanum轮纠正位置的角加速度进而实现纠偏以更加准确和灵活的对机器人位置和姿态进行调整进而确保巡视机器人能始终沿循迹路径运动，逆运动学矩阵为：

其中，[νX νY ωZ]^T∈R^3×1，分别为四个Mecanum轮的角加速度，W为巡视机器人的半宽，L为巡视机器人的半长，α为巡视机器人相对于循迹路径的偏角，VX、VY以及ωZ分别为X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度。

在一具体实施例中，在步骤S13之前，包括：

检测循迹模式是自动循迹模式还是手动循迹模式；

如果检测到是自动循迹模式，则实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差，并获取巡视机器人的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度，根据逆运动学矩阵对巡视机器人的各Mecanum轮的角加速度的控制来进行纠偏。

如果检测到是手动循迹模式(远程遥控和主动控制)，则实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差，并获取巡视机器人的四个Mecanum轮的角加速度，根据运动学方程控制巡视机器人的各Mecanum轮的X方向运动速度、Y方向运动速度以及旋转速度来进行纠偏进而确保巡视机器人能始终沿循迹路径运动，其中，运动学矩阵为：

其中，[νX νY ωZ]^T∈R^3×1。

上述实施例中，具体在实时获取巡视机器人相对于循迹路径的位置偏差的步骤中，包括：

捕捉循迹路径的图像，通过图像处理将循迹路径从图像中分离出来，并获取巡视机器人相对循迹路径的偏角信息。进而可根据偏角信息调整巡视机器人的位置和姿态，保证巡视机器人与循迹路径方向的一致性。较佳的，还可以获取巡视机器人相对循迹路径的偏距信息，通过对巡视机器人的位置和姿态的调整，使巡视机器人相对于循迹路径的偏距小于预设值，进而保证巡视机器人与循迹路径的一致性。最终满足机器人的定位巡视要求。

本实用新型的巡视机器人，具有如下有益效果：

通过设置成具有Mecanum轮102的运动系统1的形式，借助Mecanum轮102的全向运动性能，能够在拥堵和狭小的空间内运行使用；

通过在运动系统1的搭载平台101上设置装配采集系统7的升降系统6，能够根据待巡视设备中仪表盘的高度通过调整升降系统6的高度进而调整采集系统7的所处位置；

通过使用SLAM环境地图，能够在室内环境下精确导航至待巡视设备处，尤其是在SLAM环境地图所规划的导航路径的末段设置循迹路径，能够以更合适的姿态和更精确的位置到达待巡视设备处以进行数据采集，使得能够更好地进行数据采集。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。