一种巡检机器人和基于巡检机器人的配电房设备操控方法与流程

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1.本发明涉及配电管理技术领域，尤其是指一种巡检机器人和基于巡检机器人的配电房设备操控方法。

背景技术：

2.近年来随着国内电力发展步伐不断加快和电网投资规模的扩大，变电站、配电房等电网基础设施的规模也日益庞大。电网公司必须投入大量的资金和人力进行日常的监盘、巡视、维护等工作，以此保障电网的正常平稳运行。目前，一般采用人工巡检方式进行日常巡检，但这种方式受巡检人员的本身状态影响较大，存在着检测不及时、漏检、误检等问题，且巡检中所获取的数据也大多记录在纸质文件上，无法进行及时有效的数据分析。目前国内的变电站、光伏电站、火力发电站、高电压架线等行业已经开始尝试使用巡检机器人代替人力进行巡检作业，现有的巡检机器人，包括室内巡检机器人和室外巡检机器人，能够基于无轨、有轨多种移动平台实现站内自主导航和定位，并能够通过红外、可见光传感器等传感器自动识别设备状态，并可以根据设备状态综合诊断设备故障，代替人工完成巡检任务。但是，这些机器人起到的最主要功能还是巡检功能，若在巡检过程中发现变电站或配电房内存在设备故障情况，需要对设备进行操作时，仍然需要通知运维人员前往相关设备进行手动操作，变电站或配电房内的设备管理效率较低。且由于需要人工进行设备操作，巡检过程中的设备故障无法得到及时解决，电网运行安全依旧无法保障。

技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种巡检机器人和基于巡检机器人的配电房设备操控方法，解决现有巡检机器人无法支持进行设备操作，设备管理效率低下，故障处理不及时的问题。
4.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
5.一种巡检机器人，受监控平台的调控，所述巡检机器人包括机械臂、移动底盘、控制模块和视觉模块，所述机械臂设置在移动底盘上，所述机械臂、移动底盘和视觉模块均与控制模块连接，所述移动底盘和机械臂均由控制模块驱动控制，所述视觉模块包括摄像头和激光传感器，所述激光传感器设置在移动底盘上，所述激光传感器用于采集机器人的周边环境数据，并通过控制模块根据采集到的周边环境数据进行定位导航，所述摄像头设置在机械臂上，所述摄像头用于实时采集巡检过程中的图像数据，在进行设备操控时，控制模块根据采集到的图像数据调整移动底盘和机械臂的位置。
6.进一步的，所述机械臂末端还设置有末端操作单元，所述末端操作单元与控制模块连接，控制模块通过末端操作单元对操控目标设备上的旋钮或操作屏幕进行操控。
7.进一步的，所述巡检机器人还包括通信模块，所述通信模块同时与控制模块以及监控平台连接，所述控制模块通过通信模块与监控平台进行无线通信。
8.一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，应用于上述的一种巡检机器人，包
括以下步骤：
9.步骤一，巡检机器人接收监控平台的操控命令，根据操控命令确定配电房内操控目标设备，确定目标操作区域，对巡检机器人进行地图定位，并根据目标操作区域以及巡检机器人定位信息获取导航信息；
10.步骤二，巡检机器人根据导航信息前进至目标操作区域内，巡检机器人通过摄像头确定操控目标设备，并实时采集操控目标设备的图像数据，再调取操控命令，获取操作内容；
11.步骤三，巡检机器人对操控目标设备上的指示灯进行识别，根据识别结果判断操控目标设备是否处于可操作状态，若处于可操作性状态，则根据操作内容确定操控目标，并通过图像数据确定操控目标位置，控制机械臂移动至对应的姿态位置，按照操作内容进行操作；若未处于可操作状态，则巡检机器人向监控后台发送无法操作信息，并恢复初始状态；
12.步骤四，巡检机器人在完成操作内容后，再次对操控目标设备上的指示灯进行识别，并根据识别结果对操作结果进行识别，若操作结果为成功，巡检机器人恢复初始状态；若操作结果为未成功，则巡检机器人向监控后台发送操作失败信息，并恢复初始状态。
13.进一步的，步骤三中在控制机器人的机械臂移动至对应的姿态位置时，通过定位偏差对机器人的姿态位置进行分步补偿，并在每一步补偿过程中采用单独的图像特征对机器人进行反馈控制。
14.进一步的，所述分步补偿包括巡检机器人歪斜偏差补偿、巡检机器人与操控目标设备距离偏差补偿和巡检机器人移动距离补偿。
15.进一步的，在通过定位偏差对巡检机器人的姿态位置进行分步补偿时，将每一步补偿所需要达到的目标姿态分为第一目标姿态、第二目标姿态和第三目标姿态，通过第一目标姿态将机械臂上的末端操作单元正对操控目标设备，并通过第二目标姿态调节巡检机器人移动底盘与操控目标设备之间的距离，最后通过第三目标姿态在保持巡检机器人移动底盘与操控目标设备之间距离，以及末端操作单元与操控对象的相对位置不变的同时，调节机械臂与操控目标的距离。
16.进一步的，操控目标设备上预先贴有两个辅助标签，在调整第一目标姿态前，巡检机器人根据操控目标设备、操控目标以及操作内容调取对应的初始姿态信息，并将机械臂调整至对应的初始姿态，提取摄像头采集的图像数据中两个辅助标志的周长特征，获取两个辅助标志的周长偏差，并将周长偏差与目标周长偏差进行比对，控制模块根据比对结果调节机械臂姿态，直至周长偏差与目标周长偏差的误差小于预设阈值，巡检机器人达到第一目标姿态，继续提取图像数据中两个辅助标志的中心像素距离特征，并将中心像素距离与目标中心像素距离进行比较，控制模块根据比对结果调节移动底盘与操控目标之间的距离，直至中心像素距离与目标中心像素距离的误差小于预设阈值，巡检机器人达到第二目标姿态，再构建图像雅可比矩阵，根据图像雅可比矩阵获取机械臂调节轨迹，并按照机械臂调节轨迹调整机械臂，机械臂上的末端操控单元接触到操控目标，巡检机器人达到第三目标姿态。
17.本发明的有益效果是：
18.能够通过巡检机器人完成对于配电房内设备的操控，通过巡检机器人代替人工实
现设备的操控处理，能够有效提高配电房内的设备管理效率。且在巡检过程中，能够在巡检过程中根据调度指令直接进行配电房内的设备操控，在巡检过程中发现设备出现故障时，能够第一时间采取有效措施，保障配电房设备的运行安全。
附图说明
19.图1是本发明的一种结构示意图；
20.图2是本发明实施例的一种巡检机器人外观示意图；
21.图3是本发明的一种流程示意图；
22.图4是本发明实施例的一种机械臂做试探性运动后，特征点p1在两个坐标系之间的坐标变化示意图。
23.其中：1、机械臂，11、末端操作单元，2、移动底盘，3、控制模块，4、视觉模块，41、摄像头，42、激光传感器，5、通信模块，6、监控平台。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
25.实施例：
26.一种巡检机器人，受监控平台6的调控，如图1所示，所述巡检机器人包括机械臂1、移动底盘2、控制模块3和视觉模块4，所述机械臂设置在移动底盘上，即机械臂固定连接在移动底盘上，所述机械臂、移动底盘和视觉模块均与控制模块连接，所述移动底盘和机械臂均由控制模块驱动控制，所述视觉模块包括摄像头41和激光传感器42，所述激光传感器设置在移动底盘上，即激光传感器固定连接在移动底盘上，所述激光传感器用于采集机器人的周边环境数据，并通过控制模块根据采集到的周边环境数据进行定位导航，所述摄像头设置在机械臂上，即摄像头固定连接机械臂上，所述摄像头用于实时采集巡检过程中的图像数据，在进行设备操控时，控制模块根据采集到的图像数据调整移动底盘和机械臂的位置。
27.本实施例中机械臂具体采用ur5机械臂，控制模块可以为单片机、嵌入式系统等。
28.本实施例中巡检机器人的外观示意图如图2所示，由图2可知，巡检机器人的移动底盘由四轮独立驱动。本实施例中所采用的移动底盘支持最高1.9m/s的直行速度，且移动底盘可以原地旋转。并采用了悬挂式底盘，使得巡检机器人在复杂及狭小空间内也能够不受限的移动。移动底盘内还设置有近距离障碍物感应装置和防碰撞触条，障碍物感应装置可在一定距离内检测到巡检机器人前方的障碍物并反馈值控制模块，控制模块控制巡检机器人减速或者停止运动，防碰撞触条则在巡检机器人已经撞到障碍物的情况下，反馈碰撞信息，控制模块控制移动底盘停止运动。
29.所述激光传感器具体采用3d激光雷达装置，通过3d激光雷达装置能够获取巡检机器人周边环境的三维数据，3d激光雷达装置中还配备有惯性测量模块和里程记录模块，实时采集巡检机器人的惯性数据和里程数据，控制模块在接收到三维数据、惯性数据和里程数据构成的周边环境数据后，生成三维点云地图，根据三维点云地图计算出巡检机器人的当前位置。在构建三维点云地图时，具体采用了slam_gmapping算法进行地图构建，并采用自适应蒙特卡洛定位实现巡检机器人当前位置的计算。
30.所述巡检机器人还配备有实时监测功能，当巡检机器人自身出现电压不稳、电流过载、短路断路、温度过高等异常情况时能及时反馈上报监控平台。
31.所述机械臂末端还设置有末端操作单元11，所述末端操作单元与控制模块连接，控制模块通过末端操作单元对操控目标设备上的旋钮或操作屏幕进行操控。所述末端操作单元的一端固定连接在机械臂上，另一端则能够插入操控目标设备的操作孔中，并卡住旋钮，实现旋转操作。
32.巡检机器人还包括通信模块5，所述通信模块同时与控制模块以及监控平台连接，所述控制模块通过通信模块与监控平台进行无线通信。所述通信模块与监控平台间的无线通信可以为5g、4g、无线网络等无线通信方式，同时通过量子加密方式实现监控平台和巡检机器人之间的通信数据加密。
33.一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，应用于上述的一种巡检机器人，如图3所示，包括以下步骤：
34.步骤一，巡检机器人接收监控平台的操控命令，根据操控命令确定配电房内操控目标设备，确定目标操作区域，对巡检机器人进行地图定位，并根据目标操作区域以及巡检机器人定位信息获取导航信息；
35.步骤二，巡检机器人根据导航信息前进至目标操作区域内，巡检机器人通过摄像头确定操控目标设备，并实时采集操控目标设备的图像数据，再调取操控命令，获取操作内容；
36.步骤三，巡检机器人对操控目标设备上的指示灯进行识别，根据识别结果判断操控目标设备是否处于可操作状态，若处于可操作性状态，则根据操作内容确定操控目标，并通过图像数据确定操控目标位置，控制机械臂移动至对应的姿态位置，按照操作内容进行操作；若未处于可操作状态，则巡检机器人向监控后台发送无法操作信息，并恢复初始状态；
37.步骤四，巡检机器人在完成操作内容后，再次对操控目标设备上的指示灯进行识别，并根据识别结果对操作结果进行识别，若操作结果为成功，巡检机器人恢复初始状态；若操作结果为未成功，则巡检机器人向监控后台发送操作失败信息，并恢复初始状态。
38.以高压开关柜为操控目标设备为例，高压开关柜上设置有开关柜分闸指示灯、开关柜合闸指示灯、已储能指示灯、试验位置指示灯、工作位置指示灯、开关柜线路侧地刀分闸指示灯和开关柜线路侧地刀合闸闸指示灯等指示灯，这些指示灯表示着高压开关柜中各设备的当前状态，在对高压开关柜进行操控前，需要通过识别指示灯判断此时高压开关柜内各设备是否能够进行操作，防止巡检机器人的后续操作影响高压开关柜的运行，避免引起高压开关柜的故障。
39.获取导航信息时先在构建的三维点云地图的基础上，确定高压开关柜的位置，将高压开关柜的位置转换为三维点云地图上的坐标，并根据当前位置所对应坐标以及转换得到的高压开关柜坐标规划路径，获取导航信息。
40.操作内容则包括了通过旋转高压开关柜上各旋钮实现高压开关柜内设备的开关。
41.步骤三中在控制机器人的机械臂移动至对应的姿态位置时，通过定位偏差对机器人的姿态位置进行分步补偿，并在每一步补偿过程中采用单独的图像特征对机器人进行反馈控制。
42.由于机械臂在每次执行任务时，都需要通过多自由度调整，来补偿巡检机器人的移动偏差，从而使得机械臂能够一直处于理想相对位置，也就能够保持机械臂上的末端操作单元与操作对象间的相对位置固定不变。由于末端操作单元在对高压开关柜进行处理时，其操作内容常为旋转旋钮，机械臂不需要进行旋转运动，因此在考虑机械臂的调整时，不考虑位姿解耦，因此在构建巡检机器人机械臂和视觉模块的机械臂视觉伺服系统时，采用无标定方法，同时不进行参数标定。
43.所述分步补偿包括巡检机器人歪斜偏差补偿、巡检机器人与操控目标设备距离偏差补偿和巡检机器人移动距离补偿。
44.在通过定位偏差对巡检机器人的姿态位置进行分步补偿时，将每一步补偿所需要达到的目标姿态分为第一目标姿态、第二目标姿态和第三目标姿态，通过第一目标姿态将机械臂上的末端操作单元正对操控目标设备，并通过第二目标姿态调节巡检机器人移动底盘与操控目标设备之间的距离，最后通过第三目标姿态在保持巡检机器人移动底盘与操控目标设备之间距离，以及末端操作单元与操控对象的相对位置不变的同时，调节机械臂与操控目标的距离。
45.操控目标设备上预先贴有两个辅助标签，在调整第一目标姿态前，巡检机器人根据操控目标设备、操控目标以及操作内容调取对应的初始姿态信息，并将机械臂调整至对应的初始姿态，提取摄像头采集的图像数据中两个辅助标志的周长特征，获取两个辅助标志的周长偏差，并将周长偏差与目标周长偏差进行比对，控制模块根据比对结果调节机械臂姿态，直至周长偏差与目标周长偏差的误差小于预设阈值，巡检机器人达到第一目标姿态，继续提取图像数据中两个辅助标志的中心像素距离特征，并将中心像素距离与目标中心像素距离进行比较，控制模块根据比对结果调节移动底盘与操控目标之间的距离，直至中心像素距离与目标中心像素距离的误差小于预设阈值，巡检机器人达到第二目标姿态，再构建图像雅可比矩阵，根据图像雅可比矩阵获取机械臂调节轨迹，并按照机械臂调节轨迹调整机械臂，机械臂上的末端操控单元接触到操控目标，巡检机器人达到第三目标姿态。
46.在调节巡检机器人时，先调节巡检机器人正对高压开关柜，末端操作单元能够正对高压开关柜的柜身，在进行旋钮操作时，能够通过移动机械臂，使得末端操作单元插入对应插孔中，若出现歪斜情况，则末端操作单元可能对高压开关柜造成损害。在正对高压开关柜后，调节巡检机器人和高压开关柜之间的距离，使得末端操作单元能够接近高压开关柜柜身表面。由于在巡检机器人调节过程中，两个辅助标志在移动过程中由于相对角度和相对高度等的变化，在摄像头采集到的图像数据中所展示出的图像也会不断变化，但是其本身在高压开关柜上是固定不变的，因此针对其所展现出的不同的图像特征进行机械臂的调节，从而使得末端操作单元能够对准操控目标。
47.本实施例中采用apriltag标签作为辅助标志。
48.巡检机器人在移动至初始姿势的过程中，两个辅助标志会逐渐出现在摄像头采集的图像数据中，在巡检机器人平行于高压开关柜平面时，末端操作单元正对操作柜平面，而两个辅助标志的周长大致相等，两个辅助标志之间的周长偏差会随着摄像头与高压柜柜身平面的距离增大而减小，因此通过计算两个辅助标志之间的周长偏差，调节巡检机器人的位置，直至达到第一目标姿态，末端操作单元正对高压开关柜的柜身，实现对于巡检机器人歪斜的偏差进行校正补偿。
49.而通过apriltag标签的中心点位特征，能够对摄像头所采集到图像数据中两个辅助标志的中心坐标进行提取，在提取中心坐标时，以采集到的图像数据左上角顶点为原点。根据采集到的中心坐标计算两个辅助标志之间的中心像素距离。
50.在经历过第一目标姿态和第二目标姿态的调节后，只需要对机械臂进行2d平面上的调整即可，而计算图像雅可比矩阵能够将机械臂在现实坐标系中的坐标和在摄像头成像平面内的像素坐标系中的坐标进行转换，从而有效获取机械臂的调整移动轨迹。图像雅可比矩阵的本质是对机械臂对应的控制模块所代表的控制系统和摄像头所代表的视觉系统之间的微分关系的建模，从而获取两者间的影响，是一种对于机械臂控制和摄像头采集图像的局部线性近似。在计算图像雅可比矩阵时，需要获取摄像头的参数，因此通过控制机械臂做试探性运动，从而获取近似的图像雅可比矩阵。
51.以高压开关柜上的其中一个辅助标志作为特征点为例，该辅助标志为特征点p1。以摄像头o作为现实坐标系原点，摄像头o的焦距为f，在摄像头的成像平面中，uv为像素坐标轴，xy为显示坐标轴，其中现实坐标系的z轴由于机械臂仅在2d平面上进行调节，因此特征点p1的z轴坐标不会变化。特征点p1在现实坐标系中坐标为(x1，y1，z)，特征点p1在成像平面上的成像点p1在像素坐标系中的坐标为(u1，v1)。机械臂做试探性运动后，特征点p1移动到p2位置，p2在现实坐标系中的坐标为(x2，y2，z)，p2在成像平面上成像点p2的在成像坐标系中的坐标为(u2，v2)。通过机械臂在试探性运动过程中的移动轨迹，以及成像点的坐标变化，能够获取机械臂控制与摄像头采集图像变化之间的关系，从而获取近似的图像雅可比矩阵。
52.具体的，机械臂做试探性运动后，特征点p1在两个坐标系之间的坐标变化如图4所示。
53.在末端操作单元完成旋钮的旋转后，对应的设备会进行开启或关断，因此通过对应指示灯的识别来判断旋钮是否旋转到位，所希望开启或关断的设备是否操作成功。
54.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

技术特征：

1.一种巡检机器人，受监控平台的调控，其特征在于，包括机械臂、移动底盘、控制模块和视觉模块，所述机械臂设置在移动底盘上，所述机械臂、移动底盘和视觉模块均与控制模块连接，所述移动底盘和机械臂均由控制模块驱动控制，所述视觉模块包括摄像头和激光传感器，所述激光传感器设置在移动底盘上，所述激光传感器用于采集机器人的周边环境数据，并通过控制模块根据采集到的周边环境数据进行定位导航，所述摄像头设置在机械臂上，所述摄像头用于实时采集巡检过程中的图像数据，在进行设备操控时，控制模块根据采集到的图像数据调整移动底盘和机械臂的位置。2.根据权利要求1所述的一种巡检机器人，其特征在于，所述机械臂的末端还设置有末端操作单元，所述末端操作单元与控制模块连接，控制模块通过末端操作单元对操控目标设备上的旋钮或操作屏幕进行操控。3.根据权利要求1所述的一种巡检机器人，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块同时与控制模块以及监控平台连接，所述控制模块通过通信模块与监控平台进行无线通信。4.一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，应用于权利要求1-3所述的一种巡检机器人，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，巡检机器人接收监控平台的操控命令，根据操控命令确定配电房内操控目标设备，确定目标操作区域，对巡检机器人进行地图定位，并根据目标操作区域以及巡检机器人定位信息获取导航信息；步骤二，巡检机器人根据导航信息前进至目标操作区域内，巡检机器人通过摄像头确定操控目标设备，并实时采集操控目标设备的图像数据，再调取操控命令，获取操作内容；步骤三，巡检机器人对操控目标设备上的指示灯进行识别，根据识别结果判断操控目标设备是否处于可操作状态，若处于可操作性状态，则根据操作内容确定操控目标，并通过图像数据确定操控目标位置，控制机械臂移动至对应的姿态位置，按照操作内容进行操作；若未处于可操作状态，则巡检机器人向监控后台发送无法操作信息，并恢复初始状态；步骤四，巡检机器人在完成操作内容后，再次对操控目标设备上的指示灯进行识别，并根据识别结果对操作结果进行识别，若操作结果为成功，巡检机器人恢复初始状态；若操作结果为未成功，则巡检机器人向监控后台发送操作失败信息，并恢复初始状态。5.根据权利要求4所述的一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，其特征在于，步骤三中在控制机器人的机械臂移动至对应的姿态位置时，通过定位偏差对机器人的姿态位置进行分步补偿，并在每一步补偿过程中采用单独的图像特征对机器人进行反馈控制。6.根据权利要求5所述的一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，其特征在于，所述分步补偿包括巡检机器人歪斜偏差补偿、巡检机器人与操控目标设备距离偏差补偿和巡检机器人移动距离补偿。7.根据权利要求5所述的一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，其特征在于，在通过定位偏差对巡检机器人的姿态位置进行分步补偿时，将每一步补偿所需要达到的目标姿态分为第一目标姿态、第二目标姿态和第三目标姿态，通过第一目标姿态将机械臂上的末端操作单元正对操控目标设备，并通过第二目标姿态调节巡检机器人移动底盘与操控目标设备之间的距离，最后通过第三目标姿态在保持巡检机器人移动底盘与操控目标设备之间距离，以及末端操作单元与操控对象的相对位置不变的同时，调节机械臂与操控目标的
距离。8.根据权利要求7所述的一种基于巡检机器人的配电房设备操控方法，其特征在于，操控目标设备上预先贴有两个辅助标签，在调整第一目标姿态前，巡检机器人根据操控目标设备、操控目标以及操作内容调取对应的初始姿态信息，并将机械臂调整至对应的初始姿态，提取摄像头采集的图像数据中两个辅助标志的周长特征，获取两个辅助标志的周长偏差，并将周长偏差与目标周长偏差进行比对，控制模块根据比对结果调节机械臂姿态，直至周长偏差与目标周长偏差的误差小于预设阈值，巡检机器人达到第一目标姿态，继续提取图像数据中两个辅助标志的中心像素距离特征，并将中心像素距离与目标中心像素距离进行比较，控制模块根据比对结果调节移动底盘与操控目标之间的距离，直至中心像素距离与目标中心像素距离的误差小于预设阈值，巡检机器人达到第二目标姿态，再构建图像雅可比矩阵，根据图像雅可比矩阵获取机械臂调节轨迹，并按照机械臂调节轨迹调整机械臂，机械臂上的末端操控单元接触到操控目标，巡检机器人达到第三目标姿态。

技术总结

本发明提供了一种巡检机器人和基于巡检机器人的配电房设备操控方法，所述巡检机器人包括机械臂、移动底盘、控制模块和视觉模块，机械臂、移动底盘和视觉模块均与控制模块连接，视觉模块包括摄像头和激光传感器。所述配电房设备操控方法具体为接收操控命令，确定配电房内操控目标设备和对应的目标操作区域，导航至目标操作区域并确定操控目标设备，实时采集对应图像数据，识别指示灯，判断操控目标设备是否处于可操作状态，在处于可操作状态时，确定操控目标及其位置，控制机械臂移动至对应的姿态位置进行操作，在完成操作内容后，识别指示灯，判断操作结果。本发明能够代替人工实现配电房内设备的操控处理，提高故障处理效率以及电网运行安全。电网运行安全。电网运行安全。