一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，包括机器人、巡检控制子系统、可移动视觉设备和固定滑轨，机器人、巡检控制子系统与可移动视觉设备之间通过无线方式进行数据交互；所述巡检控制子系统包括视觉跟踪模块、图像拼接模块和路径导航模块；所述可移动视觉设备包括运动装置、高清摄像头、无线收发单元和供电电池；所述固定滑轨沿机器人的巡检路线铺设，可移动视觉设备通过运动装置在固定滑轨上移动。本发明专利技术将定位移动巡检机器人的摄像头数目减至一个，做到“专机专用”，在固定轨道上跟踪机器人。对于固定巡检路线的厂区来说，能够有效地减少摄像头数目，有利于降低成本，提高巡检机器人的自动化与智能化。

A Tracking and Navigation System for Patrol Robot Based on Orbit-fixing Mobile Vision Equipment

The invention discloses a tracking navigation system for patrol robot based on fixed-orbit mobile vision device, which includes a robot, a patrol control subsystem, a movable vision device and a fixed slideway, and a wireless data interaction between a robot, a patrol control subsystem and a movable vision device. The patrol control subsystem includes a visual tracking module and an image mosaic module. The mobile vision device includes a motion device, a high definition camera, a wireless transceiver unit and a power supply battery; the fixed slideway is laid along the inspection route of the robot, and the mobile vision device moves on the fixed slideway through the motion device. The invention reduces the number of cameras of the positioning mobile inspection robot to one, so as to achieve \special aircraft\ and track the robot on a fixed track. For the factory with fixed patrol route, it can effectively reduce the number of cameras, reduce costs, and improve the automation and intelligence of patrol robot.

【技术实现步骤摘要】
一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统
本专利技术属于移动机器人领域，特别涉及了一种巡检机器人跟踪导航系统。
技术介绍
我国是生产、制造大国，也是国民经济高速发展的国家，经济提升的同时，国家也越来越重视生产安全工作，研发用于代替人在危险的工作环境中进行日常安全巡检的特种机器人的行动计划已经开始。为了满足对供电质量日益提高的要求，变电站机器人巡视系统得以应用。变电站设备巡检机器人系统以自主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行巡检，可及时发现异常现象，自动报警或进行预先设置好的故障处理，可以说起到减员增效的作用，能更快地推进变电站无人值守的进程。巡检机器人由此开始大力发展。自主导航技术是巡检机器人领域中的关键技术之一。目前，巡检机器人自主导航技术主要有电磁导航技术、磁带导航技术、光学导航技术、激光导航技术、惯性导航技术和视觉导航技术等。电磁导航技术是较为传统的导引技术，需要事先在工作区域铺设导引线，安装成本较低，引导稳定，可操作性强，能够避免声光等的干扰，但导引线路径固定，不方便变更和扩展，在复杂路面、路径条件下难于实现；磁带导航技术的工作原理简单，灵活性好，能够方便地扩充或改变线路，但其容易受金属物质干扰，可靠性能低；光学导航技术与电磁导航技术相似，路线设置简单，灵活性较好，但其对环境要求较高，可靠性差，易被污染和磨损，同时定位精确度有待提高；激光导航技术的最大优势是可靠性高，但导航设备昂贵，设备的安装和更换较为复杂；惯性导航技术是一种不依赖于外部信息、不易受到干扰的自主式导航技术，不需要外部参照，适用于复杂的地理环境，抗干扰能力强，但是其控制性能和实时性较差；视觉导航技术是近些年新兴的一个技术，主要分为结构化路径导航和非结构化路径导航，结构化路径视觉导航已经发展到应用阶段，相对于结构化路径来说，视觉导航的最终发展研究目标是非结构化的、柔性化的路径视觉导航，即不再需要预先铺设路径，只通过巡检机器人所配置的摄像机，实现3D场景图像的实时处理，使得巡检机器人能够识别整个工作环境的地形信息，可以根据工作环境进行路径的柔性规划，这种功能的实现需要复杂而优良的算法、高效而低耗的处理器来支撑，是巡检机器人视觉导航研究的重点。视觉导航技术需要巡检机器人能过获取详细的工作环境信息，之后才能进行路径规划。然而在进行路径规划的过程中，往往需要布置的摄像头数量众多，在一个摄像头的视野范围之外就需要布置另一个摄像头来扩展环境信息，使机器人不至于“失明”。所以通过布置大量的固定摄像头来实现对图像的拼接与机器人的视觉导航，除了需要选择摄像头的布置位置，还要进行大量的布线，既费时又费力，成本也会根据巡检区域的扩大成倍增长，通过固定视觉传感器来进行目标导航的方法会有很大的局限性。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，将定位移动机器人的摄像头数目减至一个，有利于降低成本。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，包括机器人、巡检控制子系统、可移动视觉设备和固定滑轨，机器人、巡检控制子系统与可移动视觉设备之间通过无线方式进行数据交互；所述巡检控制子系统包括视觉跟踪模块、图像拼接模块和路径导航模块；所述可移动视觉设备包括运动装置、高清摄像头、无线收发单元和供电电池；所述固定滑轨沿机器人的巡检路线铺设，可移动视觉设备通过运动装置在固定滑轨上移动；可移动视觉设备首先沿巡检路线巡视一周，将采集到的环境图像经无线收发单元发送给巡检控制子系统，图像拼接模块将环境图像进行拼接处理，生成巡检路线的二维平面图，视觉跟踪模块从环境图像中识别出障碍物，并将障碍物信息传送给图像拼接模块，图像拼接模块将障碍物整合至二维平面图，并将整合了障碍物的二维平面图传送给路径导航模块，路径导航模块据此进行路径规划并将生成的路径指令发送给机器人，机器人按照接收到的路径指令行进，同时可移动视觉设备实时跟踪机器人，并将高清摄像头采集的跟踪图像发送给巡检控制子系统，视觉跟踪模块通过内置的跟踪算法生成跟踪指令并反馈给可移动视觉设备，从而实现可移动视觉设备对机器人的实时跟踪。进一步地，所述机器人为三层结构，其中顶部为环境感知与通讯层，中部为基础控制层，底部为移动驱动层；环境感知与通讯层包括上壳、无线路由器、全景摄像头、信息显示屏、第一开关和第二开关，无线路由器和全景摄像头设置于上壳的上方，信息显示屏、第一开关和第二开关设置在上壳的侧面；基础控制层包括元件排布板以及设置在元件排布板上的主控制板、RS232-网口转换器、第一电源转换模块、第二电源转换模块、左侧电机驱动器、右侧电机驱动器和接线盘；移动驱动层包括底座、第一供电电池、第二供电电池、左侧电机、右侧电机、左侧履带轮和右侧履带轮，第一供电电池、第二供电电池、左侧电机和右侧电机设置于底座的内部，左侧履带轮和右侧履带轮设置在底座的左右两侧；左侧履带轮和右侧履带轮分别对应连接左侧电机和右侧电机的输出轴，左侧电机驱动器和右侧电机驱动器分别对应连接左侧电机和右侧电机的驱动端，第一开关和第二开关分别接入第一供电电池和第二供电电池的输出端，第一供电电池经第一电源转换模块为左侧电机驱动器、右侧电机驱动器、无线路由器和全景摄像头供电，第二供电电池经第二电源转换模块为主控制板、信息显示屏和RS232-网口转换器供电，信息显示屏用于显示第一供电电池和第二供电电池的电量，主控制板经RS232-网口转换器与无线路由器、全景摄像头相连，各器件之间的线路在接线盘上连接。进一步地，所述固定滑轨设有分轨，分轨延伸至充电桩，当可移动视觉设备中的供电电池电量低于预设阈值时，自动切断与机器人的跟踪关系，经由分轨移至充电桩充电，并分配另一电量充裕的可移动视觉设备移至对应的机器人处进行跟踪。进一步地，所述路径导航模块采用基于细菌觅食算法的蚁群算法进行路径规划。进一步地，将传入路径导航模块的二维平面图进行栅格化，蚁群算法的路径选择规则如下：上式中，为目标函数，即t时刻蚂蚁s在栅格vi与vj间的运动信息，为蚂蚁s在栅格vi时下一步所有可移动方向的集合，vs为蚂蚁s所在栅格，τij(t)为t时刻栅格vi与vj间残留的信息素，τis为栅格vi与vs间残留的信息素，α为信息启发因子，ηij(t)为t时刻栅格vi与vj间的期望启发函数，dij为栅格vi与vj间的距离，ηis为栅格vi与vs间的期望启发函数，β为期望启发因子；设ρ为信息挥发系数，0≤ρ≤1，t+Δt时刻栅格vi与vj间残留的信息素更新规则如下：τij(t+Δt)＝(1-ρ)·τ(t)+Δτij(t)上式中，τ(t)为t时刻第s只蚂蚁留下的信息，为第s只蚂蚁在本次循环中留在栅格vi与vj之间的信息，S为蚁群中蚂蚁总数；采用Ant-Cycle模型：上式中，Q为信息素强度，Ls为第s只蚂蚁在本次循环中所走过的路径的总长度，Paths为第s只蚂蚁在本次循环中从起点到终点所走过的栅格的集合；将蚁群算法中相互耦合的任意一组参数αi、βi、ρi和Qi映射至一个四维数组上，将其看作一个细菌个体pi＝(αi,βi,ρi,Qi)T，上标T表示转置，细菌群体P＝{p1,p2,…,pn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，其特征在于：包括机器人、巡检控制子系统、可移动视觉设备和固定滑轨，机器人、巡检控制子系统与可移动视觉设备之间通过无线方式进行数据交互；所述巡检控制子系统包括视觉跟踪模块、图像拼接模块和路径导航模块；所述可移动视觉设备包括运动装置、高清摄像头、无线收发单元和供电电池；所述固定滑轨沿机器人的巡检路线铺设，可移动视觉设备通过运动装置在固定滑轨上移动；可移动视觉设备首先沿巡检路线巡视一周，将采集到的环境图像经无线收发单元发送给巡检控制子系统，图像拼接模块将环境图像进行拼接处理，生成巡检路线的二维平面图，视觉跟踪模块从环境图像中识别出障碍物，并将障碍物信息传送给图像拼接模块，图像拼接模块将障碍物整合至二维平面图，并将整合了障碍物的二维平面图传送给路径导航模块，路径导航模块据此进行路径规划并将生成的路径指令发送给机器人，机器人按照接收到的路径指令行进，同时可移动视觉设备实时跟踪机器人，并将高清摄像头采集的跟踪图像发送给巡检控制子系统，视觉跟踪模块通过内置的跟踪算法生成跟踪指令并反馈给可移动视觉设备，从而实现可移动视觉设备对机器人的实时跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，其特征在于：包括机器人、巡检控制子系统、可移动视觉设备和固定滑轨，机器人、巡检控制子系统与可移动视觉设备之间通过无线方式进行数据交互；所述巡检控制子系统包括视觉跟踪模块、图像拼接模块和路径导航模块；所述可移动视觉设备包括运动装置、高清摄像头、无线收发单元和供电电池；所述固定滑轨沿机器人的巡检路线铺设，可移动视觉设备通过运动装置在固定滑轨上移动；可移动视觉设备首先沿巡检路线巡视一周，将采集到的环境图像经无线收发单元发送给巡检控制子系统，图像拼接模块将环境图像进行拼接处理，生成巡检路线的二维平面图，视觉跟踪模块从环境图像中识别出障碍物，并将障碍物信息传送给图像拼接模块，图像拼接模块将障碍物整合至二维平面图，并将整合了障碍物的二维平面图传送给路径导航模块，路径导航模块据此进行路径规划并将生成的路径指令发送给机器人，机器人按照接收到的路径指令行进，同时可移动视觉设备实时跟踪机器人，并将高清摄像头采集的跟踪图像发送给巡检控制子系统，视觉跟踪模块通过内置的跟踪算法生成跟踪指令并反馈给可移动视觉设备，从而实现可移动视觉设备对机器人的实时跟踪。2.根据权利要求1所述基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，其特征在于：所述机器人为三层结构，其中顶部为环境感知与通讯层，中部为基础控制层，底部为移动驱动层；环境感知与通讯层包括上壳、无线路由器、全景摄像头、信息显示屏、第一开关和第二开关，无线路由器和全景摄像头设置于上壳的上方，信息显示屏、第一开关和第二开关设置在上壳的侧面；基础控制层包括元件排布板以及设置在元件排布板上的主控制板、RS232-网口转换器、第一电源转换模块、第二电源转换模块、左侧电机驱动器、右侧电机驱动器和接线盘；移动驱动层包括底座、第一供电电池、第二供电电池、左侧电机、右侧电机、左侧履带轮和右侧履带轮，第一供电电池、第二供电电池、左侧电机和右侧电机设置于底座的内部，左侧履带轮和右侧履带轮设置在底座的左右两侧；左侧履带轮和右侧履带轮分别对应连接左侧电机和右侧电机的输出轴，左侧电机驱动器和右侧电机驱动器分别对应连接左侧电机和右侧电机的驱动端，第一开关和第二开关分别接入第一供电电池和第二供电电池的输出端，第一供电电池经第一电源转换模块为左侧电机驱动器、右侧电机驱动器、无线路由器和全景摄像头供电，第二供电电池经第二电源转换模块为主控制板、信息显示屏和RS232-网口转换器供电，信息显示屏用于显示第一供电电池和第二供电电池的电量，主控制板经RS232-网口转换器与无线路由器、全景摄像头相连，各器件之间的线路在接线盘上连接。3.根据权利要求1所述基于定轨移动视觉设备的巡检机器人跟踪导航系统，其特征在于：所述固定滑轨设有分轨，分轨延伸至充电桩，当可移动视觉设备中的供电电池电量低于预设阈值时，自动切断与机器人的跟踪关系，经由分轨移至充电桩充电，并分配另一电量充裕的可移动视觉设备移至对应的机器人处进行跟踪。4.根据权利要求1所述基于定轨移动视觉设备的巡检...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱华，由韶泽，葛世荣，李鹏，李猛钢，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32