一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法及系统技术方案

本申请公开了一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法及系统，包括：对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取特征点，确定特征点的描述子；对相邻两帧描述子进行匹配，得到特征匹配结果，并确定巡检机器人的相对位置和姿态变化；根据其相对位置和姿态变化、特征点位置、以及特征点对应于深度图像位置的深度值，建立变电站的三维空间模型；将二维彩色图像与三维空间模型进行匹配，定位巡检机器人的所在位置，并构建二维占据网络，确定避障路径。本申请基于图像信息分析及相关算法，可以定位巡检机器人的准确位置，且可自动检测全局范围内的障碍物，并根据障碍物以及所在位置，进行路径规划，该方法实施简单、成本低、稳定性好、精确度高。

Method and system for visual positioning navigation of transformer station inspection robot

The invention discloses a substation inspection robot visual navigation system and method, including two-dimensional color images of the environment of the pre-processing, feature extraction, to determine the feature point descriptor; matching of two neighboring frame descriptors, feature matching results, and to determine the relative position and attitude change inspection robot; according to the relative position and attitude change, feature point, feature points corresponding to the depth of the image position depth values, establish 3D model of substation; by matching the two-dimensional image and the three-dimensional space model, positioning robot's location, and build a two-dimensional occupy network, determine the obstacle avoidance path. The application of image information and analysis of the related algorithm based on the exact location of the inspection robot can be positioned, and can automatically detect obstacles in the global scope, and according to the obstacle and location, path planning, this method has the advantages of simple operation, low cost, good stability, high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法及系统
本专利技术涉及导航领域，特别是涉及一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法及系统。
技术介绍
随着社会经济的不断发展，用电量急剧增长，从而输电线路长度和变电站数量急剧上升。变电站和输电线路的安全监测，大都还依靠人工完成，人工巡检电力设备劳动强度大、效率低，已经跟不上时代的步伐，为保证安全和可靠地供电，电力设备的运营自动化和现代化已日益显示出其迫切性。现代科技发展迅速，各种巡检机器人应运而生，能代替或辅助传统人工进行巡检作业，提高工作效率，降低劳动强度，减少作业风险，为变电站无人值守、自动运营提供了新思路。当前巡检机器人基于固定巡检路线、固定巡视位置采集设备图像。巡检机器人平台采用磁传感器实现导航，但该导航方式成本高、不够灵活；导航线路确定后，需要通过人工现场施工，填埋磁轨，磁轨迹线路一旦实施，较难改变；且变电站环境中可填埋磁轨迹的区域有限，这成为约束巡检机器人行驶范围的主要原因，进而使得巡检机器人必须在距离设备较远的地方采集图像，为后续的图像处理和分析引入了较多问题。另外，由于变电站环境属于非结构环境，会不定期的进入人员进行设备维护，以及存在车辆进入的情况，如何保证巡检机器人不会对人进行伤害，以及避免与行进道路上的车辆进行避让，是新一代智能巡检机器人必须具备的能力。因此，如何为巡检机器人增加更灵活的感知环境的方式，使其导航精确度高，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法及系统，实施简单、稳定性好、成本低、定位精度高，能够准确实现避障和导航功能。其具体方案如下：一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法，包括：对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取所述二维彩色图像的特征点，确定所述特征点的描述子；对相邻两帧所述描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，并根据所述特征匹配结果，确定巡检机器人的相对位置和姿态变化；根据所述巡检机器人的相对位置和姿态变化、所述特征点的位置、以及所述特征点对应于采集到的环境的深度图像位置的深度值，建立变电站的三维空间模型；将所述二维彩色图像与所述三维空间模型进行匹配，定位所述巡检机器人的所在位置，并根据所述三维空间模型构建二维占据网络，确定避障路径。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取所述二维彩色图像的特征点，确定所述特征点的描述子，具体包括：利用高斯核函数对采集到的环境的二维彩色图像进行高斯滤波处理，去除噪声；在处理后的所述二维彩色图像上提取特征点，利用非极大值抑制去除距离密集的特征点，计算除了所述去除的特征点的其它特征点的描述子。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，对相邻两帧所述描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，具体包括：计算相邻两帧所述描述子之间的汉明距离；若所述汉明距离小于预设阈值，则视为匹配正确；匹配结束后，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，根据所述特征匹配结果，确定巡检机器人的相对位置和姿态变化，具体包括：根据所述特征匹配结果，利用对极几何约束计算巡检机器人的运动状态；构建一个最小化重投影误差和三维匹配最近点误差的代价函数对所述巡检机器人的运动状态进行迭代优化处理，得到所述巡检机器人的相对位置和姿态变化。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，采用下列公式利用对极几何约束计算所述巡检机器人的运动状态：其中，T为所述巡检机器人的运动状态，R为所述巡检机器人的相对旋转角度，t为所述巡检机器人的相对位移，x1为所述二维彩色图像I(x,y)的特征点归一化坐标，x2为所述二维彩色图像J(x,y)的特征点归一化坐标，E为包含所述巡检机器人运动状态的本质矩阵；所述巡检机器人的相对旋转角度和相对位移由包含所述巡检机器人运动状态的本质矩阵进行奇异值分解而得。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，根据所述巡检机器人的相对位置和姿态变化、所述特征点的位置、以及所述特征点对应于采集到的环境的深度图像位置的深度值，建立变电站的三维空间模型，具体包括：根据所述巡检机器人的相对位置和姿态变化、所述特征点的位置以及所述特征点对应于采集到的环境的深度图像位置的深度值，确定所述特征点的三维空间位置；利用三角化技术将所述特征点的三维空间位置进行处理，得到变电站的三维空间模型。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，采用下列公式确定所述特征点的三维空间位置：其中，P为所述特征点的三维空间位置，p为所述特征点在二维彩色图像中的齐次坐标，K为深度相机内参，d为所述特征点对应深度图像的深度值，T为所述巡检机器人的运动状态。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，将所述二维彩色图像与所述三维空间模型进行匹配，定位所述巡检机器人的所在位置，具体包括：根据所述巡检机器人当前位置下的二维彩色图像提取特征点并计算描述子后，与地图模型中保留的前一帧的描述子进行特征匹配；根据所述巡检机器人当前位置下的深度图像信息，利用所述特征点的三维空间位置以及所述三维空间模型，进行求解迭代最近点算法计算巡检机器人当前位置的运动状态；根据所述计算出的巡检机器人当前位置的运动状态，利用最小化重投影误差和迭代最近点匹配误差进行所述巡检机器人的精准定位，确定所述巡检机器人的所在位置。优选地，在本专利技术实施例提供的上述变电站巡检机器人视觉定位导航方法中，根据所述三维空间模型构建二维占据网络，确定避障路径，具体包括：根据所述三维空间模型构建所述巡检机器人可执行路径规划的栅格地图，根据三维点在地平面上的投影个数，对栅格进行填充，形成二维占据网络；根据所述二维占据网络和所述巡检机器人的所在位置，使用马尔科夫路径规划算法，对所述巡检机器人进行路径规划，得到避障路径。本专利技术实施例还提供了一种变电站巡检机器人视觉定位导航系统，包括：特征提取模块，用于对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取所述二维彩色图像的特征点，确定所述特征点的描述子；特征匹配模块，用于对相邻两帧所述描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，并根据所述特征匹配结果，确定巡检机器人的相对位置和姿态变化；三维空间模型建立模块，用于根据所述巡检机器人的相对位置和姿态变化、所述特征点的位置、以及所述特征点对应于采集到的环境的深度图像位置的深度值，建立变电站的三维空间模型；路径规划模块，用于将所述二维彩色图像与所述三维空间模型进行匹配，定位所述巡检机器人的所在位置，并根据所述三维空间模型构建二维占据网络，确定避障路径。本专利技术所提供的一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法及系统，包括：对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取二维彩色图像的特征点，确定特征点的描述子；对相邻两帧描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，并根据特征匹配结果，确定巡检机器人的相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法，其特征在于，包括：对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取所述二维彩色图像的特征点，确定所述特征点的描述子；对相邻两帧所述描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，并根据所述特征匹配结果，确定巡检机器人的相对位置和姿态变化；根据所述巡检机器人的相对位置和姿态变化、所述特征点的位置、以及所述特征点对应于采集到的环境的深度图像位置的深度值，建立变电站的三维空间模型；将所述二维彩色图像与所述三维空间模型进行匹配，定位所述巡检机器人的所在位置，并根据所述三维空间模型构建二维占据网络，确定避障路径。

【技术特征摘要】
1.一种变电站巡检机器人视觉定位导航方法，其特征在于，包括：对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取所述二维彩色图像的特征点，确定所述特征点的描述子；对相邻两帧所述描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，并根据所述特征匹配结果，确定巡检机器人的相对位置和姿态变化；根据所述巡检机器人的相对位置和姿态变化、所述特征点的位置、以及所述特征点对应于采集到的环境的深度图像位置的深度值，建立变电站的三维空间模型；将所述二维彩色图像与所述三维空间模型进行匹配，定位所述巡检机器人的所在位置，并根据所述三维空间模型构建二维占据网络，确定避障路径。2.根据权利要求1所述的变电站巡检机器人视觉定位导航方法，其特征在于，对采集到的环境的二维彩色图像进行预处理，提取所述二维彩色图像的特征点，确定所述特征点的描述子，具体包括：利用高斯核函数对采集到的环境的二维彩色图像进行高斯滤波处理，去除噪声；在处理后的所述二维彩色图像上提取特征点，利用非极大值抑制去除距离密集的特征点，计算除了所述去除的特征点的其它特征点的描述子。3.根据权利要求2所述的变电站巡检机器人视觉定位导航方法，其特征在于，对相邻两帧所述描述子进行匹配，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果，具体包括：计算相邻两帧所述描述子之间的汉明距离；若所述汉明距离小于预设阈值，则视为匹配正确；匹配结束后，使用随机采样一致性算法去除误匹配点，得到特征匹配结果。4.根据权利要求3所述的变电站巡检机器人视觉定位导航方法，其特征在于，根据所述特征匹配结果，确定巡检机器人的相对位置和姿态变化，具体包括：根据所述特征匹配结果，利用对极几何约束计算巡检机器人的运动状态；构建一个最小化重投影误差和三维匹配最近点误差的代价函数对所述巡检机器人的运动状态进行迭代优化处理，得到所述巡检机器人的相对位置和姿态变化。5.根据权利要求4所述的变电站巡检机器人视觉定位导航方法，其特征在于，采用下列公式利用对极几何约束计算所述巡检机器人的运动状态：其中，T为所述巡检机器人的运动状态，R为所述巡检机器人的相对旋转角度，t为所述巡检机器人的相对位移，x1为所述二维彩色图像I(x,y)的特征点归一化坐标，x2为所述二维彩色图像J(x,y)的特征点归一化坐标，E为包含所述巡检机器人运动状态的本质矩阵；所述巡检机器人的相对旋转角度和相对位移由包含所述巡检机器人运动状态的本质矩阵进行奇异值分解而...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶培楚，李东，王晓东，曾宪贤，张志超，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44