一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人，属于隧道检测机器人领域。该机器人包括车体、全向车轮部件、传感器单元、控制单元以及红外检测单元；通过控制单元控制全向车轮部件带动车体，实现机器人的全向移动；通过传感器单元获取机器人的位置进行实时定位；通过红外检测单元远程获取隧道现场的红外和光学图像，实现检测员对隧道的远程监测。本发明专利技术可以有效地解决传统隧道渗水人工检测危险度高、工作环境差、工作任务重的问题，能够提高隧道渗水检测的安全性及准确性。

Omnidirectional mobile robot for tunnel seepage detection based on binocular vision

【技术实现步骤摘要】
一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人
本专利技术属于隧道检测机器人领域，更具体地，涉及一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人。
技术介绍
近几十年，随着经济、交通的快速发展，建设了大量的隧道，而随着时间的推移，需要检测和维修的隧道多且长。但目前，国内隧道检测与养护工作都由人工完成：一方面，检测工人的检测任务重、工作量大、效率低；另一方面，由于修建时间较长的隧道普遍存在照明不足、寒冷潮湿、灰尘较多等缺陷，甚至存在坍塌和瓦斯爆炸等事故的威胁，导致隧道检测危险度高、工作环境差。因此，亟需一种自动化的检测设备来替代传统的人工现场检测，以克服人工现场检测的不足及降低风险。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，通过在现场布置自动化的图像采集单元及传感单元，与后台进行远程对接，实现对隧道的自动化扫描、检测和记录，从而有利于远程对渗漏水位置进行识别和定位，克服人工现场检测的不足及风险。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，包括：车体、全向车轮部件、传感器单元、控制单元以及红外检测单元；车体由全向车轮部件支撑，传感器单元、控制单元设于车体内部，红外检测单元安装在车体上表面；其中，红外检测单元包括红外热像仪、光学摄像头和超声波测距模块；红外热像仪与光学摄像头组成双目视觉模块，用于分别获取隧道的红外图像和光学图像，超声波测距模块用于测量机器人与隧道墙壁的距离；传感器单元包括编码器和九轴加速度传感器；编码器通过联轴器与全向车轮部件的驱动电机相连接，用于实时将驱动电机的转动转换为距离信息并上传至控制单元，九轴加速度传感器用于实时记录机器人的姿态信息并上传至控制单元；控制单元用于将红外图像和光学图像传送至后台以供缺陷分析；根据超声波测距模块获得的机器人与隧道墙壁的距离控制全向车轮部件的运动，以避免与隧道墙壁发生碰撞；以及根据编码器上传的距离信息，结合机器人的姿态信息实时计算出机器人当前位置，实现机器人的实时定位。进一步地，车体包括车架、车身以及中间承重层；车身为包覆于车架外部的板材，车身的上表面设置安装孔，用于安装红外检测单元；中间承重层用于固定控制单元。进一步地，全向车轮部件包括行走轮、联轴器、驱动电机以及三角形支撑座；三角形支撑座安装于车体下部，驱动电机为步进电机；行走轮的轮轴通过联轴器与步进电机的输出轴相连接，步进电机固定在三角形支撑座的内侧。进一步地，所述行走轮为麦克纳姆轮。进一步地，控制单元包括单片机、WIFI模块以及电机驱动器；单片机与电机驱动器和WIFI模块相连接,用于通过WIFI模块与后台的上位机通讯并根据上位机的控制命令，控制电机驱动器发出驱动信号，以控制全向车轮部件带动车体完成机器人的全向运动，单片机还用于处理传感器单元的检测数据；WIFI模块用于接收后台上位机发送的指令并传输至单片机，向后台上位机发送单片机处理后的传感器数据；所述电机驱动器控制和驱动全向车轮部件中的各个驱动电机。进一步地，所述传感器单元还包括温湿度传感器，温湿度传感器布设在车体下方，与单片机相连；步进电机为双出轴步进电机，其一端通过一联轴器连接行走轮，另一端通过另一联轴器连接编码器，编码器的数据线与单片机相连接，九轴加速度传感器与单片机相连。进一步地，红外热像仪、光学摄像头与WIFI模块相连接,通过WIFI模块向后台上位机发送图像数据；所述超声波测距模块与单片机相连接。进一步地，编码器还将步进电机的转动转换为速度信息上传至单片机，由单片机、编码器和步进电机组成步进电机的速度闭环控制单元；四个行走轮各对应一个步进电机，单片机根据机器人编码器和九轴加速度传感器检测的运动状态实时调节每个步进电机的运动速度。进一步地，九轴加速度传感器包括磁力计、陀螺仪和加速度仪，通过互补滤波的方式，对磁力计、陀螺仪和加速度仪的检测信号进行数据融合，获得机器人稳定的偏航角并上传至单片机，单片机根据偏航角控制红外检测单元对着隧道的方向保持不变。进一步地，还包括人工智能分析模块，用于根据红外图像和光学图像进行缺陷分析，判断是否有渗漏水区域；所述人工智能分析模块由卷积神经网络按照如下方法离线训练得到：先使用传统图像处理方法和/或深度学习方法，对已知渗漏水缺陷的红外图像和光学图像组成的数据集进行扩充，然后使用扩充后的数据集训练卷积神经网络结构直至达到预期的准确率，得到人工智能分析模块。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术提供的一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人使检测工人通过远程控制的方式即可完成对隧道的检测，改善了工人的工作环境，降低了工作的危险性；本专利技术远程采集红外图像及光学图像并传输至后台，既可以由检测工人直接在后台实时查看和识别渗漏水缺陷及位置，也可以在后台采用人工智能的技术，通过图像处理的方法检测渗漏水的位置，适用广泛，能够大大提高隧道检测的效率和准确性；2、本专利技术的底盘采用麦克纳姆轮，可以完成前后运动，左右运动，绕自身轴旋转运动的三个基本运动及组合运动，大大提高了本机器人的灵活性，可以使机器人在狭窄的隧道中，如地下电缆隧道中移动，扩展了机器人的应用范围。附图说明图1为本专利技术优选实施例的整体结构示意图。图2为本专利技术优选实施例的车体结构简图，图中省略了前后左右四侧的车身板材，以便于观察车体内部结构。图3为本专利技术优选实施例的全向车轮部件的结构及布局示意图。图4为本专利技术优选实施例的红外检测单元的结构示意图。图5为本专利技术优选实施例的传感、控制、传输架构图。图6为本专利技术优选实施例的电机闭环控制示意图。图7为本专利技术优选实施例的生成对抗神经网络图。图8为本专利技术优选实施例的卷积神经网络结构图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-车体，2-全向车轮部件，3-红外检测单元，11-车架，12-车身，13-中间承重层，21-行走轮，22-联轴器，23-驱动电机(具体实施方式中为步进电机)，24-三角形支撑座，25-L型安装架，26-编码器，31-红外热像仪，32-超声波测距模块，33-光学摄像头。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术公开的一种基于双目视觉的隧道渗水检测全向移动机器人，如图1所示，包括车体1，车轮部件2，传感器，控制单元，红外检测单元3；所述车体1由车轮部件2支撑，车体1和车轮部件2共同构成能够在地面上全向移动的底盘；所述车体1内部设置有传感器，控制单元。所述红本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，包括：车体(1)、全向车轮部件(2)、传感器单元、控制单元以及红外检测单元(3)；/n车体(1)由全向车轮部件(2)支撑，传感器单元、控制单元设于车体(1)内部，红外检测单元安装在车体上表面；/n其中，红外检测单元包括红外热像仪、光学摄像头和超声波测距模块；红外热像仪与光学摄像头组成双目视觉模块，用于分别获取隧道的红外图像和光学图像，超声波测距模块用于测量机器人与隧道墙壁的距离；/n传感器单元包括编码器和九轴加速度传感器；编码器通过联轴器与全向车轮部件(2)的驱动电机相连接，用于实时将驱动电机的转动转换为距离信息并上传至控制单元，九轴加速度传感器用于实时记录机器人的姿态信息并上传至控制单元；/n控制单元用于将红外图像和光学图像传送至后台以供缺陷分析；根据超声波测距模块获得的机器人与隧道墙壁的距离控制全向车轮部件(2)的运动，以避免与隧道墙壁发生碰撞；以及根据编码器上传的距离信息，结合机器人的姿态信息实时计算出机器人当前位置，实现机器人的实时定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于，包括：车体(1)、全向车轮部件(2)、传感器单元、控制单元以及红外检测单元(3)；
车体(1)由全向车轮部件(2)支撑，传感器单元、控制单元设于车体(1)内部，红外检测单元安装在车体上表面；
其中，红外检测单元包括红外热像仪、光学摄像头和超声波测距模块；红外热像仪与光学摄像头组成双目视觉模块，用于分别获取隧道的红外图像和光学图像，超声波测距模块用于测量机器人与隧道墙壁的距离；
传感器单元包括编码器和九轴加速度传感器；编码器通过联轴器与全向车轮部件(2)的驱动电机相连接，用于实时将驱动电机的转动转换为距离信息并上传至控制单元，九轴加速度传感器用于实时记录机器人的姿态信息并上传至控制单元；
控制单元用于将红外图像和光学图像传送至后台以供缺陷分析；根据超声波测距模块获得的机器人与隧道墙壁的距离控制全向车轮部件(2)的运动，以避免与隧道墙壁发生碰撞；以及根据编码器上传的距离信息，结合机器人的姿态信息实时计算出机器人当前位置，实现机器人的实时定位。


2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,车体(1)包括车架(11)、车身(12)以及中间承重层(13)；车身(12)为包覆于车架(11)外部的板材，车身(12)的上表面设置安装孔，用于安装红外检测单元(3)；中间承重层(13)用于固定控制单元。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,全向车轮部件(2)包括行走轮(21)、联轴器(22)、驱动电机(23)以及三角形支撑座(24)；三角形支撑座(24)安装于车体(1)下部，驱动电机(23)为步进电机；行走轮(21)的轮轴通过联轴器(22)与步进电机的输出轴相连接，步进电机固定在三角形支撑座(24)的内侧。


4.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,所述行走轮(21)为麦克纳姆轮。


5.根据权利要求3所述的一种基于双目视觉的隧道检测全向移动机器人，其特征在于,控制单元包括单片机、WIFI模块以及电机驱动器；单片机与电机驱动器和WIFI模块相连接,用于通过WIFI模块与后台的上位机通讯并根...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱福龙，卢子淋，曾鹏军，胡剑雄，刘肖剑，徐伊昕，陈前，王淼操，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42