变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法及装置，该方法获取变电站区域的标识，识别标识记录的变电站区域的编号，预加载与编号对应的变电站区域地图，接收双目相机采集的图像，检测图像是否属于当前变电站区域地图中的子地图的重叠区域并完成子地图的切换或者融合，根据图像和当前变电站区域地图，计算变电站巡检机器人当前所在区域的深度信息，根据深度信息以及当前变电站区域地图，控制变电站巡检机器人实现避障和轨迹规划功能，本发明专利技术通过在ORB‑SLAM的基础上加以改进，使之满足变电站巡检机器人系统运行对导航定位、避障和轨迹规划功能的需求，实现变电站巡检机器人的定位、避障和轨迹规划功能，具有实时、精确、高效等显著优点。

Method and device of navigation and map construction for inspection robot in Substation

【技术实现步骤摘要】
变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法及装置
本专利技术涉及定位移动终端应用
，尤其涉及一种变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法及装置。
技术介绍
变电站智能巡检机器人携带可见光CCD(ChargeCoupledDevice，电荷耦合器)摄像机、红外成像仪、高保真监控拾音器等采集设备，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。利用变电站智能巡检机器人辅助运行人员对设备进行巡视，可及时发现电力设备的热缺陷、异物悬挂等设备异常现象，规避设备运行隐患，真正做到提高工作效率和巡视质量，起到减员增效的作用，有效推进了变电站无人值守的进程。采用巡检机器人对变电站进行检查工作，能够有效释放劳动力，提高工作效率，实现智能化管理。利用场景中的图像信息，根据图像处理、投影几何学和机器视觉等技术，能够复现出相机在空间中的运动轨迹，同时构建出图像特征的三维空间位置，从而达到定位和构图的效果，称之为SLAM(SimultaneousLocalizationAndMapping，,同步定位与建图)技术。变电站巡检机器人要完成巡检作业，需要实时实现自身位置的精准定位，并能够根据送检目标地点、路况实时感知信息完成移动路径的动态实时规划，而SLAM技术在变电站巡检机器人巡检功能的实现方面起到重要的作用。然而，在实际的作业环境中，变电站内的情况往往较为复杂，现有的变电站巡检机器人导航定位与地图构建方案在导航的精确性和地图构建的高效性方面，仍有待进一步提高。因此，如何针对变电站巡检机器人的具实际作业环境，设计出一种能够满足变电站巡检机器人对自身位置的精准定位、避障和轨迹规划功能的需求的方案，是业内亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法及装置，以解决现有的变电站巡检机器人导航定位与地图构建方案在导航的精确性和地图构建的高效性方面，仍有待进一步提高的问题。第一方面，本专利技术提供一种变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法，所述方法包括：获取变电站区域的标识，其中，预先根据变电站的地理结构，将变电站巡检机器人的活动环境分为数个变电站区域，每个变电站区域预先构建有相应的变电站区域地图，所述变电站区域地图为3D深度点云地图，所述变电站区域地图采用子地图的集合表示，每个变电站区域的入口或出口处设置标识，所述标识记录有所述变电站区域的编号；识别所述标识记录的变电站区域的编号；预加载与所述编号对应的变电站区域地图；接收双目相机采集的图像，所述双目相机设置于所述变电站巡检机器人上；检测所述图像是否属于当前变电站区域地图中的子地图的重叠区域；如果所述图像属于所述重叠区域，比对所述图像与所述当前变电站区域地图中的子地图的相似度；判断比对出的所述相似度中是否存在大于预设的相似度阈值的相似度；如果所述相似度中存在大于预设的相似度阈值的相似度，将当前变电站区域地图中的子地图切换至其中相似度最高的子地图；如果所述相似度中不存在大于预设的相似度阈值的相似度，将所述当前变电站区域地图中的子地图融合到当前子地图中；根据所述图像和当前变电站区域地图，计算变电站巡检机器人当前所在区域的深度信息；根据所述深度信息以及当前变电站区域地图，控制变电站巡检机器人实现避障和轨迹规划功能。结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，识别所述标识记录的变电站区域的编号之后，所述方法还包括：如果预加载与所述编号对应的变电站区域地图失败，切换至自主探索模式，获取用于构成变电站区域地图的每个子地图的关键帧；在整个变电站区域的子地图探索完成后，根据所述关键帧的集合，创建新的变电站区域地图，所述新的变电站区域地图记为AREAi＝{areai-1，areai-2，areai-3，...}，其中，areai-1为所有构成所述变电站区域地图的子地图的关键帧的集合；加载所述新的变电站区域地图。结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，加载所述新的变电站区域地图之后，所述方法还包括：如果所述变电站巡检机器人在运行过程中进入未探索区域，以所述新的变电站区域地图中的当前子地图为主地图，建立分支地图以加入到所述新的变电站区域地图中，所述分支地图记为{areai-j-1，areai-j-2，...}，其中，i为变电站区域地图编号，j分别为变电站区域地图中的子地图编号。结合第一方面的第二种可实现方式，在第一方面的第三种可实现方式中，以所述新的变电站区域地图中的当前子地图为主地图，建立分支地图以加入到所述新的变电站区域地图中，包括：获得一组初始3D地图点和新的关键帧；将所述初始3D地图点和新的关键帧插入到所述子地图中。结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第四种可实现方式中，获取用于构成变电站区域地图的每个子地图的关键帧，包括：跟踪双目相机采集当前帧时的位姿；评估当前帧的跟踪质量是否满足预定的质量标准；如果所述当前帧的跟踪质量满足预定的质量标准，将所述当前帧作为插入到所述子地图中的备选关键帧；如果所述当前帧的跟踪质量未满足预定的质量标准，创建新的子地图。结合第一方面的第四种可实现方式，在第一方面的第五种可实现方式中，跟踪双目相机采集当前帧时的位姿，包括：双目相机旋转时，估计双目相机采集的图像平面中的2D变换信息；按照以下方式将所述2D变换信息转换为3D相机旋转矩阵：最初将转换设置为恒等式，然后通过公式更δx≈-2(J(e)+J(xc))+·(I(xc)-I(e))更新；其中，x表示图像平面中的变换，包括平移和旋转，雅可比J是图像强度相对于变换的导数，J(e)是常数，并且仅计算一次，J(e)引用了参考图像，代表当前图像一阶导数的雅可比J(xc)在每次迭代时都会更新，xc初始为单位阵，(·)+是伪逆，I(xc)和I(e)分别是当前图像和参考图像中的图像强度；通过最小化重投影误差来估计导致上述2D变换信息转换为3D相机旋转矩阵中的相机旋转其中，旋转由李代数中的3维矢量θ表示，通过最小化δθ的高斯-牛顿法解决此最小化问题。结合第一方面，在第一方面的第六种可实现方式中，根据所述深度信息以及当前变电站区域地图，控制变电站巡检机器人实现避障和轨迹规划功能，包括：检测双目相机是否已返回到所述变电站区域地图上已经存在的先前访问过的位置；如果双目相机是否已返回到所述变电站区域地图上已经存在的先前访问过的位置，使用闭环信息来补偿视觉跟踪中存在的累积误差。结合第一方面的第六种可实现方式，在第一方面的第七种可实现方式中，检测双目相机是否已返回到所述变电站区域地图上已经存在的先前访问过的位置，包括：通过词袋模型搜索当前帧的特征点；根据所述特征点，评价所述词袋模型内所有关键帧与所述当前帧的相似度；筛选出与所述当前帧的相似度最高的关键帧；通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法，其特征在于，所述方法包括：/n获取变电站区域的标识，其中，预先根据变电站的地理结构，将变电站巡检机器人的活动环境分为数个变电站区域，每个变电站区域预先构建有相应的变电站区域地图，所述变电站区域地图为3D深度点云地图，所述变电站区域地图采用子地图的集合表示，每个变电站区域的入口或出口处设置标识，所述标识记录有所述变电站区域的编号；/n识别所述标识记录的变电站区域的编号；/n预加载与所述编号对应的变电站区域地图；/n接收双目相机采集的图像，所述双目相机设置于所述变电站巡检机器人上；/n检测所述图像是否属于当前变电站区域地图中的子地图的重叠区域；/n如果所述图像属于所述重叠区域，比对所述图像与所述当前变电站区域地图中的子地图的相似度；/n判断比对出的所述相似度中是否存在大于预设的相似度阈值的相似度；/n如果所述相似度中存在大于预设的相似度阈值的相似度，将当前变电站区域地图中的子地图切换至其中相似度最高的子地图；/n如果所述相似度中不存在大于预设的相似度阈值的相似度，将所述当前变电站区域地图中的子地图融合到当前子地图中；/n根据所述图像和当前变电站区域地图，计算变电站巡检机器人当前所在区域的深度信息；/n根据所述深度信息以及当前变电站区域地图，控制变电站巡检机器人实现避障和轨迹规划功能。/n...

【技术特征摘要】
1.一种变电站巡检机器人导航定位与地图构建方法，其特征在于，所述方法包括：
获取变电站区域的标识，其中，预先根据变电站的地理结构，将变电站巡检机器人的活动环境分为数个变电站区域，每个变电站区域预先构建有相应的变电站区域地图，所述变电站区域地图为3D深度点云地图，所述变电站区域地图采用子地图的集合表示，每个变电站区域的入口或出口处设置标识，所述标识记录有所述变电站区域的编号；
识别所述标识记录的变电站区域的编号；
预加载与所述编号对应的变电站区域地图；
接收双目相机采集的图像，所述双目相机设置于所述变电站巡检机器人上；
检测所述图像是否属于当前变电站区域地图中的子地图的重叠区域；
如果所述图像属于所述重叠区域，比对所述图像与所述当前变电站区域地图中的子地图的相似度；
判断比对出的所述相似度中是否存在大于预设的相似度阈值的相似度；
如果所述相似度中存在大于预设的相似度阈值的相似度，将当前变电站区域地图中的子地图切换至其中相似度最高的子地图；
如果所述相似度中不存在大于预设的相似度阈值的相似度，将所述当前变电站区域地图中的子地图融合到当前子地图中；
根据所述图像和当前变电站区域地图，计算变电站巡检机器人当前所在区域的深度信息；
根据所述深度信息以及当前变电站区域地图，控制变电站巡检机器人实现避障和轨迹规划功能。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，识别所述标识记录的变电站区域的编号之后，所述方法还包括：
如果预加载与所述编号对应的变电站区域地图失败，切换至自主探索模式，获取用于构成变电站区域地图的每个子地图的关键帧；
在整个变电站区域的子地图探索完成后，根据所述关键帧的集合，创建新的变电站区域地图，所述新的变电站区域地图记为AREAi＝{areai-1，areai-2，areai-3，...}，其中，areai-1为所有构成所述变电站区域地图的子地图的关键帧的集合；
加载所述新的变电站区域地图。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，加载所述新的变电站区域地图之后，所述方法还包括：
如果所述变电站巡检机器人在运行过程中进入未探索区域，以所述新的变电站区域地图中的当前子地图为主地图，建立分支地图以加入到所述新的变电站区域地图中，所述分支地图记为{areai-j-1，areai-j-2，...}，其中，i为变电站区域地图编号，j分别为变电站区域地图中的子地图编号。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，以所述新的变电站区域地图中的当前子地图为主地图，建立分支地图以加入到所述新的变电站区域地图中，包括：
获得一组初始3D地图点和新的关键帧；
将所述初始3D地图点和新的关键帧插入到所述子地图中。


5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，获取用于构成变电站区域地图的每个子地图的关键帧，包括：
跟踪双目相机采集当前帧时的位姿；
评估当前帧的跟踪质量是否满足预定的质量标准；
如果所述当前帧的跟踪质量满足预定的质量标准，将所述当前帧作为插入到所述子地图中的备选关键帧；
如果所述当前帧的跟踪质量未满足预定的质量标准，创建新的子地图。


6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，跟踪双目相机采集当前帧时的位姿，包括：
双目相机旋转时，估计双目相机采集的图像平面中的2D变换信息；
按照以下方式将所述2D变换信息转换为3D相机旋转矩阵：
最初将转换设置为恒等式，然后通过公式更δx≈-2(J(e)+J(xc...

【专利技术属性】
技术研发人员：于虹，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53