本發(fā)明涉及用于電力安全領域的一種變電站巡視機器人自主識別方法和一種巡視機器人。

背景技術：

長期以來，變電站一直采用24小時有人值班的工作方式。隨著調度綜合自動化改造的實現(xiàn)，許多變電站已成為無人值守站，變電站配變電設備的調度管理全部集中到調度中心。原來由生產現(xiàn)場工作人員直接執(zhí)行的設備運行狀態(tài)監(jiān)控職能，通過變電站的遙測、遙信、遙調和遙控系統(tǒng)實現(xiàn)。然而，隨著電力事業(yè)的飛速發(fā)展，對變電站內設備的監(jiān)控己不僅僅滿足于“四遙”功能中所涉及的數(shù)字式和簡單圖像化的監(jiān)控。人們越來越迫切希望能夠通過視頻和圖像實現(xiàn)對變電站內設備的信息進行自主識別，以及實現(xiàn)無人值班環(huán)境下的安全防衛(wèi)。

目前，已有的巡檢機器人系統(tǒng)是對“四遙”的進一步補充和完善，它的視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠支持相關人員及時直觀了解變電站現(xiàn)場的情況，為控制中心操作人員提供變電站現(xiàn)場圖像，并對關鍵部位進行報警檢查。但是由于傳送回后臺監(jiān)控設備的視頻和圖片仍需要大量的人力進行識別和提取，增加了運行費用，并且存在盲點和人為失誤的可能性，且會受到網(wǎng)絡通信帶寬的限制，制約了遠程機器人巡檢平臺的推廣應用。為了解決當前變電巡視中的自主識別短板問題，保證變電站設備的安全可靠運行，更快地推進變電站無人值守的進程，實現(xiàn)智能移動機器人完成電站設備信息的自主提取與識別，是技術人員的主要目標。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種變電站巡視機器人自主識別方法和一種巡視機器人，它無需人工對巡視機器人拍攝的圖像進行提取和分析，能夠實現(xiàn)巡視機器人對于led數(shù)字顯示屏數(shù)字以及顯示燈顯色的自主識別。

實現(xiàn)上述目的的一種技術方案是：一種變電站巡視機器人自主識別方法，包括led顯示屏數(shù)字識別方法和顯示燈顏色識別方法；

所述led顯示屏數(shù)字識別方法包括如下步驟：

步驟a1，圖像、視頻信號采集步驟，通過變電站巡視機器人獲得led顯示屏圖像信號；

步驟a2，圖像預處理步驟，對圖像信號進行增強處理；

步驟a3，儀表區(qū)域定位與分隔步驟，對增強后的圖像信號內的儀表區(qū)域進行選??；

步驟a4，數(shù)字字符識別步驟，對選取的儀表區(qū)域內的數(shù)字進行識別；

步驟a5，數(shù)字識別結果輸出步驟，對已識別的數(shù)字進行信號輸出；

所述顯示燈顏色識別方法包括如下步驟：

步驟b1，圖形采集步驟，通過變電站巡視機器人獲得顯示燈圖形信號；

步驟b2，圖形預處理步驟，對圖形信號進行增強處理；

步驟b3，顯示燈定位步驟，在圖形中定位并標記目標顯示燈相應位置；

步驟b4，顏色識別步驟，對已定位的目標顯示燈進行顏色識別；

步驟b5，顯示燈顏色識別結果輸出步驟，對已識別顏色的顯示燈進行信號輸出。

進一步的，所述步驟a2，圖像預處理步驟，和所述步驟b2，圖形預處理步驟，采用中值濾波法對獲取到的圖像和圖形進行降噪處理。

進一步的，所述步驟a3，儀表區(qū)域定位與分隔步驟，先采用otsu算法對圖像進行二值化，將圖像劃分為前景和背景，再采用水平豎直方向投影法，確定led顯示屏數(shù)字具體位置。

進一步的，所述步驟a4，數(shù)字字符識別步驟，采用模板匹配法對數(shù)字進行識別。

進一步的，所述步驟b3，顯示燈定位步驟，需要事先對顯示燈進行特征設定，顯示燈的特征包括顯示燈底板灰度值、顯示燈形狀，并存入訓練集；然后對處理后的圖像進行搜索，采用邊緣跟蹤法圈定目標顯示燈。

進一步的，所述步驟b4，顏色識別步驟，先將圈定的目標顯示燈的顏色轉變成標準rgb，接下來從被保留的目標像素中偵測到顯示燈邊緣，最后通過霍夫變化的方式將一個顯示燈的形狀信號呈現(xiàn)以便輸出。

一種巡視機器人，其結構為自下而上依次連接的移動小車底座、抬升裝置、旋轉裝置、伸縮手臂和監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括高清攝像機。

進一步的，所述監(jiān)測裝置還包括紅外傳感器、局放檢測儀、溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器。

更進一步的，所述巡視機器人和變電站報警系統(tǒng)無線連接。

本發(fā)明的一種變電站巡視機器人自主識別方法和一種巡視機器人，通過巡視機器人對led顯示屏以及指示燈面板的拍攝，獲取led顯示屏及指示燈面板的圖形圖像分析，然后經過預處理、劃區(qū)、識別、輸出的步驟，使led顯示屏以及指示燈的信息得以數(shù)字化的呈現(xiàn)，使巡視機器人能夠對儀表所顯示的變電站的狀態(tài)進行識別，然后將識別后的結論輸出給工程技術人員，減少了人工對圖像進行識別的過程，避免了人工可能造成的盲區(qū)和誤判，提高了巡視效率節(jié)約了人工成本且提升了巡視的穩(wěn)定性和可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種變電站巡視機器人自主識別方法的led顯示屏數(shù)字識別方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的一種變電站巡視機器人自主識別方法的顯示燈顏色識別方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明的一種巡視機器人的結構示意圖。

具體實施方式

為了能更好地對本發(fā)明的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例并結合附圖進行詳細地說明：

本發(fā)明的一種變電站巡視機器人自主識別方法，包括led顯示屏數(shù)字識別方法和顯示燈顏色識別方法。

變電站的led現(xiàn)實屏通常采用七段式數(shù)顯儀表，其屏幕數(shù)字識別方法包括如下步驟：

步驟a1，圖像、視頻信號采集步驟。變電站巡視機器人接受控制中心的指令運動到變電站led顯示屏目標位置，然后通過其上搭載的攝像設備，獲得led顯示屏區(qū)域的圖像信號。

步驟a2，圖像預處理步驟，對圖像信號進行增強處理。七段式數(shù)顯儀表中數(shù)字識別技術中，由于采集信號的設備中的傳感器有噪聲；在傳輸過程中，信道傳輸產生的誤差；光源光照不均勻等因素，在圖像上產生了一些孤立的像素點，這些像素點就是圖像的噪聲。圖像預處理，采用中值濾波的方法，對圖像中的噪聲進行一定的抑制，為后面的儀表區(qū)域定位與分割和數(shù)字字符識別這兩部分打下好的基礎。中值濾波器是一種平滑濾波器。它是非線性的，對抑制隨機噪聲和孤立噪聲有著很好的效果。中值濾波器在圖像中找一個正方形的臨域，在這個臨域中把正方形中心像素點的像素值，用該正方形中所有像素值按大小排序后的中間值來代替，這種做法能夠有效地消除隨機噪聲和孤立噪聲。這種濾波器能夠很大程度上不破壞圖像的細節(jié)，并且對隨機噪聲和孤立噪聲有抑制效果。

步驟a3，儀表區(qū)域定位與分隔步驟，對增強后的圖像信號內的儀表區(qū)域進行選取。在七段式數(shù)顯儀表的數(shù)字識別中，在通過電腦或者移動設備攝像頭采集到的視頻或者圖像中，數(shù)顯儀表屬于這個問題的前景區(qū)域，除去數(shù)顯儀表之外的其它部分，屬于這個問題的背景區(qū)域。儀表區(qū)域的定位與分割的目的，就是把前景區(qū)域從背景區(qū)域中定位出來。本發(fā)明采用先先采用otsu算法對圖像進行二值化，將圖像劃分為前景和背景，再采用水平豎直方向投影法，確定led顯示屏數(shù)字具體位置，實現(xiàn)儀表區(qū)域的準確定位與分割。

otsu閾值分割算法是一種自適應確定閾值來對圖像進行二值化，分隔出圖像中前景和背景的算法。其中背景和前景之間類間方差的大小，表征前景與背景的差別大小。通過該算法計算出閾值來對圖像進行二值化處理，把圖像中的前景和背景分為兩部分后，這兩部分之間的類間方差相對其他的閾值分隔前景和背景計算出的類間方差為最大。

水平與豎直方向投影法的基本原理是計算出圖像中的水平投影和豎直投影，然后通過分析投影值的數(shù)值變化，來分析出含有七段式數(shù)顯儀表中的數(shù)字字符的位置。這種方法主要是針對二值圖像，可經過圖像預處理得到的，但對于背景相對復雜的情況，則需要用otsu算法算出閾值后進行二值化得到。對于得到的投影值來說，如果從小到大，在某一行上有一個突變，則說明這一行為儀表區(qū)域的開始；如果投影值是從大到小，在某一行上有一個突變，則說明這個位置為儀表區(qū)域的結束。同理，通過分析列的投影，能夠分割出不同字符的區(qū)域。

步驟a4，數(shù)字字符識別步驟，對選取的儀表區(qū)域內的數(shù)字進行識別。本發(fā)明采用模板匹配法對數(shù)字進行識別。在七段式數(shù)顯儀表的數(shù)字字符識別中，本發(fā)明中把模板設計為七段式的0到9這10個數(shù)字的二值化圖。設這10個二值化圖分別為m0,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8,m9,分別表示這10個模板所對應的二值化圖的矩陣。然后通過比較模板與步驟a3所劃定的不同字符顯示區(qū)域的二值化圖，使得區(qū)分度達到最小值的時的模板所對應的數(shù)字，即為這個待識別字符的識別結果。

步驟a5，數(shù)字識別結果輸出步驟，對已識別的數(shù)字進行信號輸出。該輸出結果可直接呈現(xiàn)在控制中心的工程技術人員的顯示窗口上。同時也可實施將巡視機器人拍攝的圖像作為參考比較呈現(xiàn)在另一個顯示窗口上，方便工程技術人員進行確認。

無法通過識別顯示燈顏色識別方法包括如下步驟：

步驟b1，圖形采集步驟，通過變電站巡視機器人獲得顯示燈圖形信號，變電站巡視機器人接受控制中心的指令運動到變電站指示燈面板的目標位置，然后通過其上搭載的攝像設備，獲得指示燈面板區(qū)域的圖像信號。

步驟b2，圖形預處理步驟，對圖形信號進行增強處理，此部分流程和步驟a2基本類似。

步驟b3，顯示燈定位步驟，在圖形中定位并標記目標顯示燈相應位置。1)事先對顯示燈進行特征設定，例如，特征一就是紅綠色顯示燈底板為黑色，其灰度值較低；特征二為紅綠色顯示燈外形固定為圓形。先收集顯示燈樣本進行特征標記后存入訓練集。2)對步驟b2預處理后的圖像進行搜索，用邊緣跟蹤的方法圈定目標物體，從而有效定位出顯示燈的位置并標記。

步驟b4，顏色識別步驟，對已定位的目標顯示燈進行顏色識別。首先將標記位置的顯示燈區(qū)域顏色標準rgb，然后識別顯示燈一種顏色的信號，接下來從被保留的像素中偵測到顯示燈邊緣。決定一個像素是否位于候選區(qū)域中可以通過其是否被包含進相應的r,g,b數(shù)量范圍內來判斷。對于處理過的顯示燈圖像，決定一種像素是否屬于一個候選區(qū)域，需要滿足以下條件：

r>200和g<150和b<150或

r>200和g>150和b<150或

r<150和g>240和b>220。

從圖像中提取出候選區(qū)域，然后使用soble過濾算法去偵測邊緣，考察圖像的每個像素在某個領域內灰度的變化，利用邊緣鄰近一階或二階導數(shù)的變化規(guī)律來檢測邊緣。最后通過霍夫變化的方式，形成三維空間參數(shù)，通過設立參數(shù)呈現(xiàn)顯示燈的位置和尺寸，并判別出顯示燈的具體顏色。

步驟b5，顯示燈顏色識別結果輸出步驟，對已識別顏色的顯示燈進行信號輸出，直接顯示在工程技術人員的顯示屏上。

由于在本發(fā)明的變電站巡視機器人自主識別方法中，需要對led顯示屏區(qū)域，和指示燈面板區(qū)域的圖象攝錄有特定的要求，因此需要專門設計的巡視機器人予以配合。其必須實現(xiàn)的技術指標為：能夠進行360度全角度旋轉全方向移動的攝錄。

本發(fā)明的一種巡視機器人，其結構為自下而上依次連接的移動小車底座1、抬升裝置2、旋轉裝置3、伸縮手臂4和監(jiān)測裝置5，監(jiān)測裝置5包括高清攝像機。移動小車1，是整個機具的載體，底部有四個支撐傳動軸，由電動機驅動。電動機同時還起到固定機器人本體，防止工作時本體橫向、縱向移動或抖動的作用。

抬升裝置2裝設在移動小車上層，由移動小車的抬升電動機驅動。它主要用于抬升機器人搭載的各類傳感器及攝像機等設備，以使得其獲得更好的信息采集效果。抬升裝置2的最大升降形成需要根據(jù)站內設備的高度及安全距離來確定，其抬升時的最大自鎖力需要根據(jù)其所搭載的設備的重量來確定。

旋轉裝置3在升降平臺的頂部，采用直流有刷電機、制動器驅動。直流電機開環(huán)控制方式可采用－組模擬量信號+方向信號+h橋直流有刷電機驅動器控制的方式，可實現(xiàn)開環(huán)調速。它主要用于旋轉上層機構，以使各類傳感器能運動到相應的角度，可以實現(xiàn)360度回轉，提高機器人靈活性。

伸縮手臂4安裝在旋轉平臺上方，可以采用滾珠絲桿和寬型直線導軌實現(xiàn)直線移動。同時需要加裝制動器，以保證伸縮手臂的穩(wěn)定移動。伸縮手臂4的最大伸縮行程同樣需要考慮與站內設備的安全間距。通過伸縮手臂4的伸縮，可以使紅外傳感器、局放檢測儀及攝像機等設備自由調節(jié)，為用戶提供更清晰、準確的現(xiàn)場信息。

監(jiān)測裝置5還包括紅外傳感器、局放檢測儀、溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器，能夠實時向控制中心回傳變電站環(huán)境的其他數(shù)據(jù)信息。巡視機器人和變電站報警系統(tǒng)無線連接，一旦在自主識別中發(fā)現(xiàn)需要預警的信息，可無需人工干預自動報警，極大的減小了人工巡視的壓力提升了變電站巡視系統(tǒng)的可靠性和響應速度。

本發(fā)明通過智能機器人結合圖像識別技術進行監(jiān)測變電站設備信息的一套系統(tǒng)方案，能夠大大提高變電站設備信息監(jiān)測的有效性，保證了變電站的高效穩(wěn)定，實現(xiàn)整個監(jiān)測過程的自動化，提升了檢測的工作效率和響應速度，減少了人工參，降低了人力人本，避免了人工的誤判漏判，提高了可靠性。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權利要求書范圍內。