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基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法與流程

文檔序號(hào):11863889閱讀:531來源:國知局
基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法與流程

本發(fā)明涉及變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法。



背景技術(shù):

變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人是基于自主導(dǎo)航、精確定位、自動(dòng)充電的室外全天候移動(dòng)平臺(tái),集成可見光、紅外、聲音等傳感器;基于磁軌跡和路面特殊布置的RFID標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,將被檢測設(shè)備的視頻、聲音和紅外測溫?cái)?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控室;巡檢后臺(tái)系統(tǒng)通過對(duì)待檢設(shè)備的圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù),結(jié)合設(shè)備圖像紅外專家?guī)?,?shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備熱缺陷、分合狀態(tài)、外觀異常的判別,以及儀表讀數(shù)、油位計(jì)位置的識(shí)別;并配合智能變電站順控操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)校核[魯守銀,錢慶林,張斌,等。變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J]。電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(13):94–98]。由此可見,機(jī)器人可見光及紅外圖像采集的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)巡檢任務(wù)的結(jié)果。但是在實(shí)際的機(jī)器人巡檢過程中,有很多的因素制約著設(shè)備圖像的采集工作。

在變電站日常的機(jī)器人巡檢任務(wù)中,實(shí)時(shí)采集的待檢測設(shè)備的圖像經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生視野的偏移,甚至需要識(shí)別的設(shè)備區(qū)域會(huì)部分或全部偏離出圖像,這樣將導(dǎo)致機(jī)器人無法正常的進(jìn)行電力設(shè)備工作狀態(tài)的識(shí)別,造成電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的隱患。這種機(jī)器人采集圖像相較設(shè)備模板圖像采集時(shí)產(chǎn)生的偏離誤差,主要由以下幾個(gè)方面造成:

(1)設(shè)備模板圖像是由后臺(tái)操作員人工控制機(jī)器人云臺(tái)及相機(jī)進(jìn)行拍攝采集,一般情況下需要觀察的設(shè)備區(qū)域位于圖像的中央部分,依此保存云臺(tái)角度與相機(jī)焦距等相關(guān)的參數(shù),而機(jī)器人在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)無操作人員對(duì)其進(jìn)行干涉,機(jī)器人行進(jìn)至每一設(shè)備觀測預(yù)置位后,調(diào)用該設(shè)備模板圖像的拍攝參數(shù),進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制及相機(jī)拉焦,自主采集實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)圖像,缺乏設(shè)備區(qū)域是否偏出圖像視野范圍的驗(yàn)證。

(2)機(jī)器人在變電站中行駛的路面基本由瀝青或水泥鋪設(shè),看似平整,但是對(duì)于機(jī)器人直徑只有25厘米的驅(qū)動(dòng)輪來說難免會(huì)有一定的顛簸,這就導(dǎo)致了巡檢過程中一路走來在預(yù)置位停車時(shí)機(jī)器人的航向角相對(duì)于模板圖像采集時(shí)會(huì)有差別,這樣的差別便導(dǎo)致了即使機(jī)器人準(zhǔn)確的控制了云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度,也不能避免采集圖像中設(shè)備區(qū)域的偏離。

(3)在一個(gè)普通的500kv規(guī)模的變電站中,機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)需要觀測的設(shè)備多達(dá)上千個(gè),機(jī)器人云臺(tái)載重約5kg,日均轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)數(shù)以萬計(jì),做工精密的機(jī)械設(shè)備在這樣的工作負(fù)荷下難免出現(xiàn)磨損,而在相同的角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù)下由于云臺(tái)的磨損,圖像偏離誤差日趨增大。

(4)當(dāng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制的不再像初始時(shí)那樣精確,需要對(duì)云臺(tái)進(jìn)行復(fù)位校正、調(diào)整云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù),甚至當(dāng)云臺(tái)出現(xiàn)故障后需要進(jìn)行云臺(tái)更換,這些云臺(tái)設(shè)備的維護(hù)措施導(dǎo)致了轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù)的更改,需要進(jìn)行模板圖像的重新采集以及云臺(tái)參數(shù)的重設(shè),耗時(shí)費(fèi)力,但如果不采取措施,會(huì)產(chǎn)生更大的巡檢采集圖像的偏離。

(5)當(dāng)機(jī)器人遠(yuǎn)距離采集如儀表此類的設(shè)備時(shí),需要拉近焦距觀察儀表指針指向等細(xì)節(jié),機(jī)器人配置的高清攝像機(jī)可以拉焦放大30倍,這時(shí)機(jī)器人姿態(tài)或云臺(tái)控制中任何細(xì)微的差別都可能造成設(shè)備區(qū)域的偏出。

(6)當(dāng)云臺(tái)在進(jìn)行小角度運(yùn)動(dòng)時(shí),由于運(yùn)動(dòng)距離較短,電機(jī)可能無法到達(dá)設(shè)定的速度,從而由于速度較低無法靠慣性運(yùn)動(dòng)到位,造成系統(tǒng)誤差,這也可以導(dǎo)致采集的圖像產(chǎn)生偏離。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題,提出了一種基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法,該方法實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人根據(jù)圖像信息的對(duì)比進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度校正的控制方法,有效的解決了機(jī)器人在巡檢過程中采集圖像相較設(shè)備模板圖像產(chǎn)生的偏離誤差問題,提高了巡檢的效率與質(zhì)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:

一種基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法,包括以下步驟:

步驟1,將變電站巡檢機(jī)器人拍攝的變電站每一個(gè)預(yù)置位的設(shè)備圖像都保存到模板庫中,模板庫中設(shè)備圖像和變電站的設(shè)備位置一一對(duì)應(yīng);

步驟2,機(jī)器人接到巡檢任務(wù)后,按照巡檢路線中的設(shè)備順序依次在預(yù)置位??浚勒赵撛O(shè)備模板圖像的采集方式,調(diào)用云臺(tái)角度及相機(jī)焦距參數(shù);

步驟3,在預(yù)置位采集設(shè)備圖像,拍攝可見光圖像或紅外圖像,上傳至后臺(tái)服務(wù);

步驟4,后臺(tái)服務(wù)中心調(diào)用模板庫中的設(shè)備圖像,采用SIFT算法對(duì)實(shí)時(shí)巡檢圖像與模板圖像進(jìn)行匹配,配準(zhǔn)兩幅圖像共同的特征點(diǎn);

步驟5,計(jì)算上述配準(zhǔn)的每一對(duì)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素位移偏差,統(tǒng)計(jì)所有特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素位移偏差的均值,得到采集圖像中設(shè)備區(qū)域的位置信息;

步驟6,驗(yàn)證采集圖像中是否包含完整的待檢測設(shè)備區(qū)域,如果包含完整的待檢測設(shè)備區(qū)域,則根據(jù)設(shè)備模板參數(shù)判斷是否需要拉大焦距進(jìn)行“二次伺服”;如需要拉焦,則保持云臺(tái)位置,僅調(diào)整焦距后執(zhí)行步驟3,否則執(zhí)行步驟8;

如果待檢測設(shè)備區(qū)域偏出圖像,則根據(jù)像距與焦距的正切比例,計(jì)算圖像像素偏移量表示的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏移量,并將角度偏移量換算為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù),調(diào)用云臺(tái)偏移轉(zhuǎn)動(dòng)控制補(bǔ)償此前圖像采集角度的誤差;執(zhí)行步驟7;

步驟7,步驟3至步驟6完成了一次完整的“視覺伺服”控制云臺(tái)補(bǔ)償,進(jìn)行“視覺伺服”次數(shù)的計(jì)數(shù);

如果計(jì)數(shù)達(dá)到了某一預(yù)設(shè)值時(shí),機(jī)器人仍未能采集到完整的待檢設(shè)備圖像,則表示在此預(yù)置位采集圖像的工作失敗,則按照步驟2巡檢的順序,機(jī)器人行駛至下一預(yù)置位;

如未達(dá)到,則執(zhí)行步驟3;

步驟8,將巡檢機(jī)器人在預(yù)置位最后一次采集的設(shè)備圖像進(jìn)行模式識(shí)別處理,輸出該設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài);按照步驟2的巡檢順序,機(jī)器人行駛至下一預(yù)置位。

所述步驟1的具體方法為:

控制機(jī)器人行駛至每一個(gè)設(shè)備的巡檢預(yù)置位,設(shè)置云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度及攝像機(jī)焦距參數(shù)信息,將待檢測設(shè)備區(qū)域以適當(dāng)?shù)拇笮★@示在圖像的中央后,拍攝為該設(shè)備的模板圖像,并在圖像中標(biāo)定設(shè)備區(qū)域,將所述圖像與參數(shù)保存至模板圖像數(shù)據(jù)庫;

如果是需要拉大焦距進(jìn)行觀測的設(shè)備,則首先配置標(biāo)準(zhǔn)焦距的一次視覺伺服模板圖像,再將攝像機(jī)焦距拉近,配置模式識(shí)別所需的細(xì)節(jié)可見的二次伺服模板圖像。

所述步驟4中,采用SIFT算法對(duì)實(shí)時(shí)巡檢圖像與模板圖像進(jìn)行匹配的方法為:

(1)利用一組連續(xù)的高斯卷積核與原圖像進(jìn)行卷積生成尺度空間的圖像,將相鄰尺度的圖像相減,搜索局部極值點(diǎn),通過尺度空間極值的檢測確定關(guān)鍵點(diǎn)位置與尺度;

(2)利用關(guān)鍵點(diǎn)鄰域像素的梯度方向分布特性為每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)指定方向參數(shù),使關(guān)鍵點(diǎn)具備旋轉(zhuǎn)不變性;

(3)以關(guān)鍵點(diǎn)為中心,計(jì)算鄰域梯度直方圖,繪制每個(gè)梯度方向的累加值,對(duì)于一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)形成SIFT特征向量;

(4)計(jì)算兩幅圖像的特征點(diǎn)的匹配關(guān)系:生成圖像的SIFT特征向量后,采用兩幅圖像中關(guān)鍵點(diǎn)特征向量的歐氏距離作為相似性判定度量,取源圖像中的某個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),并找出其與待匹配圖像中歐氏距離最近的前兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),在這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中,如果與待匹配圖像中歐氏距離最近的距離除以與待匹配圖像中歐氏距離次近的距離小于某個(gè)設(shè)定的比例閾值,則接受這一對(duì)匹配的特征點(diǎn);

(5)得到兩幅圖像特征點(diǎn)的匹配關(guān)系后,兩幅圖像存在這樣的一個(gè)變換過程:

[x',y',1]T,[x,y,1]T分別為某組特征匹配點(diǎn)在源圖像和待匹配圖像上的像點(diǎn)坐標(biāo);計(jì)算投影變換矩陣H,根據(jù)模板圖像中的設(shè)備位置,實(shí)現(xiàn)待檢測圖像中的設(shè)備的準(zhǔn)確定位。

所述步驟5中,計(jì)算配準(zhǔn)的每一對(duì)特征點(diǎn)對(duì)的像素位移偏差的方法為:

其中,offset(pix)為像素位移偏差,H代表水平方向,V代表垂直方向,Ctemp為特征點(diǎn)在模板圖像中的位置;Ccap為特征點(diǎn)在采集圖像中的位置。

所述步驟5中,使用模板圖像中標(biāo)定設(shè)備區(qū)域位置信息,減去圖像配準(zhǔn)所得的相同特征點(diǎn)在采集圖像中的偏移像素offset(pix),則得到采集圖像中設(shè)備區(qū)域的位置信息。

所述步驟6中,如果待檢測設(shè)備區(qū)域偏出圖像,則根據(jù)像距與焦距的正切比例,計(jì)算圖像像素偏移量表示的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏移量的具體方法為:

其中,

offset(Ang)為模板圖像與采集圖像的偏轉(zhuǎn)角度,offset為像素偏移量在成像設(shè)備上的物理偏移量,H代表水平方向,V代表垂直方向,solution為每一個(gè)像素在成像設(shè)備上所占的實(shí)際距離,f為攝像機(jī)的圖像拍攝焦距。

所述步驟6中,將角度偏移量換算為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù)的方法為:

采集圖像對(duì)應(yīng)模板圖像的偏移量進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí),對(duì)應(yīng)的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)計(jì)算如下:

其中,ptzCtrlOffset為云臺(tái)控制補(bǔ)償參數(shù),ptzSolution為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)單位角度的控制采樣值,H代表水平方向,V代表垂直方向,offset(Ang)為模板圖像與采集圖像的偏轉(zhuǎn)角度。

所述步驟6中,調(diào)用云臺(tái)偏移轉(zhuǎn)動(dòng)控制補(bǔ)償此前角度誤差的方法為:

云臺(tái)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置為云臺(tái)當(dāng)前坐標(biāo)加云臺(tái)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,如下式:

其中,ptz為云臺(tái)角度轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償后的控制參數(shù)值、ptzCur為云臺(tái)當(dāng)前位置參數(shù)值、ptzCtrlOffset為云臺(tái)控制補(bǔ)償?shù)膮?shù)值,圖像的偏移量為采集圖像相對(duì)于模板圖像的偏移;(-V)是由于當(dāng)云臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)過度時(shí),采集圖像中的特征點(diǎn)位置相對(duì)于模板圖像的偏下,圖像偏移量為“+”,補(bǔ)償值應(yīng)為“—”;水平(H)方向的補(bǔ)償則與補(bǔ)償量的符號(hào)一致。

所述步驟8中,將巡檢機(jī)器人在預(yù)置位最后一次采集的設(shè)備圖像進(jìn)行模式識(shí)別處理的方法為:

通過采集圖像與設(shè)備模板圖像進(jìn)行過的特征點(diǎn)配準(zhǔn),確定實(shí)時(shí)采集圖像中設(shè)備區(qū)域的坐標(biāo)位置,在采集圖像中裁剪出待識(shí)別的設(shè)備區(qū)域子圖像;根據(jù)設(shè)備模板庫中對(duì)應(yīng)該預(yù)置位的設(shè)備類型,調(diào)用相應(yīng)的圖像處理及模式識(shí)別算法,對(duì)設(shè)備區(qū)域子圖進(jìn)行設(shè)備工作狀態(tài)的識(shí)別。

本發(fā)明的有益效果是:

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試及機(jī)器人在變電站現(xiàn)場運(yùn)行的工作記錄檢驗(yàn),本發(fā)明“基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法”大幅度提高了變電站巡檢機(jī)器人采集設(shè)備圖像的準(zhǔn)確度,經(jīng)一次或二次伺服后的采集圖像準(zhǔn)確率可以在99%以上,并且使機(jī)器人能夠遠(yuǎn)距離大焦距下觀測電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)細(xì)節(jié),實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人對(duì)變電站設(shè)備全覆蓋進(jìn)行觀測的目標(biāo)。

本發(fā)明標(biāo)志著巡檢機(jī)器人能夠通過實(shí)時(shí)拍攝的可見光或紅外圖像自主進(jìn)行云臺(tái)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人“頭”、“頸”部位的自動(dòng)控制,使機(jī)器人解放了后臺(tái)操作人員,節(jié)省了人工勞動(dòng)資源。機(jī)器人可攜帶可見光及紅外攝像機(jī)進(jìn)行視覺伺服,在本發(fā)明實(shí)施之后實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在變電站24小時(shí)全天候的電力設(shè)備巡檢任務(wù),保障變電站設(shè)備安全運(yùn)行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于視覺伺服的機(jī)器人云臺(tái)控制方法流程圖;

圖2為通過攝像機(jī)像距與焦距的正切比例計(jì)算圖像的角度偏差示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步限定。

一種基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法,首先,配置巡檢機(jī)器人的工作包括需要將機(jī)器人拍攝的變電站每一個(gè)預(yù)置位的設(shè)備圖像都保存到模板庫中,待檢測的設(shè)備區(qū)域以合適的大小呈現(xiàn)于圖像的中央,由人工在模板圖像中標(biāo)定需要檢測的設(shè)備區(qū)域,模板庫中設(shè)備圖像和變電站的設(shè)備位置是一一對(duì)應(yīng)的。在向機(jī)器人下達(dá)巡檢任務(wù)時(shí),要將在每個(gè)預(yù)置停車位拍攝模板圖像的各項(xiàng)參數(shù)(如,云臺(tái)角度,相機(jī)焦距等)明確的指出,在巡檢機(jī)器人行進(jìn)至此預(yù)置停車位后,依照該設(shè)備模板圖像的采集方式進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整,拍攝實(shí)時(shí)的設(shè)備可見光圖像或紅外圖像并將圖像回傳至上層模式識(shí)別服務(wù)器。服務(wù)器從設(shè)備的模板庫中調(diào)取指定的模板圖像,然后采用SIFT(Scale-invariant feature transform,尺度不變特征轉(zhuǎn)換)算法匹配實(shí)時(shí)巡檢圖像與模板圖像,查找兩幅圖像共同的特征點(diǎn),計(jì)算模板圖像與采集圖像篩選后的每一個(gè)特征點(diǎn)對(duì)的像素位移偏差,統(tǒng)計(jì)均值,驗(yàn)證采集圖像中是否包含完整的待檢測設(shè)備區(qū)域。如果設(shè)備區(qū)域完整,則此采集圖像可直接用于設(shè)備狀態(tài)識(shí)別,否則,如果設(shè)備區(qū)域偏出圖像,根據(jù)像距與焦距的正切比例,計(jì)算圖像像素偏移量表示的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏移量,并將角度偏移量換算為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù),調(diào)用云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償此前角度的誤差,這一過程稱作云臺(tái)的“視覺伺服”。由于云臺(tái)自身小角度運(yùn)動(dòng)控制精度原因,云臺(tái)需要進(jìn)行小角度(水平或垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)小于2度)微調(diào),云臺(tái)首先逆向轉(zhuǎn)動(dòng)到一定大的角度,然后再順向運(yùn)動(dòng)相同角度值加誤差角度值的和,此方式多用于“二次伺服”,通過驗(yàn)證,可以解決小角度微調(diào)不精確的缺陷。如果,機(jī)器人需要遠(yuǎn)距離(距目標(biāo)15米以上)觀測諸如儀表此類設(shè)備的細(xì)節(jié)時(shí),要將相機(jī)焦距拉近提高放大倍率(如25倍以上焦距),此時(shí)相機(jī)的視野過窄,采集的圖像容易產(chǎn)生較大的偏離誤差,導(dǎo)致與模板圖像配準(zhǔn)時(shí)由于相同的圖像信息少而導(dǎo)致失敗,從而無法計(jì)算圖像偏移量進(jìn)行云臺(tái)校正控制,在此類情形下需要啟用“大焦距伺服”策略,即在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行預(yù)置位模板圖像配置時(shí),分別采集低倍率焦距圖像與高倍率焦距圖像,當(dāng)機(jī)器人對(duì)該預(yù)置位進(jìn)行巡檢任務(wù)時(shí),首先調(diào)用低倍率模板圖像拍攝參數(shù)進(jìn)行圖像采集與云臺(tái)校正控制,完成一次視覺伺服之后,保持云臺(tái)角度不變僅調(diào)用高倍率模板圖像拍攝的焦距參數(shù),采集圖像與模板匹配后執(zhí)行“二次伺服”,對(duì)云臺(tái)角度進(jìn)行微調(diào)。在夜間或能見度不佳的天氣條件下執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí),機(jī)器人可以使用攜帶的紅外熱像儀采集設(shè)備熱能圖像,計(jì)算紅外圖像的像素偏差計(jì)算云臺(tái)誤差完成角度補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可以在24小時(shí)全天候下準(zhǔn)確采集電力設(shè)備的可見光圖像與紅外熱圖像。至此,在任一預(yù)置位執(zhí)行相應(yīng)的“視覺伺服”后,機(jī)器人攝像機(jī)中呈現(xiàn)的畫面與模板圖像的誤差已經(jīng)很微小,不必再做調(diào)整,采集實(shí)時(shí)的設(shè)備巡檢圖像與模板圖像匹配進(jìn)行設(shè)備區(qū)域標(biāo)定及設(shè)備工作狀態(tài)識(shí)別。

圖1所示,本發(fā)明“基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法”的流程圖:

基于視覺伺服的機(jī)器人云臺(tái)控制方法分為以下具體步驟:

步驟1,配置巡檢機(jī)器人,由后臺(tái)操作員控制機(jī)器人行駛至每一個(gè)設(shè)備的巡檢預(yù)置位,設(shè)置合適的云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度及攝像機(jī)焦距等信息,將待檢測設(shè)備區(qū)域以適當(dāng)?shù)拇笮★@示在圖像的中央后,拍攝為該設(shè)備的模板圖像,并在圖像中標(biāo)定設(shè)備區(qū)域,圖像與參數(shù)保存至模板圖像數(shù)據(jù)庫。如果是需要拉大焦距進(jìn)行觀測的設(shè)備,則首先配置標(biāo)準(zhǔn)焦距(預(yù)設(shè)值)的一次視覺伺服模板圖像,再將攝像機(jī)焦距拉近,配置模式識(shí)別所需的細(xì)節(jié)可見的二次伺服模板圖像。

步驟2,機(jī)器人接到巡檢任務(wù)后,按照巡檢路線中的設(shè)備順序依次在預(yù)置位???,依照該設(shè)備模板圖像的采集方式,調(diào)用云臺(tái)角度及相機(jī)焦距等參數(shù),。

步驟3,采集設(shè)備圖像,拍攝可見光圖像或紅外圖像,上傳至后臺(tái)服務(wù)。

步驟4,調(diào)用該設(shè)備的模板圖像,采用SIFT(Scale-invariant feature transform)算法匹配實(shí)時(shí)巡檢圖像與模板圖像,配準(zhǔn)兩幅圖像共同的特征點(diǎn)。

步驟5,計(jì)算上述配準(zhǔn)的每一對(duì)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素位移偏差,統(tǒng)計(jì)所有特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素位移偏差的均值,使用模板圖像中標(biāo)定設(shè)備區(qū)域位置信息,減去圖像配準(zhǔn)所得的相同特征點(diǎn)在采集圖像中的偏移像素offset(pix),得到采集圖像中設(shè)備區(qū)域的位置信息。

步驟6,驗(yàn)證采集圖像中是否包含完整的待檢測設(shè)備區(qū)域。

步驟7,如步驟6的驗(yàn)證結(jié)果是設(shè)備區(qū)域未偏出圖像,則根據(jù)設(shè)備模板參數(shù)判斷是否需要拉大焦距進(jìn)行“二次伺服”。如需要拉焦,則保持云臺(tái)位置,僅調(diào)整焦距后執(zhí)行步驟3;如不需要拉焦,則執(zhí)行步驟13,進(jìn)行設(shè)備工作狀態(tài)識(shí)別。

步驟8,如步驟6的驗(yàn)證結(jié)果是設(shè)備區(qū)域偏出圖像,根據(jù)像距與焦距的正切比例,計(jì)算圖像像素偏移量表示的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏移量,并將角度偏移量換算為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制參數(shù),調(diào)用云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償此前角度的誤差。

步驟9,判斷步驟8計(jì)算的角度誤差是否為“小角度”,即角度值小于設(shè)定閾值。

步驟10,如步驟9的結(jié)果為“小角度”,則云臺(tái)采用“小角度”補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)控制策略,云臺(tái)首先逆向轉(zhuǎn)動(dòng)到一定大的角度(控制策略預(yù)設(shè)值),然后再順向運(yùn)動(dòng)相同角度值加誤差角度值的和,以此來克服由于運(yùn)動(dòng)距離較短,云臺(tái)電機(jī)可能無法到達(dá)設(shè)定的速度,從而由于速度較低無法靠慣性運(yùn)動(dòng)到位造成的誤差。然后,執(zhí)行步驟12。

步驟11,如步驟9的結(jié)果不是“小角度”,則云臺(tái)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)正常按照誤差方向。

步驟12,由步驟3至步驟11則完整的完成了一次“視覺伺服”控制云臺(tái)補(bǔ)償,在這一步驟中進(jìn)行“視覺伺服”次數(shù)的計(jì)數(shù)。如次數(shù)達(dá)到了某一預(yù)設(shè)值,則表示在此預(yù)置位采集圖像的工作失敗,按照步驟2的順序,機(jī)器人行駛至下一預(yù)置位;如未達(dá)到,則執(zhí)行步驟3。

步驟13,對(duì)機(jī)器人在該預(yù)置位最后一次采集的設(shè)備圖像進(jìn)行模式識(shí)別處理,輸出該設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。按照步驟2的順序,機(jī)器人行駛至下一預(yù)置位。

對(duì)設(shè)備圖像進(jìn)行模式識(shí)別的方法為:

(1)通過采集圖像與設(shè)備模板圖像進(jìn)行過的特征點(diǎn)配準(zhǔn),確定實(shí)時(shí)采集圖像中設(shè)備區(qū)域的坐標(biāo)位置,在采集圖像中裁剪出待識(shí)別的設(shè)備區(qū)域子圖像;

(2)根據(jù)設(shè)備模板庫中對(duì)應(yīng)該預(yù)置位的設(shè)備類型,如,儀表,刀閘,開關(guān)等,調(diào)用相應(yīng)的圖像處理及模式識(shí)別算法,對(duì)設(shè)備區(qū)域子圖進(jìn)行設(shè)備工作狀態(tài)的識(shí)別。其設(shè)備識(shí)別的算法例如參考論文,[房樺,明志強(qiáng)等,一種適用于變電站巡檢機(jī)器人的儀表識(shí)別算法[J],《自動(dòng)化與儀表》2013年第5期]。

其中,步驟4中的圖像SIFT配準(zhǔn)算法如下所述:

(1)利用一組連續(xù)的高斯卷積核與原圖像進(jìn)行卷積生成尺度空間的圖像,將相鄰尺度的圖像相減,搜索局部極值點(diǎn),通過尺度空間極值的檢測確定關(guān)鍵點(diǎn)位置與尺度;

(2)利用關(guān)鍵點(diǎn)鄰域像素的梯度方向分布特性為每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)指定方向參數(shù),使關(guān)鍵點(diǎn)具備旋轉(zhuǎn)不變性;

(3)以關(guān)鍵點(diǎn)為中心,計(jì)算鄰域梯度直方圖,繪制每個(gè)梯度方向的累加值,對(duì)于一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)形成SIFT特征向量;

(4)計(jì)算兩幅圖像的特征點(diǎn)的匹配關(guān)系:生成圖像的SIFT特征向量后,采用兩幅圖像中關(guān)鍵點(diǎn)特征向量的歐氏距離作為相似性判定度量,取源圖像中的某個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),并找出其與待匹配圖像中歐氏距離最近的前兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),在這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)中,如果最近的距離除以次近的距離小于某個(gè)比例閾值,則接受這一對(duì)匹配的特征點(diǎn);

(5)得到兩幅圖像特征點(diǎn)的匹配關(guān)系后,兩幅圖像存在這樣的一個(gè)變換過程:

[x',y',1]T,[x,y,1]T分別為某組特征匹配點(diǎn)在源圖像和待匹配圖像上的像點(diǎn)坐標(biāo)。計(jì)算投影變換矩陣H,根據(jù)模板圖像中的設(shè)備位置,實(shí)現(xiàn)待檢測圖像中的設(shè)備的準(zhǔn)確定位。

其中,步驟5中的模板圖像與采集圖像特征點(diǎn)的像素位移偏差計(jì)算公式為:

計(jì)算模板圖像與采集圖像篩選后的每一個(gè)特征點(diǎn)對(duì)的像素位移偏差,統(tǒng)計(jì)均值。

offset(pix):像素偏移量,水平(H)與垂直(V)方向;Ctemp:特征點(diǎn)在模板圖像中的位置;Ccap:特征點(diǎn)在采集圖像中的位置。

其中,步驟8中的圖像像素偏差轉(zhuǎn)換為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償角度值的計(jì)算方法如下所述:

(1)云臺(tái)偏移角度計(jì)算

根據(jù)像距與焦距的正切比例,計(jì)算圖像像素偏移量表示的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏移量,如圖2所示:

Offset為圖像像素偏移量在(CCD或IR)攝像機(jī)成像設(shè)備上投影的物理偏移距離,使用以下公式計(jì)算獲得:

offset:像素偏移量在成像設(shè)備上的物理偏移量,水平(H)與垂直(V)方向;

solution:每一個(gè)像素在成像設(shè)備上所占的實(shí)際距離。

在圖2中,由于目標(biāo)位置T點(diǎn)相對(duì)于鏡頭的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于鏡頭焦距的距離,所以T點(diǎn)在模板圖像中的與在采集圖像中對(duì)應(yīng)的T’點(diǎn)可以近似為位置平移,t點(diǎn)與t’點(diǎn)分別是T與T’點(diǎn)在成像設(shè)備上的投影,t’相對(duì)于t的位移即代表公式(1)計(jì)算的模板圖像與采集圖像的像素偏移量,則T’點(diǎn)相對(duì)于T點(diǎn)產(chǎn)生的鏡頭旋轉(zhuǎn)角度為:

offset(Ang):模板圖像與采集圖像的偏轉(zhuǎn)角度,水平(H)與垂直(V)方向。

f為攝像機(jī)的圖像拍攝焦距。

(2)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制量換算

采集圖像對(duì)應(yīng)模板圖像的偏移量以云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí),對(duì)應(yīng)的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制補(bǔ)償值計(jì)算如下:

ptzCtrlOffset為云臺(tái)控制補(bǔ)償,ptzSolution為云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)單位角度的控制采樣值,均為水平(H)與垂直(V)方向。

(3)云臺(tái)偏移補(bǔ)償轉(zhuǎn)動(dòng)控制

云臺(tái)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置為云臺(tái)當(dāng)前坐標(biāo)加云臺(tái)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,如下式:

其中,ptz為云臺(tái)角度轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償后的控制參數(shù)值、ptzCur為云臺(tái)當(dāng)前位置參數(shù)值、ptzCtrlOffset為云臺(tái)控制補(bǔ)償?shù)膮?shù)值,圖像的偏移量為采集圖像相對(duì)于模板圖像的偏移(即,采集圖像–模板圖像);(-V)是由于當(dāng)云臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)過度時(shí),采集圖像中的特征點(diǎn)位置相對(duì)于模板圖像的偏下,圖像偏移量為“+”,補(bǔ)償值應(yīng)為“—”;水平(H)方向的補(bǔ)償則與補(bǔ)償量的符號(hào)一致。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試及機(jī)器人在變電站現(xiàn)場運(yùn)行的工作記錄檢驗(yàn),本發(fā)明“基于視覺伺服的變電站巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制方法”大幅度提高了變電站巡檢機(jī)器人采集設(shè)備圖像的準(zhǔn)確度,經(jīng)一次或二次伺服后的采集圖像準(zhǔn)確率可以在99%以上,并且使機(jī)器人能夠遠(yuǎn)距離大焦距下觀測電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)細(xì)節(jié),實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人對(duì)變電站設(shè)備全覆蓋進(jìn)行觀測的目標(biāo)。本發(fā)明標(biāo)志著巡檢機(jī)器人能夠通過實(shí)時(shí)拍攝的可見光或紅外圖像自主進(jìn)行云臺(tái)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人“頭”、“頸”部位的自動(dòng)控制,使機(jī)器人解放了后臺(tái)操作人員,節(jié)省了人工勞動(dòng)資源。機(jī)器人可攜帶可見光及紅外攝像機(jī)進(jìn)行視覺伺服,在本發(fā)明實(shí)施之后實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在變電站24小時(shí)全天候的電力設(shè)備巡檢任務(wù),保障變電站設(shè)備安全運(yùn)行。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述,但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制,所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白,在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。

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