CN101625573B - 基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航*** - Google Patents
基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，该***包括地面控制中心和巡线机器人，二者之间为无线通讯连接；其中，地面控制中心至少包括控制计算机和无线通讯装置，二者之间为电连接；巡线机器人由巡线机器人本体、嵌入式控制单元、导航单元、视觉处理单元、无线通讯单元和电池组单元组成，各组成单元之间为电连接。利用本发明，能够实现巡线机器人的自动控制和自主目标跟踪，支持遥控驾驶和自动驾驶之间的自由切换，实现巡线机器人的基于视觉的线上导航与障碍物检测。
Description
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，具体地说是一种基于数字信号处理器(DSP)的巡线机器人单目视觉导航***，用于自主式架空输电线路巡线机器人的基于视觉的目标识别与跟踪，目的是通过视觉，提高巡线机器人自主执行任务的能力，实现局部障碍物的识别，以及实现对指定目标的跟踪。
背景技术
巡线机器人是一种沿高压输电线路行走的、能实时检测线路状况的、可部分或全部代替人工巡检的智能化巡线机器人，能达到提高巡检精度、降低劳动强度、提高工作效率、节省人力资源的目的，确保输电线路安全运行。
巡线机器人视觉***，是利用嵌入式智能控制技术和计算机视觉技术为巡线机器人设计的视觉导航与检测***。在视觉***捕捉到目标后，保证地面或者架空线路障碍物处于机载摄像机的视野范围之内，完成对其目标障碍物的自主跟踪、视觉导航的任务。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的是为架空输电线路上的巡线机器人提供一种基于单目视觉、可实现视觉跟踪与局部视觉的导航***，以实现巡线机器人的自动/手动控制和自主/手动目标跟踪，支持遥控驾驶和自动驾驶之间的自由切换，实现巡线机器人的基于视觉的线上导航与障碍物检测。
***主要功能为：实时完成单、多***相线上障碍物(防振锤、线夹、绝缘子等)的探测、识别、分类、定位，引导巡线机器人慢速接近杆塔；在越障操作时，根据安装在驱动臂下方摄像机捕获的图像，估计相线和驱动轮之间的相对位姿，实现基于视觉的越障伺服控制。
本巡线机器人的单目视觉***主要用于解决以下问题：
1)、实时探测、定位单***、多***相线上防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等障碍物，引导巡线机器人慢速趋近障碍，避免碰撞。
2)、实时识别出障碍物的类型，根据其类型规划越障行为策略，完成越障运动控制。
3)、通过单目视觉对障碍物进行定位。进行在线距离估计。
4)、悬挂在导线上的巡线机器人，由于风力作用和自身姿态进行调整的时候往往会产生摆动，因此会导致图像的降质，通过图像复原技术解决了运动图像模糊问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，该***包括地面控制中心和巡线机器人，二者之间为无线通讯连接；其中，地面控制中心至少包括控制计算机和无线通讯装置，二者之间为电连接；巡线机器人由巡线机器人本体、嵌入式控制单元、导航单元、视觉处理单元、无线通讯单元和电池组单元组成，各组成单元之间为电连接；其中，所述巡线机器人的视觉处理单元采用数字信号处理器DSP架构，由瑞泰的TMS3200-ICETEK-DM642-C-IDK-M型DSP板卡、基于图像/网络开发应用的主频为600MHz高速处理板，以及外部扩展电路构成，用于实现对目标的自主识别和定位、被测物的视觉检测、完成对巡线机器人在越障时的视觉伺服控制，从而实现视觉跟踪和视觉导航功能；
其中，所述巡线机器人安装有多种传感器设备，该传感器设备由超声传感器、红外传感器、霍尔传感器，触点传感器、视觉传感器以及所述组成；其中，超声传感器的测量范围为500至4000mm，用于线路障碍探测；红外传感器用于障碍探测，以及巡线机器人越障操作中手臂脱线和握线过程的导线位置探测；霍尔传感器检测各运动关节的机械限位，触觉传感器为微动开关，用于巡线机器人运动关节限位和巡线机器人防碰；所述视觉传感器单元由Sony SSC-E453P CCD摄像机和基于DSP的视频采集卡组成，用于巡线机器人的视觉导航；上述传感器设备采集的数据全部进入到嵌入式控制单元中，由嵌入式控制单元进行数据处理，融合后初步得到外部环境信息，实现自动导航；
该***采用自主控制和远程人工控制两种控制模式对巡线机器人进行控制；该***在采用自主控制模式对巡线机器人进行控制时，巡线机器人根据巡检任务和数据库中该输电线路的结构数据，利用巡线机器人本体上安装的各种传感器感知环境信息，自动选择爬行模式中的轮式爬行、步进式爬行或回转式跨越障碍，实现巡线机器人沿输电线路的自主行走，同时控制所携带的仪器完成规定的输电线路检查项目；在自主控制模式下，巡线机器人的嵌入式控制单元通过无线网络把巡线机器人的运行环境图像传输到地面基站，供监控中心的人员进行监视。
上述方案中，所述地面控制中心的控制计算机不仅用于对巡线机器人的运动状态进行控制，还用于控制图像传输的启停、摄像机的切换、采集图像的尺寸、传输图像的帧速率和图像品质操作。
上述方案中，所述地面控制中心进一步包括手动遥控器，该手动遥控器与地面控制中心的无线通讯装置安排在两个差别较大的频段上，以保证二者之间的通讯不受干扰。
上述方案中，所述地面控制中心与巡线机器人之间的无线通讯连接，提供以下两种无线通讯方式：基于IEEE802.11的无线局域网连接和ARM无线通讯连接。
上述方案中，所述基于IEEE802.11的无线局域网连接采用TCP/IP协议通过无线局域网，实现巡线机器人嵌入式控制单元与地面控制中心控制计算机之间的遥控命令以及图像数据传输；所述ARM无线通讯连接是建立巡线机器人和手持遥控器之间的近距遥控通道，由手动遥控器、ARM无线通讯处理器和无线射频收发模块构成，实现***主计算机故障条件下的无线手动控制。
上述方案中，所述巡线机器人的嵌入式控制单元以ARM9.0为中央控制器，辅以外部扩展电路，用于实现手动遥控/自动导航切换、导航控制、数据采集、数据处理和无线通讯。
上述方案中，该***在采用远程人工控制模式对巡线机器人进行控制时，对巡线机器人的远程控制包括以下两种方式：关节命令方式和宏命令方式。
上述方案中，所述关节命令方式是操作人员对每个运动关节发出控制命令，设定各关节运动的方向和行程；巡线机器人主机接收到命令后直接下发给下位机，由下位机来控制完成关节的运动。
上述方案中，所述宏命令方式是指操作人员不直接对关节操作，而是给出整体运动宏命令，巡线机器人主控制机接收到宏命令后，根据巡线机器人当前的自身状态，自主规划出各个关节运动的顺序、方向和行程，然后分别下发给下位机，控制相应关节运动，直到完成指定的宏命令。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下技术效果：
1、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，能够实现巡线机器人的自动控制和自主目标跟踪，支持遥控驾驶和自动驾驶之间的自由切换，实现巡线机器人的基于视觉的线上导航与障碍物检测。
2、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，能够实时完成单、多***相线上障碍物(防振锤、线夹、绝缘子等)的探测、识别、分类、定位，引导巡线机器人慢速接近杆塔；在越障操作时，能够根据安装在驱动臂下方摄像机捕获的图像，估计相线和驱动轮之间的相对位姿，实现基于视觉的越障伺服控制。
3、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，能够实时探测、定位单***、多***相线上防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等障碍物，引导巡线机器人慢速趋近障碍，避免碰撞。
4、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，能够实时识别出障碍物的类型，根据其类型规划越障行为策略，完成越障运动控制。
5、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，能够通过单目视觉对障碍物进行定位，进行在线距离估计。
6、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，悬挂在导线上的巡线机器人，由于风力作用和自身姿态进行调整的时候往往会产生摆动，因此会导致图像的降质，通过图像复原技术解决了运动图像模糊问题。
7、本发明为架空输电线路上的巡线机器人提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，能够适用于各种巡线机器人的自动导航需要。
附图说明
图1是巡线机器人运行环境的示意图；
图2是本发明提供的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，包括地面控制中心和巡线机器人，二者之间为无线通讯连接。其中，地面控制中心至少包括控制计算机和无线通讯装置，二者之间为电连接。巡线机器人由巡线机器人本体、嵌入式控制单元、导航单元、视觉处理单元、无线通讯单元和电池组单元组成，各组成单元之间为电连接。
所述地面控制中心的控制计算机不仅用于对巡线机器人的运动状态进行控制，还用于控制图像传输的启停、摄像机的切换、采集图像的尺寸、传输图像的帧速率和图像品质操作。
所述地面控制中心进一步包括手动遥控器，该手动遥控器与地面控制中心的无线通讯装置安排在两个差别较大的频段上，以保证二者之间的通讯不受干扰。所述地面控制中心与巡线机器人之间的无线通讯连接，提供以下两种无线通讯方式：基于IEEE802.11的无线局域网连接和ARM无线通讯连接。所述基于IEEE802.11的无线局域网连接采用TCP/IP协议通过无线局域网，实现巡线机器人嵌入式控制单元与地面控制中心控制计算机之间的遥控命令以及图像数据传输。所述ARM无线通讯连接是建立巡线机器人和手持遥控器之间的近距遥控通道，由手动遥控器、ARM无线通讯处理器和无线射频收发模块构成，实现***主计算机故障条件下的无线手动控制。
所述巡线机器人的嵌入式控制单元以ARM9.0为中央控制器，辅以外部扩展电路，用于实现手动遥控/自动导航切换、导航控制、数据采集、数据处理和无线通讯。
所述巡线机器人的视觉处理单元采用数字信号处理器DSP架构，由瑞泰的TMS3200-ICETEK-DM642-C-IDK-M型DSP板卡、基于图像/网络开发应用的主频为600MHz高速处理板，以及外部扩展电路构成，用于实现对目标的自主识别和定位、被测物的视觉检测、完成对巡线机器人在越障时的视觉伺服控制，从而实现视觉跟踪和视觉导航功能。所述巡线机器人安装有多种传感器设备，该传感器设备由超声传感器、红外传感器、霍尔传感器，触点传感器、视觉传感器以及所述组成；其中，超声传感器的测量范围为500至4000mm，用于线路障碍探测；红外传感器用于障碍探测，以及巡线机器人越障操作中手臂脱线和握线过程的导线位置探测；霍尔传感器检测各运动关节的机械限位，触觉传感器为微动开关，用于巡线机器人运动关节限位和巡线机器人防碰；所述视觉传感器单元由SonySSC-E453P CCD摄像机和基于DSP的视频采集卡组成，用于巡线机器人的视觉导航；上述传感器设备采集的数据全部进入到嵌入式控制单元中，由嵌入式控制单元进行数据处理，融合后初步得到外部环境信息，实现自动导航。
本发明提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，为保证巡线机器人安全可靠运行，为巡线机器人设计了两种控制模式：自主控制和远程人工控制。即本发明提供的这种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，采用自主控制和远程人工控制两种控制模式对巡线机器人进行控制。
自主控制模式是指在无人干预的情况下，巡线机器人通过环境感知、决策规划，有计划有目的地产生智能行为，完成预定的线路巡检任务。在采用自主控制模式对巡线机器人进行控制时，巡线机器人挂线启动后，在无人干预的情况下，根据巡检任务和数据库中该输电线路的结构数据，利用巡线机器人本体上安装的各种传感器感知环境信息，自动选择爬行模式中的轮式爬行、步进式爬行或回转式跨越障碍，实现巡线机器人沿输电线路的自主行走，同时控制所携带的仪器完成规定的输电线路检查项目；在自主控制模式下，巡线机器人的嵌入式控制单元通过无线网络把巡线机器人的运行环境图像传输到地面基站，供监控中心的人员进行监视。
远程人工控制模式是指地面基站操作人员根据巡线机器人传回的图像对巡线机器人进行远程遥控。在采用远程人工控制模式对巡线机器人进行控制时，对巡线机器人的远程控制包括以下两种方式：关节命令方式和宏命令方式。所述关节命令方式是操作人员对每个运动关节发出控制命令，设定各关节运动的方向和行程；巡线机器人主机接收到命令后直接下发给下位机，由下位机来控制完成关节的运动。所述宏命令方式是指操作人员不直接对关节操作，而是给出整体运动命令，如“前臂脱线”、“后臂抓线”等宏命令。巡线机器人主控制机接收到宏命令后，根据巡线机器人当前的自身状态，自主规划出各个关节运动的顺序、方向和行程，然后分别下发给下位机，控制相应关节运动，直到完成指定的宏命令。当需要对巡线机器人进行远程控制时，操作人员发出“切换至远程控制方式”宏命令，巡线机器人停止自动运行，等待远程控制，操作人员根据传输过来的图像，通过下发宏命令或关节命令对巡线机器人进行远程控制；越障完成以后，对巡线机器人下发“切换至自动控制方式”宏命令，巡线机器人启动自动运行程序，自主在线路上运行。
监控主机不仅对巡线机器人的运动状态进行控制，还可以控制图像传输的启停、摄像机的切换、采集图像的尺寸、传输图像的帧速率和图像品质等操作。当巡线机器人向监控中心发出遇障报警信号时，监控人员下发“启动图像传输”命令，使监控主机可以得到巡线机器人所处环境的图像信息以便对其进行远程控制；当运动手臂超出当前所选摄像机的视野范围时，下发“切换摄像机”命令来选择适当的摄像机继续进行监控；如果需要调整传输图像的尺寸大小，可以下发“改变图像尺寸”命令，来调整采集窗口的大小以便于监控；对图像传输的速度，可以通过“改变传输速度”命令加以调整；对图像的品质，可以通过“调整图像品质”命令，改变图像压缩时的品质因子，从而改变画面质量；另外，还可以通过“保存视频”命令来控制巡线机器人主机是否对外部环境图像进行录像存储。
本发明的***由两部分组成：1，巡线机器人和机载设备，2，地面控制站。由图1所示，巡线机器人本体包括行走机构、臂距调整机构、配重调节机构、回转机构、正切摆角机构和手爪夹紧机构，巡线机器人本体下方挂有机箱，以便适合安装机载自动导航设备和视觉处理单元。摄像机安装在巡线机器人的本体前端，光轴与巡线机器人前进方向的夹角约为30°。在此配置下，背景是天空，这样可以降低图像背景的复杂度。以及为这些设备提供电能的电池组。机载自动导航设备和视觉处理单元等设备集中安装在一个铝制的外壳内，外壳在受到外力冲击的时候能起到保护内部设备的作用以及电磁屏蔽的作用。无线通讯模块以及控制装置分别通过串行接口与嵌入式控制器连接，电池组分别为上述设备提供电源。
地面控制站主要由地面控制计算机、无线通讯模块、无线视频接收模块、遥控器和地面操作员组成。其中无线通讯模块通过串口与地面控制计算机连接，地面操作员直接操作地面控制计算机和遥控器，以切换巡线机器人的导航与驾驶方式：手动遥控驾驶或自动导航驾驶。
本实施例中，巡线机器人采用了实验室自行研制的双臂回转型巡线机器人，摄像头选用Sony SSC-E453P CCD，视觉处理***采用TI DM642DSP处理器，电池组选用了镍氢电池。地面控制计算机为IBM-T41系列笔记本电脑，无线通讯模块为通讯距离为2000米的无线数传模块，通讯频率设定为315MHZ。
使用本发明***，采用实现实例的配置，通过实验验证了本发明***的有效性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，该***包括地面控制中心和巡线机器人，二者之间为无线通讯连接；其中，地面控制中心至少包括控制计算机和无线通讯装置，二者之间为电连接；巡线机器人由巡线机器人本体、嵌入式控制单元、导航单元、视觉处理单元、无线通讯单元和电池组单元组成，各组成单元之间为电连接；其中，所述巡线机器人的视觉处理单元采用数字信号处理器DSP架构，由瑞泰的TMS3200-ICETEK-DM642-C-IDK-M型DSP板卡、基于图像/网络开发应用的主频为600MHz高速处理板，以及外部扩展电路构成，用于实现对目标的自主识别和定位、被测物的视觉检测、完成对巡线机器人在越障时的视觉伺服控制，从而实现视觉跟踪和视觉导航功能；
其中，所述巡线机器人安装有多种传感器设备，该传感器设备由超声传感器、红外传感器、霍尔传感器，触点传感器、视觉传感器组成；其中，超声传感器的测量范围为500至4000mm，用于线路障碍探测；红外传感器用于障碍探测，以及巡线机器人越障操作中手臂脱线和握线过程的导线位置探测；霍尔传感器检测各运动关节的机械限位，触觉传感器为微动开关，用于巡线机器人运动关节限位和巡线机器人防碰；所述视觉传感器单元由Sony SSC-E453P CCD摄像机和基于DSP的视频采集卡组成，用于巡线机器人的视觉导航；上述传感器设备采集的数据全部进入到嵌入式控制单元中，由嵌入式控制单元进行数据处理，融合后初步得到外部环境信息，实现自动导航；
该***采用自主控制和远程人工控制两种控制模式对巡线机器人进行控制；该***在采用自主控制模式对巡线机器人进行控制时，巡线机器人根据巡检任务和数据库中该输电线路的结构数据，利用巡线机器人本体上安装的各种传感器感知环境信息，自动选择爬行模式中的轮式爬行、步进式爬行或回转式跨越障碍，实现巡线机器人沿输电线路的自主行走，同时控制所携带的仪器完成规定的输电线路检查项目；在自主控制模式下，巡线机器人的嵌入式控制单元通过无线网络把巡线机器人的运行环境图像传输到地面基站，供监控中心的人员进行监视。
2.根据权利要求1所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述地面控制中心的控制计算机不仅用于对巡线机器人的运动状态进行控制，还用于控制图像传输的启停、摄像机的切换、采集图像的尺寸、传输图像的帧速率和图像品质操作。
3.根据权利要求1所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述地面控制中心进一步包括手动遥控器，该手动遥控器与地面控制中心的无线通讯装置安排在两个差别较大的频段上，以保证二者之间的通讯不受干扰。
4.根据权利要求3所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述地面控制中心与巡线机器人之间的无线通讯连接，提供以下两种无线通讯方式：基于IEEE802.11的无线局域网连接和ARM无线通讯连接。
5.根据权利要求4所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述基于IEEE802.11的无线局域网连接采用TCP/IP协议通过无线局域网，实现巡线机器人嵌入式控制单元与地面控制中心控制计算机之间的遥控命令以及图像数据传输；
所述ARM无线通讯连接是建立巡线机器人和手持遥控器之间的近距遥控通道，由手动遥控器、ARM无线通讯处理器和无线射频收发模块构成，实现***主计算机故障条件下的无线手动控制。
6.根据权利要求1所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述巡线机器人的嵌入式控制单元以ARM9.0为中央控制器，辅以外部扩展电路，用于实现手动遥控/自动导航切换、导航控制、数据采集、数据处理和无线通讯。
7.根据权利要求1所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，该***在采用远程人工控制模式对巡线机器人进行控制时，对巡线机器人的远程控制包括以下两种方式：关节命令方式和宏命令方式。
8.根据权利要求7所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述关节命令方式是操作人员对每个运动关节发出控制命令，设定各关节运动的方向和行程；巡线机器人主机接收到命 令后直接下发给下位机，由下位机来控制完成关节的运动。
9.根据权利要求7所述的基于数字信号处理器的巡线机器人单目视觉导航***，其特征在于，所述宏命令方式是指操作人员不直接对关节操作，而是给出整体运动宏命令，巡线机器人主控制机接收到宏命令后，根据巡线机器人当前的自身状态，自主规划出各个关节运动的顺序、方向和行程，然后分别下发给下位机，控制相应关节运动，直到完成指定的宏命令。
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