CN107764405A - 基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，包括相连接的机器人和上位机，所述机器人包括：行走底座；定位机构；红外成像机构，用于获取待测点的红外图像；激光雷达扫描仪，用于检测机器人与待测点所处平面的直线距离；仰角传感器，设置于所述定位机构上，用于检测红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角；坡度传感器，设置于所述行走底座上，用于检测机器人的爬坡度；CPU；所述上位机根据所述红外图像、机器人与待测点所处平面的直线距离、红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角和机器人的爬坡度，补偿计算获得待测点最终温度。与现有技术相比，本发明具有诊断结果准确、成本低等优点。

Description

基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置

技术领域

本发明涉及一种电力巡检机器人红外测温装置，尤其是涉及一种基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置。

背景技术

对变电站设备进行例行红外巡检是保障电力设备安全稳定运行的常规技术手段。近年来，传统的人工红外巡检模式正逐渐发展为机器人自动红外巡检。但巡检机器人在实际应用过程中面临着红外温度的检测精度问题。例如，在电力设备红外巡检中，机器人载荷的红外测温仪器与被测设备表面存在一定的距离，受到红外辐射大气衰减的影响，测温结果与实际温度存在偏差；此外，巡检机器人与设备热缺陷表面法线往往不处于同一水平面，红外热像仪的观测方向与设备表面法线存在较大的夹角，从而导致测温结果与实际温度存在偏差。一般情况下，红外测温结果会同时受到观测距离和观测角度的影响，因此在电力机器人红外巡检中，需要综合考虑距离、视角这两个关键参量，并以此对测温结果进行修正，保证测温结果的准确度。

针对上述观测距离影响红外测温结果准确性的问题，目前已经有将测距仪器与红外测温仪器组合的装置或方法，例如，激光测距与红外测温仪器组合方法(申请号：201120577082.8)、超声波测距与红外测温仪器组合方法(申请号：201210163806.3)、红外线测距与红外测温仪器组合方法等。上述方法往往直接将测距模块获取的距离作为热像仪至故障点距离，最终测温结果还存在精度不够的问题。

发明内容

本发明针对电气设备红外检测中，往往只对红外图像进行处理但对可能忽略对图像造成影响的距离因素，或是考虑到距离但需要对整个巡检装置进行较大改造工程等存在的不足，提供一种基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，包括相连接的机器人和上位机，所述机器人包括：

行走底座；

定位机构，设置于所述行走底座上；

红外成像机构，设置于所述定位机构上，用于获取待测点的红外图像；

激光雷达扫描仪，设置于所述定位机构上，用于检测机器人与待测点所处平面的直线距离；

仰角传感器，设置于所述定位机构上，用于检测红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角；

坡度传感器，设置于所述行走底座上，用于检测机器人的爬坡度；

CPU，分别连接所述定位机构、红外成像机构、激光雷达扫描仪、仰角传感器、坡度传感器和上位机；

所述上位机根据所述红外图像、机器人与待测点所处平面的直线距离、红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角和机器人的爬坡度，补偿计算获得待测点的最终温度。

进一步地，所述仰角传感器与红外成像机构上下贴合固定于所述定位机构上。

进一步地，所述仰角传感器通过一减震座固定于定位机构上。

进一步地，所述坡度传感器紧贴于所述行走底座上表面，且位于所述行走底座前方。

进一步地，所述坡度传感器通过一减震座固定于行走底座上。

进一步地，所述定位机构包括相连接的三维云台和云台运动控制步进电机，所述云台运动控制步进电机与CPU连接。

进一步地，所述仰角传感器和坡度传感器均为双轴结构倾角传感器。

进一步地，所述红外成像机构包括分别固定于所述定位机构套筒内的红外热像仪和可见光相机。

进一步地，所述CPU还连接有用于存储待测点空间位置的校准参数存储模块。

进一步地，所述补偿计算获得待测点的最终温度具体为：

101)计算红外成像机构中心与待测点实际距离l：

其中，l₁为测温装置与待测点所处平面的直线距离，α为红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角，β为机器人的爬坡度；

102)基于红外成像机构获得的红外图像得到测量温度；

103)基于步骤101)中的实际距离对测量温度进行修正：

T(l，γ)＝T₀(l，γ)cos^rγ-pl-ql²

其中，T₀(l,γ)为红外辐射体表面真实温度，T(l,γ)为测量温度，r、p、q为系数，γ为观测视角。

与现有技术相比，本发明通过红外成像仪对电气设备的表面温度进行成像显示，并利用水平距离与角度获得红外镜头与被拍摄物体的距离，实现对电气设备红外图像的补偿，从而得到更为精确的温度信息，具有以下有益效果：

1、本发明使巡检机器人***能够自动测量测温故障点与传感器之间的距离及仰角，并根据距离、视角补偿公式对测量温度进行补偿或者修正。

2、倾角传感器存在体积较小、精确度高等特点，且成本较低，相对直接采用专用测距仪的优势较大；而激光雷达测距功能由激光雷达扫描仪提供，后者已经属于常用的自动行走底座标准配件，故整个机构具有易于操作、易于改装等优点，实用性强等优势。

3、本发明可以消除观测距离和观测角度带来的误差，提高诊断结果的准确性。

4、本发明仰角传感器与红外成像机构上下贴合固定在云台上，因两者之间间距很小且平行放置，可以准确测得倾角，提高最终检测精度。

5、本发明坡度传感器与紧贴设置于行走底座上，可以提高坡度检测精度，从而提高最终检测精度。

6、本发明具有易于操作、易于改装等优点，实用性强等优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施示意图；

图3本发明的工作方式图；

图4为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，包括相连接的机器人和上位机，机器人包括：行走底座7；定位机构，设置于行走底座7上；红外成像机构，设置于定位机构上，用于获取待测点的红外图像；激光雷达扫描仪6，设置于定位机构上，用于检测机器人与待测点所处平面的直线距离；仰角传感器3，设置于定位机构上，用于检测红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角；坡度传感器1，设置于行走底座7上，用于检测机器人的爬坡度；CPU，分别连接定位机构、红外成像机构、激光雷达扫描仪6、仰角传感器3、坡度传感器1和上位机；上位机根据红外图像、机器人与待测点所处平面的直线距离、红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角和机器人的爬坡度，补偿计算获得待测点的最终温度。该装置针对红外测温过程中，随红外热像仪与电力设备距离远近、角度偏差而存在测量误差这一问题，将超声测距技术、倾角传感技术与红外测温技术相结合，实现设备温度同时在线监测，有效提高巡检机器人***测温的准确性。

在某些实施例中，定位机构包括相连接的三维云台5和云台运动控制步进电机，云台运动控制步进电机与CPU连接。

在某些实施例中，红外成像机构包括分别固定于定位机构套筒内的红外热像仪2和可见光相机4。

在某些实施例中，仰角传感器3与红外成像机构上下贴合固定于定位机构上。优选地，仰角传感器3通过一减震座固定于定位机构上。

在某些实施例中，坡度传感器1紧贴于行走底座7上表面，且位于行走底座7前方。优选地，坡度传感器1通过一减震座固定于行走底座7上。

在某些实施例中，CPU还连接有用于存储待测点空间位置的校准参数存储模块。

补偿计算获得待测点的最终温度具体为：

101)计算红外成像机构中心与待测点实际距离l：

其中，l₁为测温装置与待测点所处平面的直线距离，α为红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角，β为机器人的爬坡度；

102)基于红外成像机构获得的红外图像得到测量温度；

103)基于步骤101)中的实际距离对测量温度进行修正：

T(l，γ)＝T₀(l，γ)cos^rγ-pl-ql²

其中，T₀(l,γ)为红外辐射体表面真实温度，T(l,γ)为测量温度，r、p、q为系数，γ为观测视角。

本实施例中，仰角传感器3和坡度传感器1均为双轴结构倾角传感器。仰角传感器3和坡度传感器1选用型号RS232Analog，其测量范围为单轴0°～360°，双轴+80°，最小分辨率为0.01°，精度0.1°，无滤波响应时间10ms，可获得热像仪至待测点的倾角、观测视角及机器人爬坡度。红外热像仪2的型号和参数为IRT513-A型红外热像仪，工作波段为8～14μm，氧化钒探测器探测像元数为320×240，像元尺寸为38×38μm2，成像形式选择25Hz PAL制式，热像仪的温度分辨率为50mK@30℃，测温范围为-30℃～200℃，可以对电子电路板、变电站避雷器、电压互感器和变压器等设备的表面进行测温。激光雷达扫描仪6型号为LMS511-10100，***错误为±25mm，(1m，10m)，可实现30m以内的扫描与测距功能。

如图1所示，本实施例的仰角传感器3与红外热像仪2上下贴合固定在三维云台5上，因两者之间间距很小，可以近似测得热像仪与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角；激光雷达扫描仪6置于三维云台正前方，采集检测装置与待测点所处平面的直线距离；坡度传感器1固定在行走底座正前方部位，采集机器人爬坡度。所得距离、观测视角、垂直倾角与爬坡度通过无线WIFI发送至上位机。

在具体检测时，调节目标体在红外热像仪和仰角传感器3的视角范围内，通过上位机调整水平垂直电机对异常点进行精确定位，并将位置信息存储于校准存储模块。如图3-图4为爬坡中故障点信息测量工作流程图，l₁为机器人与待测点垂面的直线距离，α为热像仪至待测点连线与水平面的夹角，β为机器人的爬坡度，γ为云台观测视角(热像仪镜面法线与目标体焦面夹角)，坡度传感器1获取巡检机器人的爬坡角度β，所获取数据通过WIFI上传至上位机。

所用的红外热像仪2测量之前，首先在0.5m左右范围利用黑体对其进行温度校正，随后利用该红外热像仪对电源模块的目标点进行成像测温，通过上位机中的红外热像***软件得到红外热像仪2测量到的目标温度数据为T＝29.4℃，l₁＝3(实际距离为2.93)，α＝55.15°，β＝10.05°，γ＝5°，如图2所示，通过三角形公式，可以得到红外热像仪与待测点实际距离可求出l＝5.179m。

对于温度的修正，本发明采用了多项式的修正方法(参考文献：周志成，魏旭，谢天喜，唐忠，崔昊杨，红外技术，39(1):86-90，2017)，修正公式为：

T(l，γ)＝T₀(l，γ)cos^rγ-pl-ql²

其中，T₀(l,γ)为红外辐射体表面真实温度，T(l,γ)为红外热像仪的测量温度，l为热像仪镜头与目标体的间距，p、q分别是观测距离一次项和二次项的系数，γ为观测视角，r为观测角余弦幂指系数。将r、p、q作为拟合系数对实验数据进行拟合，得到r＝4.5，p＝0.3205，q＝0.01103。利用公式(1)对红外热像仪的观测结果进行修正，修正后的温度为31.99℃。红外热像仪对目标体的观测温度T＝29.4℃与实际温度T₀(d)＝32.8℃的误差为ΔT₁＝32.8-29.4＝3.4℃，而利用结合倾角传感器的激光雷达测距技术获取的距离参数l＝5.179m带入到修正前的红外热像仪观测结果与目标体真是温度之间的误差为：ΔT₂＝32.8-31.99＝0.8℃。经过与设备真实温度的对比发现，修正后的结果较修正前更为准确。

本发明利用与倾角传感器结合激光雷达测距技术测量电力设备异常部位至红外热像仪的距离，并采用该距离作为补偿因子对测量温度进行补偿或修正，保证了诊断结果的准确度。同时该装置将红外热像仪与超声测距技术相结合，实现设备各部温度同时非接触、远距离在线监测，节约了成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，包括相连接的机器人和上位机，所述机器人包括：

行走底座(7)；

定位机构，设置于所述行走底座(7)上；

红外成像机构，设置于所述定位机构上，用于获取待测点的红外图像；

激光雷达扫描仪(6)，设置于所述定位机构上，用于检测机器人与待测点所处平面的直线距离；

仰角传感器(3)，设置于所述定位机构上，用于检测红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角；

坡度传感器(1)，设置于所述行走底座(7)上，用于检测机器人的爬坡度；

CPU，分别连接所述定位机构、红外成像机构、激光雷达扫描仪(6)、仰角传感器(3)、坡度传感器(1)和上位机；

所述上位机根据所述红外图像、机器人与待测点所处平面的直线距离、红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角及观测视角和机器人的爬坡度，补偿计算获得待测点的最终温度。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述仰角传感器(3)与红外成像机构上下贴合固定于所述定位机构上。

3.根据权利要求2所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述仰角传感器(3)通过一减震座固定于定位机构上。

4.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述坡度传感器(1)紧贴于所述行走底座(7)上表面，且位于所述行走底座(7)前方。

5.根据权利要求4所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述坡度传感器(1)通过一减震座固定于行走底座(7)上。

6.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述定位机构包括相连接的三维云台(5)和云台运动控制步进电机，所述云台运动控制步进电机与CPU连接。

7.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述仰角传感器(3)和坡度传感器(1)均为双轴结构倾角传感器。

8.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述红外成像机构包括分别固定于所述定位机构套筒内的红外热像仪(2)和可见光相机(4)。

9.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述CPU还连接有用于存储待测点空间位置的校准参数存储模块。

10.根据权利要求1所述的基于激光测距及视角补偿的电力巡检机器人红外测温装置，其特征在于，所述补偿计算获得待测点的最终温度具体为：

101)计算红外成像机构中心与待测点实际距离l：

<mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>l</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，l₁为测温装置与待测点所处平面的直线距离，α为红外成像机构与待测点连线相对水平面的倾角，β为机器人的爬坡度；

102)基于红外成像机构获得的红外图像得到测量温度；

103)基于步骤101)中的实际距离对测量温度进行修正：

T(l，γ)＝T₀(l，γ)cos^rγ-pl-ql²

其中，T₀(l,γ)为红外辐射体表面真实温度，T(l,γ)为测量温度，r、p、q为系数，γ为观测视角。