一种用于窄小管腔微型巡检机器人的温度异常点定位***
技术领域
本申请涉及电流检测装置的技术领域,具体而言,涉及一种用于窄小管腔微型巡检机器人的温度异常点定位***。
背景技术
在电缆电流过载时,过高的温度会导致绝缘材料急剧老化,甚至会击穿。轻者影响信号传输和损坏设备,重者会威胁人身安全,甚至给电力***带来巨大的损失。因此,实现对电缆线路定期巡检并准确定位坏点至关重要。
而现有技术中,对电缆线路的巡检,仍然采取传统的人工巡检的方式,即巡检人员手持红外成像仪进行坏点的温度检测,以此发现高温坏点,从而由坏点入手排除电缆线路故障。
这种人工巡检方法,工作效率极低、可靠性差,尤其是对于窄小管腔内电缆,在不破坏排管的前提下,较难对坏点进行定位和故障排除。
发明内容
本申请的目的在于:实现不破坏排管结构的窄小管腔内电缆坏点自主巡检,极大的减少了巡检成本、提高巡检效率。
本申请的技术方案是:提供了一种用于窄小管腔微型巡检机器人的温度异常点定位***,定位***包括:巡检机器人和控制终端;巡检机器人上包括红外测温探头和定位***,红外测温探头设置于巡检机器人的机身的前方,红外测温探头用于测量巡检机器人前方区域内线缆的测量温度,定位***设置于巡检机器人的机身上,定位***用于对巡检机器人进行定位,生成位置信息,巡检机器人将测量温度和位置信息发送至控制终端;控制终端用于当判定接收到的测量温度大于或等于预设温度阈值时,根据接收到的位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位,并将测量温度标记于位置,生成报警信息。
上述任一项技术方案中,进一步地,定位***,具体包括:拖拽测量装置、编码测量装置和惯性导航***;拖拽装置的测量绳固定连接于巡检机器人的机身的后方,测量绳上设置有标度,拖拽装置用于根据标度和巡检机器人的机身长度,对巡检机器人进行第一定位,确定第一位置信息;编码测量装置包括计数单元和运算单元,编码测量装置设置于巡检机器人的机身的下方、位于巡检机器人的轮胎的内侧,计数单元与轮胎经齿轮传动连接,计数单元用于随着轮胎的转动生成计数脉冲,运算单元用于根据计数脉冲和轮胎的周长,确定巡检机器人的第二位置信息;惯性导航***用于采用粒子滤波算法,对计算出的巡检机器人的位移测量值进行滤波,将滤波后的位移测量值,记作第三位置信息;控制终端还用于采用加权算法,根据第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位。
上述任一项技术方案中,进一步地,惯性导航***包括陀螺仪和加速度计,其特征在于,粒子滤波算法具体包括:
根据陀螺仪确定的巡检机器人的姿态和航向,构建导航坐标系,并根据加速度计测得的巡检机器人在导航坐标系下的加速度,对时间进行积分,计算巡检机器人的位移测量值Xi,其中,i=1,2,...,k,k为当前时刻;
构建巡检机器人行进过程中的状态方程和观测方程,并在当前时刻k已有的k个位移测量值中,按照重要性分布,抽取N个位移测量值,生成初始粒子集合{Xi}i=1,2,...,N,其中,被抽取的每一个位移测量值Xi记作初始粒子集合{Xi}i=1,2,...,N中的一个粒子;
计算初始粒子集合{Xi}i=1,2,...,N中每一个粒子的权值,当判定计算出的权值小于预设阈值时,将对应的粒子剔除,在剩余的k-N个位移测量值中重新抽取与剔除粒子数量相同的位移测量值,与保留的位移测量值,组成次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N,重新计算每一个粒子的权值并进行剔除,直到次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N中每一个粒子的权值均小于预设阈值,将次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N记作位移粒子集合;
根据位移粒子集合,进行均值计算,将均值计算结果记作第三位置信息。
上述任一项技术方案中,进一步地,采用加权算法,根据第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位,具体包括:计算当前时刻第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息三种位置信息中两种的位置信息之间的差值,并计算任一种位置信息差值的和值,其中,和值包括第一和值、第二和值以及第三和值;选取和值中最大值对应的位置权值,根据第一修订公式和初始权值,对选取出的位置权值进行修订,根据第二修订公式和初始权值,对其余位置权值进行修订;根据修订后的位置权值、第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息,采用加权算法,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位。
上述任一项技术方案中,进一步地,巡检机器人还包括:数模转换单元;数模转换单元用于将红外测温探头检测到的测量温度由模拟量转换为数字量,并将转换后的测量温度,发送至控制终端。
上述任一项技术方案中,进一步地,巡检机器人,还包括:无线发射接收模块;无线发射接收模块设置于巡检机器人的机身上,无线发射接收模块用于接收控制终端的作业指令,并将测量温度和位置信息,发送至控制终端,其中,作业指令包括启停指令、前进指令、后退指令。
本申请的有益效果是:
1.首次实现了不破坏排管结构的窄小管腔内自主巡检,极大的减少了巡检成本、提高巡检效率,增加了排管电缆检测中使用巡检机器人的经济效益。
2.将粒子滤波算法应用于消除所采集非线性信息的干扰,并结合拖拽测量和编码测量,利用三种位移测量方法,避免了测量过程中干扰量对机器人定位的影响,提高了微型巡检机器人定位的准确性。
附图说明
本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是根据本申请的一个实施例的用于窄小管腔微型巡检机器人的温度异常点定位***的示意流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
在下面的描述中,阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请,但是,本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示,本实施例提供了一种用于窄小管腔微型巡检机器人的温度异常点定位***,定位***包括:巡检机器人和控制终端;
巡检机器人上包括红外测温探头和定位***,红外测温探头设置于巡检机器人的机身的前方,红外测温探头用于测量巡检机器人前方区域内线缆的测量温度。
具体的,本实施例使用了红外测温探头对电缆温度状态进行实时监测,被采集到的坏点温度模拟信号会被与红外测温探头相连的数模转换单元转换为温度数字信号,进而发送至控制终端,进行下一步数据处理。
本实施例中的巡检机器人上,还可以设置摄像头,当所述巡检机器人进入巡检模式后,其红外测温探头能够检测到一定距离处温度异常的地点,巡检机器人将该处状况经过摄像头回传至控制终端。本实施例中使用红外测温这种非接触式测温方式,而不是传统的热电偶等接触式测温方式,由于没有接触,不会对电缆本身产生任何物理影响,而且可以用于一定距离的温度测量。
进一步的,巡检机器人还包括:数模转换单元;数模转换单元用于将红外测温探头检测到的测量温度由模拟量转换为数字量,并将转换后的测量温度,发送至控制终端。
具体的,本实施例中采用上位控制机,作为控制终端,对接收到的温度数字信号进行处理,获得最终的排管内电缆各部温度监测结果,并在温度结果异常时发出警报。
定位***设置于巡检机器人的机身上,定位***用于对巡检机器人进行定位,生成位置信息,巡检机器人将测量温度和位置信息发送至控制终端;
具体的,巡检机器人结合了惯性导航***、编码器***与拖拽测量***进行定位,有效的增加了机器人定位的准确性。因编码器如果齿轮磨损,测量到的位移相较实际值偏大,而惯性导航***的累积误差可能偏大或者偏小,不同测量方式的结合,可以起到互相修正的作用,不会使得误差方向同向进而使得误差增加。
进一步的,定位***,具体包括:拖拽测量装置、编码测量装置和惯性导航***;
拖拽装置的测量绳固定连接于巡检机器人的机身的后方,测量绳上设置有标度,拖拽装置用于根据标度和巡检机器人的机身长度,对巡检机器人进行第一定位,确定第一位置信息;
具体的,拖拽测量装置的测量绳与巡检机器人直接进行物理连接,由于线缆排管的长度一定,因此,巡检机器人巡检长度固定。在巡检机器人进入线缆排管后,根据测量绳子剩余长度即可得到巡检机器人得距离信息,即第一位置信息。由于绳子属于非刚性结构,存在松弛和紧绷的不同状态,在松弛情况下产生较大误差,与下述两种测量方法进行结合,可以提高测量精度。
编码测量装置包括计数单元和运算单元,编码测量装置设置于巡检机器人的机身的下方、位于巡检机器人的轮胎的内侧,计数单元与轮胎经齿轮传动连接,计数单元用于随着轮胎的转动生成计数脉冲,运算单元用于根据计数脉冲和轮胎的周长,确定巡检机器人的第二位置信息;
具体的,编码器测量装置与巡检机器人轮胎经齿轮传动连接,轮胎旋转一圈会输出固定个数方波形式脉冲,对脉冲进行计数反向可以求得移动距离,对单位时间进行微分可以求得转速,可以将移动距离记作巡检机器人的第二位置信息。
巡检机器人中的伺服电机,与上述编码器测量装置,经过齿轮啮合传输位移数据,其中,伺服电机用于控制巡检机器人行进的方向和速度。伺服电机输入端有三个数字输入端口,分别连接正转、反转和PWM控速信号。正转端口输入为1反转端口输入为0且PWM输入为1,则巡检机器人正向行驶,正反转端口输入相反,则巡检机器人反向行驶。PWM端口控制其在一个周期内输入为1的时间长短,即可控制一定时间内伺服电机运动的距离和出力大小,达到控制巡检机器人行走距离和速度的目的。
惯性导航***用于采用粒子滤波算法,对计算出的巡检机器人的位移测量值进行滤波,将滤波后的位移测量值,记作第三位置信息,以解决采集的位置信息数据非线性严重的问题,尽可能消除干扰,减小误差;
进一步的,惯性导航***包含可测量姿态的陀螺仪和可测位置的加速度计,其中,惯性导航***中内置粒子滤波算法的ARM处理器,采用粒子滤波算法计算第三位置信息,具体包括:
对惯性导航***进行初始化,给定巡检机器人的初始位置和速度信息,并对仪表进行校准,测量仪表偏移和偏置数据,其中,陀螺仪和加速度计为惯性仪表,安装于巡检机器人上后,巡检机器人的运动会产生较大误差,因此,需要在ARM处理器中对仪表误差进行补偿,此处采用现有的误差补偿方法即可实现,不再赘述。
步骤1,根据陀螺仪确定的巡检机器人的姿态和航向,构建导航坐标系,并根据加速度计测得的巡检机器人在导航坐标系下的加速度,对时间进行积分,计算巡检机器人的位移测量值Xi,其中,i=1,2,…,k,k为当前时刻;
具体的,陀螺仪输出的角速度用于求解坐标系以及方向,巡检机器人所处姿态和航向即为巡检机器人坐标系相对于地理坐标系的方位,将陀螺仪数据提供给姿态矩阵,进行运算后构建导航坐标系。
加速度计的输出求取坐标变换后转换到导航坐标系,计算速度和位置等信息时,加速度计测得的加速度对时间进行积分即可得到速度,对速度再次进行时间的积分即可得到位移测量值Xi。
步骤2,构建巡检机器人行进过程中的状态方程和观测方程,并在当前时刻k已有的k个位移测量值{Xi}i=1,2,...,k中,按照重要性分布,抽取N个位移测量值,生成初始粒子集合{Xi}i=1,2,...,N,其中,被抽取的每一个位移测量值Xi记作初始粒子集合{Xi}i=1,2,...,N中的一个粒子;
具体的,设定本实施例中的原采样分布满足概率密度函数,利用重要性分布函数q(Xi(i=1,2,...,N)|Xi(i=1,2,...,k)),进行位移测量值抽取,其中,重要性分布函数q(Xi(i=1,2,...,N)|Xi(i=1,2,...,k))的计算公式为:
步骤3,计算初始粒子集合{Xi}i=1,2,...,N中每一个粒子的权值,当判定计算出的权值小于预设阈值时,将对应的粒子剔除,在剩余的k-N个位移测量值中重新抽取与剔除粒子数量相同的位移测量值,与保留的位移测量值,组成次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N,重新计算每一个粒子的权值并进行剔除,直到次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N中每一个粒子的权值均小于预设阈值,将次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N记作位移粒子集合;
具体的,权值计算公式为:
式中,参数σ的取值为0.623。需要说明的是,由于是抽取出位移测量值组成的粒子集合,因此,计算出的所有权值的和值可能不等于1。
优选的,对计算出的权值进行归一化计算,对应的归一化公式为:
式中,n=1,2,...,N。
在本实施例中,由于粒子滤波算法难免会存在粒子退化问题,而且,采用的是后验概率密度函数,也就导致无法使用最新得到的位移测量值。为了解决这些问题,对重要性分布函数进行修订,修订后的重要性分布函数的计算公式为:
改进后的粒子滤波算法使得更新后的粒子集包含了最新的位移测量值,以便于作为状态方程的观测量,另外,在组成次级粒子集合时,采取了舍弃与观测量无关的粒子,增大了与观测量有关的粒子权值,解决了粒子退化问题,进一步提高了计算第三位置信息的精度。
步骤4,根据位移粒子集合,进行均值计算,将均值计算结果记作第三位置信息。
具体的,通过上述步骤,可以得到包含N个位移测量值的集合,即次级粒子集合{X′i}i=1,2,...,N,计算着N个位移测量值的均值X,计算公式如下:
X=(X′1+X′2+…+X′N)/N
因此,可以将均值X作为惯性导航***测量出的第三位置信息。
控制终端用于当判定接收到的测量温度大于或等于预设温度阈值时,根据接收到的位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位,并将测量温度标记于位置,生成报警信息。
具体的,控制终端上还设置有上位机监控界面,如果超温,将发出报警信号到上位机监控界面,同时,将计算出的位移值,推算出巡检机器人当前位置,并发送至上位机监控界面。
本实施例示出一种对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位的方法,具体包括:控制终端还用于采用加权算法,根据第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位,其中,采用加权算法,根据第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位,具体包括:
步骤11,计算当前时刻第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息三种位置信息中两种的位置信息之间的差值,并计算任一种位置信息差值的和值,其中,和值包括第一和值、第二和值以及第三和值;
步骤12,选取和值中最大值对应的位置权值,根据第一修订公式和初始权值,对选取出的位置权值进行修订,根据第二修订公式和初始权值,对其余位置权值进行修订;
步骤13,根据修订后的位置权值、第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息,采用加权算法,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位。
具体的,将本实施例中三种位置信息以此标记为xa、xb和xc,对应的初始权值为λ1=λ2=λ3=1/3,则进行定位后的巡航机器人的位置x的计算公式为:
x=λ′1xa+λ′2xb+λ′3xc
式中,λ′w为调整后的第w个权值,w=1,2,3。
在进行初始权值调整时,计算当前时刻下的任意两种位置信息之间的差值,即各种方式间的误差,包括Δxa1=|xa-xb|,Δxa2=|xa-xc|,Δxb1=|xb-xa|,Δxb2=|xb-xc|,Δxc1=|xc-xa|,Δxc2=|xc-xb|。
假设Δxa1+Δxa2=max{Δxa1+Δxa2,Δxb1+Δxb2,Δxc1+Δxc2},即认为xa本次测量值可信度不高,因此,采用第一修订公式对λ1进行调节,第一修订公式为:
λ′1=λ1-μ
式中,μ为权值调整值。
采用第二修订公式对λ2和λ3进行调节,第二修订公式为:
λ′2=λ2+μ/2
λ′3=λ3+μ/2
需要说明的是,本实施例中的加权算法中权值的求解过程也可以在定位之后进行,此时,修订后的权值λ′1、λ′2和λ′3,用于下一时刻的巡航机器人定位。
进一步的,巡检机器人,还包括:无线发射接收模块;无线发射接收模块设置于巡检机器人的机身上,无线发射接收模块用于接收控制终端的作业指令,并将测量温度和位置信息,发送至控制终端,其中,作业指令包括启停指令、前进指令、后退指令。
以上结合附图详细说明了本申请的技术方案,本申请提出了一种用于窄小管腔微型巡检机器人的温度异常点定位***,巡检机器人和控制终端;巡检机器人上的红外测温探头设置于巡检机器人的机身的前方,红外测温探头用于测量巡检机器人前方区域内线缆的测量温度,定位***设置于巡检机器人的机身上,定位***用于对巡检机器人进行定位,生成位置信息,巡检机器人将测量温度和位置信息发送至控制终端;控制终端用于当判定接收到的测量温度大于或等于预设温度阈值时,根据接收到的位置信息,对巡检机器人在线缆排管中的位置进行定位,并标记测量温度标记于位置。通过本申请中的技术方案,实现不破坏排管结构的窄小管腔内电缆坏点自主巡检,极大的减少了巡检成本、提高巡检效率。
本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。
本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。
尽管参考附图详地公开了本申请,但应理解的是,这些描述仅仅是示例性的,并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定,并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。