用于自动读表的变电站巡检机器人

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用于自动读表的变电站巡检机器人\n[0001] 本发明是申请号为201410706231.4、申请日为2014年11月27日、发明名称为“用于自动读表的变电站巡检机器人”的专利的分案申请。\n技术领域\n[0002] 本发明涉及电力监控领域，尤其涉及一种用于自动读表的变电站巡检机器人。\n背景技术\n[0003] 变电站是输电网的枢纽，变电站设备巡检工作在保证变电站正常生产、安全运行方面占有极其重要的地位，电力系统的变电站通常对各个电力设备配置了多种指针型仪表以反映设备的工作状态，记录仪表读数是巡检工作的重要组成部分。\n[0004] 受巡检工作的复杂性和技术手段的限制，国内外变电站在进行设备巡检时普遍采用人工巡视、手工记录的作业模式。人工巡检模式存在劳动强度大、危险系数高、工作效率低、检测质量分散、管理成本高等明显不足；而且，人工检测的数据也无法准确、及时地接入管理信息系统，使信息化管理不能到达第一作业现场，影响了变电站的自动化和智能化水平。\n[0005] 为了保障现场人员的人身安全，提高巡检工作尤其是仪表读数记录的效率和精度，一些智能变电站开始普及使用巡检机器人进行仪表读数的抄录，但是现有技术中的巡检机器人还存在以下缺陷：(1)单凭一种控制模式控制巡检机器人的行进位置，例如只通过GPS自动导航控制，或只通过现场人工语音控制，引导巡检机器人到达目标读表位置进行读表，这样的单一控制方式导致巡检机器人不能准确到达目标读表位置，更谈不上准备读表；\n(2)自动读表模式过于简单，例如通过椭圆拟合的方式确定仪表表盘的仪表图像中的基本位置及区域范围，但现场可能存在其他近似圆形的部件，这样的读表模式会引入过多的误差，甚至出现错误的检测结果。\n[0006] 因此，为了解决上述缺陷，需要一种新的用于自动读表的变电站巡检机器人，改造现有的变电站巡检机器人的设计结构，保障巡检机器人能够准确到达读表位置，并能够有效地自动识别仪表表盘中的当前读数，提高巡检机器人的可靠性。\n发明内容\n[0007] 为了解决上述问题，本发明提供了一种用于自动读表的变电站巡检机器人，引入远端远程控制指令和近端语音控制指令结合的巡检机器人行进控制模式，先通过远端变电站管理平台的远程控制指令粗调所述巡检机器人行进到目标读表位置，再通过近端现场管理人员的语音控制指令用于细调所述巡检机器人行进到目标读表位置，同时预先存储各类仪表模板以及每一类仪表模板的最大刻度、最小刻度和指针模型，以完成高精度的自动读表操作。\n[0008] 根据本发明的一方面，提供了一种用于自动读表的变电站巡检机器人，所述巡检机器人包括GPS导航设备、存储设备、高清摄像设备、图像处理设备和TMS320LF2407A型号的数字信号处理器DSP，所述存储设备用于预先存储各类仪表模板，以及用于预先存储每一类仪表模板的最大刻度、最小刻度和指针模型，所述高清摄像设备用于拍摄仪表图像，所述图像处理设备与所述高清摄像设备连接以执行图像处理，所述DSP与所述GPS导航设备连接以控制所述巡检机器人的行进位置，还与所述存储设备和所述图像处理设备分别连接，用于控制所述巡检机器人的自动读表。\n[0009] 更具体地，在所述用于自动读表的变电站巡检机器人中，还包括，语音识别设备，包括声音传感器和语音识别芯片，所述声音传感器用于将现场管理人员语音转换为电信号，所述语音识别芯片连接所述声音传感器，用于基于所述电信号生成语音控制指令，所述语音识别芯片采用ICRoute公司的LD3320芯片；无线通讯接口，与远端的变电站管理平台无线连接，以无线接收远程控制指令，所述远程控制指令包括GPS控制指令；机器人驱动机构，用于在所述DSP的控制下，驱动所述巡检机器人的行为动作，所述行为动作包括前进、后退、转向和跨越；直流无刷电动机，与所述机器人驱动机构连接，在所述机器人驱动机构的控制下为所述巡检机器人做出的行为动作提供动力；所述GPS导航设备用于接收GPS导航卫星所提供、所述巡检机器人的当前GPS数据；所述存储设备还用于存储仪表上限灰度阈值和仪表下限灰度阈值，所述仪表上限灰度阈值和所述仪表下限灰度阈值用于将图像中的仪表表盘与背景分离；所述高清摄像设备的采集分辨率为1280×720；所述图像处理设备还包括中值滤波单元、预处理单元、目标识别单元、模板匹配单元和指针位置确定单元，所述中值滤波单元与所述高清摄像设备连接，用于对所述仪表图像滤波以输出滤波图像，所述预处理单元与所述中值滤波单元连接，用于对所述滤波图像进行灰度化处理以输出灰度化图像，所述目标识别单元与所述预处理单元和所述存储设备分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述仪表上限灰度阈值和所述仪表下限灰度阈值之间的像素识别并组成仪表表盘子图像，所述模板匹配单元与所述目标识别单元和所述存储设备分别连接，基于所述仪表表盘子图像在所述存储设备存储的各类仪表模板中查询匹配的目标仪表模板，给出所述目标仪表模板的最大刻度、最小刻度和指针模型，所述指针位置确定单元与所述目标识别单元和所述模板匹配单元分别连接，基于所述仪表表盘子图像识别所述仪表表盘子图像中与所述指针模型匹配的仪表指针，计算识别到的仪表指针与水平方向的指针角度，分别计算所述最大刻度和所述最小刻度与水平方向的最大刻度角度和最小刻度角度，根据指针角度在最大刻度角度和最小刻度角度之间的数值位置，确定仪表读数；所述DSP与所述语音识别设备、所述无线通讯接口、所述机器人驱动机构、所述GPS导航设备、所述存储设备和所述图像处理设备分别连接，根据所述语音控制指令或所述远程控制指令控制所述机器人驱动机构，所述DSP接收所述图像处理设备发送的仪表读数，并将所述仪表读数通过所述无线通讯接口转发到所述变电站管理平台，所述DSP控制所述存储设备的数据存储，所述远程控制指令用于粗调所述巡检机器人行进到目标读表位置，所述语音控制指令用于细调所述巡检机器人行进到目标读表位置；其中，所述DSP无线接收所述变电站管理平台发送的GPS控制指令，所述GPS控制指令包括目标GPS数据，所述DSP控制所述机器人驱动机构行进到所述GPS导航设备发送的当前GPS数据匹配所述目标GPS数据的位置；所述DSP在接收到所述无线通讯接口转发的所述变电站管理平台成功收到仪表读数的返回指令时，控制所述巡检机器人的工作指示灯按预定频率闪烁预定次数，以提示现场管理人员。\n[0010] 更具体地，在所述用于自动读表的变电站巡检机器人中，还包括可充电锂电池，为所述巡检机器人提供供电电源。\n[0011] 更具体地，在所述用于自动读表的变电站巡检机器人中，所述无线通讯接口为WiFi无线通信接口、ZigBee无线通信接口和GPRS无线通信接口中的一种。\n[0012] 更具体地，在所述用于自动读表的变电站巡检机器人中，所述DSP与所述语音识别设备、所述无线通讯接口、所述GPS导航设备、所述存储设备和所述图像处理设备集成在一块集成电路板上。\n[0013] 更具体地，在所述用于自动读表的变电站巡检机器人中，采用北斗星导航设备替换所述GPS导航设备。\n附图说明\n[0014] 以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：\n[0015] 图1为根据本发明实施方案示出的用于自动读表的变电站巡检机器人的结构方框图。\n[0016] 图2为根据本发明实施方案示出的用于自动读表的变电站巡检机器人的语音识别设备的结构方框图。\n具体实施方式\n[0017] 下面将参照附图对本发明的用于自动读表的变电站巡检机器人的实施方案进行详细说明。\n[0018] 随着机器人技术与人工智能技术的发展，采用室外移动式机器人代替人工进行设备巡检已成为可能。\n[0019] 巡检机器人属于电力特种机器人研究范畴，他集机电一体化、多传感器融合、导航定位、路径规划、机器视觉、智能控制，以及无线传输、电磁兼容等技术于一体。\n[0020] 巡检机器人携带了可见光摄像仪、红外热像仪、拾音器、超声波等传感器，采用磁轨迹导航，可按最优路径规划对室外高压设备进行自主或遥控巡视。通过机器视觉、红外测温、声音检测等方法，巡检机器人能采集到设备的红外热图、图像和音频等信息，并自动识别设备的热缺陷、外观异常、开关或刀闸的位置、仪表读数、油位计位置等，生成统一规范的告警事项和巡检报告，向运行人员发出告警信息，并为设备状态检修提供基础数据。\n[0021] 巡检机器人系统还可接入变电站的固定视频监测点，覆盖机器人无法到达的观测死角，实现全站的视频监测。在无人值守、少人值守变电站或智能变电站，尤其在高原、寒冷等地理条件或恶劣天气条件下，巡检机器人可代替或辅助人工完成变电站设备的巡检作业。当完成巡视任务后，机器人便返回充电室自动充电。\n[0022] 本发明的用于自动读表的变电站巡检机器人，通过采用巡检机器人读表位置远端粗调和近端细调结合的方式，能够准确控制巡检机器人到达目标读表位置，同时采用更智能化的自动读表方式，保障了变电站内各种仪表设备读数的正确读取。\n[0023] 图1为根据本发明实施方案示出的用于自动读表的变电站巡检机器人的结构方框图，所述巡检机器人包括GPS导航设备1、存储设备2、高清摄像设备3、图像处理设备4和TMS320LF2407A型号的数字信号处理器DSP 5，所述DSP 5与所述GPS导航设备1、所述存储设备2、所述图像处理设备4分别连接，所述高清摄像设备3与所述图像处理设备4连接，所述存储设备2用于预先存储各类仪表模板，以及用于预先存储每一类仪表模板的最大刻度、最小刻度和指针模型，所述高清摄像设备3用于拍摄仪表图像，所述图像处理设备4用于对所述高清摄像设备3采集的图像执行图像处理，所述DSP 5基于所述GPS导航设备1和所述图像处理设备4的输出控制所述巡检机器人的行进位置和所述巡检机器人的自动读表。\n[0024] 接着，继续对本发明的用于自动读表的变电站巡检机器人的具体结构进行进一步的说明。\n[0025] 参照图2，所述变电站巡检机器人还包括语音识别设备6，包括声音传感器61和语音识别芯片62，所述声音传感器61用于将现场管理人员语音转换为电信号，所述语音识别芯片62连接所述声音传感器61，用于基于所述电信号生成语音控制指令，所述语音识别芯片62采用ICRoute公司的LD3320芯片。\n[0026] 所述变电站巡检机器人还包括无线通讯接口，与远端的变电站管理平台无线连接，以无线接收远程控制指令，所述远程控制指令包括GPS控制指令。\n[0027] 所述变电站巡检机器人还包括，机器人驱动机构，用于在所述DSP的控制下，驱动所述巡检机器人的行为动作，所述行为动作包括前进、后退、转向和跨越；直流无刷电动机，与所述机器人驱动机构连接，在所述机器人驱动机构的控制下为所述巡检机器人做出的行为动作提供动力。\n[0028] 所述GPS导航设备1用于接收GPS导航卫星所提供、所述巡检机器人的当前GPS数据。所述存储设备2还用于存储仪表上限灰度阈值和仪表下限灰度阈值，所述仪表上限灰度阈值和所述仪表下限灰度阈值用于将图像中的仪表表盘与背景分离。所述高清摄像设备3的采集分辨率为1280×720。\n[0029] 所述图像处理设备4还包括中值滤波单元、预处理单元、目标识别单元、模板匹配单元和指针位置确定单元。\n[0030] 所述中值滤波单元与所述高清摄像设备3连接，用于对所述仪表图像滤波以输出滤波图像，所述预处理单元与所述中值滤波单元连接，用于对所述滤波图像进行灰度化处理以输出灰度化图像，所述目标识别单元与所述预处理单元和所述存储设备2分别连接，将所述灰度化图像中灰度值在所述仪表上限灰度阈值和所述仪表下限灰度阈值之间的像素识别并组成仪表表盘子图像，所述模板匹配单元与所述目标识别单元和所述存储设备2分别连接，基于所述仪表表盘子图像在所述存储设备存储的各类仪表模板中查询匹配的目标仪表模板，给出所述目标仪表模板的最大刻度、最小刻度和指针模型。\n[0031] 所述指针位置确定单元与所述目标识别单元和所述模板匹配单元分别连接，基于所述仪表表盘子图像识别所述仪表表盘子图像中与所述指针模型匹配的仪表指针，计算识别到的仪表指针与水平方向的指针角度，分别计算所述最大刻度和所述最小刻度与水平方向的最大刻度角度和最小刻度角度，根据指针角度在最大刻度角度和最小刻度角度之间的数值位置，确定仪表读数。\n[0032] 所述DSP 5与所述语音识别设备6、所述无线通讯接口、所述机器人驱动机构、所述GPS导航设备1、所述存储设备2和所述图像处理设备4分别连接，根据所述语音控制指令或所述远程控制指令控制所述机器人驱动机构，所述DSP 5接收所述图像处理设备4发送的仪表读数，并将所述仪表读数通过所述无线通讯接口转发到所述变电站管理平台，所述DSP 5控制所述存储设备2的数据存储，所述远程控制指令用于粗调所述巡检机器人行进到目标读表位置，所述语音控制指令用于细调所述巡检机器人行进到目标读表位置。\n[0033] 其中，所述DSP 5无线接收所述变电站管理平台发送的GPS控制指令，所述GPS控制指令包括目标GPS数据，所述DSP 5控制所述机器人驱动机构行进到所述GPS导航设备1发送的当前GPS数据匹配所述目标GPS数据的位置；所述DSP 5在接收到所述无线通讯接口转发的所述变电站管理平台成功收到仪表读数的返回指令时，控制所述巡检机器人的工作指示灯按预定频率闪烁预定次数，以提示现场管理人员。\n[0034] 其中，所述变电站巡检机器人还可以包括可充电锂电池，为所述巡检机器人提供供电电源，所述无线通讯接口可选为WiFi无线通信接口、ZigBee无线通信接口和GPRS无线通信接口中的一种，为了提高集成度，可选择将所述DSP 5与所述语音识别设备6、所述无线通讯接口、所述GPS导航设备1、所述存储设备2和所述图像处理设备4集成在一块集成电路板上，以及在所述变电站巡检机器人中，可采用北斗星导航设备替换所述GPS导航设备1。\n[0035] 另外，语音识别是一门交叉学科。近二十年来，语音识别技术取得显著进步，开始从实验室走向市场。人们预计，未来10年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。\n[0036] 语音识别技术所涉及的领域包括：信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等。根据识别的对象不同，语音识别任务大体可分为3类，即孤立词识别(isolated word recognition)，关键词识别(或称关键词检出，keyword spotting)和连续语音识别。其中，孤立词识别的任务是识别事先已知的孤立的词，如“开机”、“关机”等；\n连续语音识别的任务则是识别任意的连续语音，如一个句子或一段话；连续语音流中的关键词检测针对的是连续语音，但他并不识别全部文字，而只是检测已知的若干关键词在何处出现，如在一段话中检测“计算机”、“世界”这两个词。\n[0037] 根据针对的发音人，可以把语音识别技术分为特定人语音识别和非特定人语音识别，前者只能识别一个或几个人的语音，而后者则可以被任何人使用。显然，非特定人语音识别系统更符合实际需要，但他要比针对特定人的识别困难得多。\n[0038] 另外，根据语音设备和通道，可以分为桌面(PC)语音识别、电话语音识别和嵌入式设备(手机、PDA等)语音识别。不同的采集通道会使人的发音的声学特性发生变形，因此需要构造各自的识别系统。\n[0039] 语音识别的应用领域非常广泛，常见的应用系统有：语音输入系统，相对于键盘输入方法，他更符合人的日常习惯，也更自然、更高效。语音控制系统，相对于手动控制来说更加快捷、方便，可以用在诸如工业控制、语音拨号系统、智能家电、声控智能玩具等许多领域。\n[0040] 另外，数字信号处理器(DSP，即Digital Signal Processor)是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。\n数字信号处理器并非只局限于音视频层面，他广泛的应用于通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域。以往是采用通用的微处理器来完成大量数字信号处理运算，速度较慢，难以满足实际需要；而同时使用位片式微处理器和快速并联乘法器，曾经是实现数字信号处理的有效途径，但此方法器件较多，逻辑设计和程序设计复杂，耗电较大，价格昂贵。数字信号处理器DSP的出现，很好的解决了上述问题。DSP可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。\n[0041] 采用本发明的用于自动读表的变电站巡检机器人，针对现有变电站巡检机器人的行进位置控制模式单一、自动读表精度不高的技术问题，利用网络技术和语音识别技术，将远程位置控制和近程位置控制结合，保障巡检机器人能够准确到达预定读表位置，另外，改造现有的自动读表技术，采用更智能化的图像处理方式实现高精度、高兼容性的自动读表，提高了变电站巡检机器人的工作效率。\n[0042] 可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。