水电站GIS设备巡检机器人巡检路线制定系统及制定方法

技术领域

本发明属于水电站设备巡检技术领域，具体为水电站GIS设备巡检机器人巡检路线制定系统及制定方法。

背景技术

水电站由水力系统、机械系统和电能产生装置等组成，是实现水能到电能转换的水利枢纽工程，电能生产的可持续性要求水电站水能的利用具有不间断性。通过水电站水库系统的建设，人为地调节和改变水力资源在时间和空间上的分布，实现对水力资源的可持续利用。为了将水库中的水能有效地转化为电能，水电站需要通过一个水机电系统来实现，该系统主要由压力引水管、水轮机、发电机和尾水管等组成。水电站在日常使用过程中，需要对GIS设备进行巡检。

但是常见的路线制定的速度较慢，使得人们在使用过程中，不能快速高效的进行路线的制定。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供水电站GIS设备巡检机器人巡检路线制定系统及制定方法。

本发明采用的技术方案如下：水电站GIS设备巡检机器人巡检路线制定系统及制定方法，包括启动模块、数据采集模块、图像处理模块、算法计算模块、路线优化模块、无线通信模块、人机交互模块、编码模块、初始解生成模块、构建适应度函数模块、选择算子模块、交叉操作模块和变异算子模块，所述启动模块的输出端连接有所述数据采集模块的输入端，所述数据采集模块的输出端连接有所述图像处理模块的输入端，所述图像处理模块的输出端连接有所述算法计算模块的输入端，所述算法计算模块的输出端连接有所述路线优化模块的输入端，所述路线优化模块的输出端连接有所述无线通信模块的输入端，所述无线通信模块的输出端连接有所述人机交互模块的输入端。

在一优选的实施方式中，所述算法计算模块的内部设置有编码模块、初始解生成模块、构建适应度函数模块、选择算子模块、交叉操作模块和变异算子模块，所述编码模块、初始解生成模块、构建适应度函数模块、选择算子模块、交叉操作模块和变异算子模块的输出端连接有所述算法计算模块的输入端。

在一优选的实施方式中，所述数据采集模块获取各种传感器的数据信息。

在一优选的实施方式中，所述图像处理模块使用高位相机和低位相机系统；高位相机同时拍摄的图像视野涵盖多条路道，使用高清相机系统调整曝光度及对比度来保证相机拍摄道路的清晰度，且图像颜色阈值达到较好的视觉效果；低位相机系统由彩色摄像头与主控芯片组成。

在一优选的实施方式中，所述编码模块寻找一个存在映射关系的空间，将这个空间称做编码空间；编码的方式分为二进制编码、格雷码编码、浮点数编码、符号编码和排列编码；所述初始解生成模块在运用遗传算法寻优前，将问题的一个解作为算法初始时的种群，然后对初始种群进行初始化操作。

在一优选的实施方式中，所述构建适应度函数模块是算法后续迭代和优化的基础，是满足各种约束条件的随机生成的解。

在一优选的实施方式中，所述交叉操作模块利用多维数组对两侧行车线的像素点进行采集，滤波后根据相应情况进行曲线拟合。

在一优选的实施方式中，所述路线优化模块采用改进的RRT算法进行路径优化计算，RRT算法代码为：

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在一优选的实施方式中，所述无线通信模块以选用无线的通讯方式进行上位机与机器人之间的通讯；无线通讯的工作方式为：通过无线路由器建立局域网，实现上位机与下位机中工控机的通讯，上位机与工控机的通讯主要用于传输传感器感测的信息、电机的状态信息以及一些控制命令；下位机中的工控机和底层驱动器之间，由于底层控制器的无线通讯模块抗干扰能力差，所以通过有线连接实现通讯，从而进行电机命令的发送和电机状态信息的传输。

在一优选的实施方式中，所述人机交互模块通过设计编写相关的转换程序，人机交互部分可以实现在上位机中显示机器人的实时运行速度、电机转速等运行状态，在遇到突发情况时可以实现机器人的紧急停车；后台工作人员通过机器人所携带的巡检摄像头可以实时观测到巡检线路上的停靠点状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，路线优化模块通过基于目标的改进RRT算法得到扩展随机树T，然后对扩展随机树T，进行局部优化得到局部路径P，接着对局部路径P进行全局优化得到全局路径P，最后使用三阶B样条基函数对全局路径P上的路径点进行拟合得到最终路径Pa，从而提高了在进行路线制定时的速度，提高了该系统在运行时的工作效率。

2、本发明中，图像处理模块配合数据采集模块，在对采集得到的数据进行处理，低位车载数据侧重于机器人本体附近区域，可以避免一些对高位摄像头的遮挡，采集远端视角盲区，利于提取当前路道数据；高位相机采集全方向更大区域的数据，解决机器人本体相互之间的遮挡，便于本路道之外的路道提取，扩大视角范围，从而使得该系统在后续的路径优化过程中得到了更多的参考数据，增加了制定路线的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中算法计算模块系统框图。

图中标记：1-启动模块、2-数据采集模块、3-图像处理模块、4-算法计算模块、5-路线优化模块、6-无线通信模块、7-人机交互模块、8-编码模块、9-初始解生成模块、10-构建适应度函数模块、11-选择算子模块、12-交叉操作模块、13-变异算子模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-2，

水电站GIS设备巡检机器人巡检路线制定系统及制定方法，包括启动模块1、数据采集模块2、图像处理模块3、算法计算模块4、路线优化模块5、无线通信模块6、人机交互模块7、编码模块8、初始解生成模块9、构建适应度函数模块10、选择算子模块11、交叉操作模块12和变异算子模块13，启动模块1的输出端连接有数据采集模块2的输入端，数据采集模块2的输出端连接有图像处理模块3的输入端，图像处理模块3的输出端连接有算法计算模块4的输入端，算法计算模块4的输出端连接有路线优化模块5的输入端，路线优化模块5的输出端连接有无线通信模块6的输入端，无线通信模块6的输出端连接有人机交互模块7的输入端。

算法计算模块4的内部设置有编码模块8、初始解生成模块9、构建适应度函数模块10、选择算子模块11、交叉操作模块12和变异算子模块13，编码模块8、初始解生成模块9、构建适应度函数模块10、选择算子模块11、交叉操作模块12和变异算子模块13的输出端连接有算法计算模块4的输入端。

数据采集模块2获取各种传感器的数据信息，比如二维激光雷达扫描的二维环境信息，超声波传感器获取机器人运行时前方2m内的环境信息以及巡检摄像头获取巡检线路上停靠点的实时视频信息等。在数据获取后通过编写的相关驱动程序，后台人员在机器人运行时若前方突然出现障碍物或者巡检线路上停靠点设备出现异常时可以人工遥控机器人运行以便后续操作。

图像处理模块3使用高位相机和低位相机系统；高位相机同时拍摄的图像视野涵盖多条路道，使用高清相机系统调整曝光度及对比度来保证相机拍摄道路的清晰度，且图像颜色阈值达到较好的视觉效果；低位相机系统由彩色摄像头与主控芯片组成。

编码模块8寻找一个存在映射关系的空间，将这个空间称做编码空间。编码的方式大致可以分为二进制编码、格雷码编码、浮点数编码、符号编码和排列编码；初始解生成模块9在运用遗传算法寻优前，需要将问题的一个解作为算法初始时的种群，然后对初始种群进行初始化操作。初始化种群的方法主要有两步式、定值法和随机法等几类。初始种群越大，遗传算法得到的解精度越高。但初始种群太大，会导致遗传算法运行速度变慢，计算效率变低，选择算子模块11选择合适遗传的个体，剔除不合适遗传的个体。目前，选择算子方法主要有最优保存策略选择、比例选择方法。

构建适应度函数模块10是算法后续迭代和优化的基础，是满足各种约束条件的随机生成的解。不同的问题有不同的方法生成初始解。一般来说，穷举法和插入法生成的初始解质量要优于随机法生成的初始解质量，在此基础上优化的最优解质量一般更好。

交叉操作模块12利用多维数组对两侧行车线的像素点进行采集，滤波后根据相应情况进行曲线拟合。计算路道轨迹及可行进位置并标注。再由两侧边界线向中间扫描，将可行域拟合成前端行驶路径。同时，对突然出现的障碍物进行提前预警，改变行驶路径传输给机器人，最终将当前路径与前端行驶路径拟合，控制机器人，实现路径优化，提高路道利用率及行驶鲁棒性和安全性，达到提前变道及规避；变异算子模块13对种群中部分染色体的某些基因做数值的变动，使算法运算得到的精度更高，且使用变异操作可以使遗传算法的种群保持多样性。变异算子模块13的变异操作方法主要有两种：基本变异和逆变变异

路线优化模块5采用改进的RRT算法进行路径优化计算，RRT算法代码为：

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无线通信模块6以选用无线的通讯方式进行上位机与机器人之间的通讯。无线通讯的工作方式为：通过无线路由器建立局域网，实现上位机与下位机中工控机的通讯，上位机与工控机的通讯主要用于传输传感器感测的信息、电机的状态信息以及一些控制命令；下位机中的工控机和底层驱动器之间，由于底层控制器的无线通讯模块抗干扰能力差，所以通过有线连接实现通讯，从而进行电机命令的发送和电机状态信息的传输。

人机交互模块7通过设计编写相关的转换程序，人机交互部分可以实现在上位机中显示机器人的实时运行速度、电机转速等运行状态，在遇到突发情况时可以实现机器人的紧急停车；后台工作人员通过机器人所携带的巡检摄像头可以实时观测到巡检线路上的停靠点状态。

本发明中，路线优化模块5通过基于目标的改进RRT算法得到扩展随机树T，然后对扩展随机树T，进行局部优化得到局部路径P，接着对局部路径P进行全局优化得到全局路径P，最后使用三阶B样条基函数对全局路径P上的路径点进行拟合得到最终路径Pa，从而提高了在进行路线制定时的速度，提高了该系统在运行时的工作效率。

本发明中，图像处理模块3配合数据采集模块2，在对采集得到的数据进行处理，低位车载数据侧重于机器人本体附近区域，可以避免一些对高位摄像头的遮挡，采集远端视角盲区，利于提取当前路道数据；高位相机采集全方向更大区域的数据，解决机器人本体相互之间的遮挡，便于本路道之外的路道提取，扩大视角范围，从而使得该系统在后续的路径优化过程中得到了更多的参考数据，增加了制定路线的准确性。

需要说明的是，在中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。