一种避免强光干扰机器人探沟的方法

技术领域

本发明涉及机器人探沟技术领域，尤其涉及一种避免强光干扰机器人探沟的方法。

背景技术

随着巡检机器人在变电站环境中的广泛应用，自主导航、避障、等位等的智能化需求也不断提高。对机器人所处场景的准确识别是实现变电站巡检机器人自主巡检的关键技术之一。路径上容易发生变化且会中断机器人巡检任务的场景主要是障碍物与沟壑，其中沟壑的有效识别可以避免机器人发生不可逆的损伤事故，现有方案主要通过激光雷达、超声传感器、相机来实现巡检机器人的探沟功能，但是其中低分辨率激光雷达获取很少的场景信息，而高分辨率激光雷达价格昂贵，超声传感器响应速度慢且准确性比较低，只能提供距离信息而不能提供目标方位和目标边界，采用双目视觉测距的相机无法在夜间使用，不能保证巡检机器人自主导航，采用TOF或者结构光测距的深度相机探测精度高，但是容易收到环境光影响，如夏季室外强光下，深度信息会受到很大干扰，导致机器人无法准确探沟。

为此，我们提出一种避免强光干扰机器人探沟的方法。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种避免强光干扰机器人探沟的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种避免强光干扰机器人探沟的方法，所述对深度相机进行安装校准和视野校准具体包括：

(1).根据权利要求1所述的一种避免强光干扰机器人探沟的方法，其特征在于：所述将机器人置于空旷地面，深度相机获取深度信息，并将深度信息转换为点云信息，点云特征描述指的是，将模型与场景对应的无序点集通过特定的算法编码为低维的特征向量，用此来表征对象的局部或者全局信息，其应当具有足够的描述力与稳定性,三维目标识别则主要是指，利用模型与场景的表征结果，在场景中识别出目标物体，并估计出其对应的位置与姿态，对于特征描述与目标识别，然而如何在包含噪声、干扰、遮挡与密度变化的复杂非结构化环境中提取有效而稳定的特征。

(2).根据权利要求(1)所述的一种避免强光干扰机器人探沟的方法，其特征在于：所述以机器人前两轮轮距中心的地面投影点为机器人坐标系，对点云进行坐标转换，将深度相机坐标系下的点云信息转化到机器人坐标系下，这一过程进行了从三维坐标到二维坐标的转换，也即投影透视过程(用中心投影法将物体投射到投影面上，从而获得的一种较为接近视觉效果的单面投影图，也就是使我们人眼看到景物近大远小的一种成像方式)。

作为优选，所述对机器人坐标系下的点云采用RANSAC算法拟合平面，计算该平面相对水平面的位置平移和姿态旋转，针对一个点云，进行多平面拟合的基本思想是：首先使用RANSAC平面拟合算法从点云中提取出一个平面，对于剩下的外点，继续循环RANSAC平面拟合算法提取平面，直到提取出所有的平面，循环时注意循环停止条件的设置。

作为优选，所述RANSAC是一种随机参数估计算法，RANSAC从样本中随机抽选出一个样本子集，使用最小方差估计算法对这个子集计算模型参数，然后计算所有样本与该模型的偏差，再使用设定好的阈值与偏差进行比较，当偏差小于阈值，该样本点属于模型内样本点，称为内点，否则为外点，每次迭代都记录当前内点个数，根据期望的误差率、内点数、总样本数、当前迭代次数设置一个迭代结束判断条件，迭代结束后，最佳模型就是内点个数最多的点云估计的模型。

作为优选，所述处理后的点云进行垂直投影和侧向投影处理，基于投影的方法实现三维点云的单视图或多视图投影，生成二维网格，然后对其进行处理以找到具有所需置信度的目标物，同时不可避免地造成空间信息的丢失,体积卷积方法首先进行点云体素化，将三维点云表示为规则间隔的三维体素网格,点强度、高度、密度和占用率等特征都是从相应的特定体素单元内的点云手动提取的,然后采用三维卷积来处理这些体素。这些方法对点云的空间信息进行了清晰的编码，与基于投影的方法相比，信息丢失少，从而获得了较高的检测精度,设置体素栅格得分阈值，如果点云数大于得分阈值则进行累加计算，否则舍弃该体素栅格的得分，统计在投影平面下的得分累加之和。

作为优选，所述点云中最大孔洞连通域占据网格数量，如果网格数大于阈值，则判断为沟壑，否则判断为强光干扰，设置总得分阈值，垂直投影的得分与侧向投影的得分都低于总得分阈值，则判断为杂草，否则判断为障碍，遇到凸障碍时：通过激光测距模组，获取激光测距模组与障碍物之间的距离，工控机根据基于获取的距离，根据三角函数计算出障碍物高度，将计算出的障碍物高度与预设机器人的越障能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警，遇到凹障碍时，通过激光测距模组，获取激光测距模组与凹障碍底部之间的距离，工控机基于获取的距离，根据三角函数计算出障碍物深度，将计算出的障碍物深度与预设机器人的探沟能力比较，作出如下动作的一种或多种，翻越、刹车、报警。

作为优选，所述强光干扰:环境光强太强而调制度太低则会影响解码的待求相位，进而影响点云质量,LED的光机对应的pattern，随着模拟的环境光强由0增加至3300lux，相机拍摄到的环境光强由0增加至100像素，而调质度在0lux时为10pixel，且能保持一定的余弦形貌，在3300lux时基本上被环境光强带来的噪声所掩盖，很难看到余弦形貌,激光光机，调制度在0lux时为20pixel，在3300lux时依然能保持25pixel的调制度，能够保持基本的余弦形貌，环境光强的影响不大,如果是强光干扰，则机器人继续前进,如果是沟壑，则机器人采取避让措施。

作为优选，所述包括在沟道内部安装部分固定传感器，监测沟道内温湿度和空气环境情况，巡检机器人进入沟道中巡检电缆桥架上的线缆有无破损和异常发热，沟道内部设施完整性及异常状况；机器人通过标记沟道ID的二维码智能出入沟道进行巡检作业，以串口总线、Lora无线传输和无线WiFi为骨干的通讯技术，可实现沟道采集数据的无线长距离传输，采用沟道盖板开启机构、机器人进出沟道机构、自动巡检机器人等装置、样机，可实现巡检机器人在巡检期间的无障碍移动和数据传。

作为优选，所述机器人设置有双目相机、底层控制板、工控机、双光相机、Lora无线模块、陀螺仪和激光测距模组，双目相机，用于建图及定位，底层控制板用于控制机器人运动，工控机用于处理双目相机和底层控制板返回的数据，进行导航算法的计算，用于与操作人员的PC机进行交互，双光相机，用于探查沟道内部有无异物，电缆是否破损和温度异常，向外部传输电缆内部图像员，Lora无线模块用于与沟道内部的微控制器进行数据交互，陀螺仪用于返回机器人的朝向角数据，用于导航计算，激光测距模组用于返回沟道内部的凹凸障碍的距离。

作为优选，所述底层控制板通过斜坡通道控制机器人进入电缆沟道，开始巡检：双光相机检测电缆是否有破损，通过红外检测电缆是否有温度异常；沟道内部的微控制器将采集到的固定传感器数据发送给机器人；机器人将接收的采集数据通过工控机的内置无线传输模块发送给沟道外的PC端。

作为优选，所述机器人到达电缆沟道尽头，行走方式由前进变成后退；机器人退出沟道后，通过Lora无线模块向沟道内的微控制器发送关闭沟道盖板的控制指令。

有益效果

本发明提供了一种避免强光干扰机器人探沟的方法。具备以下有益效果：

(1)、一种避免强光干扰机器人探沟的方法，在使用时，采用结构光深度相机获取环境点云，考虑强光干涉下点云特征的变化，以最大孔洞面积消除变电站环境下强阳光对巡检机器人探沟的干涉，保证机器人自主巡检的效率和安全，首先将机器人置于空旷地面，深度相机获取深度信息，并将深度信息转换为点云信息，在场景中识别出目标物体，并估计出其对应的位置与姿态，对于特征描述与目标识别，然而如何在包含噪声、干扰、遮挡与密度变化的复杂非结构化环境中提取有效而稳定的特征，将深度相机坐标系下的点云信息转化到机器人坐标系下，这一过程进行了从三维坐标到二维坐标的转换，也即投影透视过程。

(2)、一种避免强光干扰机器人探沟的方法，将点云采用RANSAC算法拟合平面，计算该平面相对水平面的位置平移和姿态旋转，RANSAC是一种随机参数估计算法，RANSAC从样本中随机抽选出一个样本子集，使用最小方差估计算法对这个子集计算模型参数，然后计算所有样本与该模型的偏差，再使用设定好的阈值与偏差进行比较，当偏差小于阈值，该样本点属于模型内样本点，称为内点，否则为外点，每次迭代都记录当前内点个数，根据期望的误差率、内点数、总样本数、当前迭代次数设置一个迭代结束判断条件，迭代结束后，最佳模型就是内点个数最多的点云估计的模型。

(3)、一种避免强光干扰机器人探沟的方法，预处理后的点云进行垂直投影和侧向投影处理，基于投影的方法实现三维点云的单视图或多视图投影，生成二维网格，然后对其进行处理以找到具有所需置信度的目标物，将三维点云表示为规则间隔的三维体素网格,点强度、高度、密度和占用率等特征都是从相应的特定体素单元内的点云手动提取的,然后采用三维卷积来处理这些体素，这些方法对点云的空间信息进行了清晰的编码，与基于投影的方法相比，信息丢失少，从而获得了较高的检测精度。

(4)、一种避免强光干扰机器人探沟的方法，机器人的垂直投影的得分与侧向投影的得分都低于总得分阈值，则判断为杂草，否则判断为障碍，根据三角函数计算出障碍物高度，将计算出的障碍物高度与预设机器人的越障能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警。

(5)、一种避免强光干扰机器人探沟的方法，环境光强太强而调制度太低则会影响解码的待求相位，进而影响点云质量,LED的光机对应的pattern，随着模拟的环境光强由0增加至3300lux，相机拍摄到的环境光强由0增加至100像素，而调质度在0lux时为10pixel，且能保持一定的余弦形貌，如果是强光干扰，则机器人继续前进,如果是沟壑，则机器人采取避让措施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其他的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1是流程图；

图2是机器人深度相机安装位置示意图；

图3是机器人深度相机视野示意图；

图4是机器人基坐标系的位置示意图；

图5是垂直投影点云网格化处理后的示意图；

图6是强光环境下，深度相机可见光视野地面示意图；

图7是强光环境下，机器人在平地上面，垂直投影点云的示意图；

图8是机器人在窄沟垂直投影点云的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的工作原理：在使用时，采用结构光深度相机获取环境点云，考虑强光干涉下点云特征的变化，以最大孔洞面积消除变电站环境下强阳光对巡检机器人探沟的干涉，保证机器人自主巡检的效率和安全，首先将机器人置于空旷地面，深度相机获取深度信息，并将深度信息转换为点云信息，在场景中识别出目标物体，并估计出其对应的位置与姿态，对于特征描述与目标识别，然而如何在包含噪声、干扰、遮挡与密度变化的复杂非结构化环境中提取有效而稳定的特征，将深度相机坐标系下的点云信息转化到机器人坐标系下，这一过程进行了从三维坐标到二维坐标的转换，也即投影透视过程。

将点云采用RANSAC算法拟合平面，计算该平面相对水平面的位置平移和姿态旋转，RANSAC是一种随机参数估计算法，RANSAC从样本中随机抽选出一个样本子集，使用最小方差估计算法对这个子集计算模型参数，然后计算所有样本与该模型的偏差，再使用设定好的阈值与偏差进行比较，当偏差小于阈值，该样本点属于模型内样本点，称为内点，否则为外点，每次迭代都记录当前内点个数，根据期望的误差率、内点数、总样本数、当前迭代次数设置一个迭代结束判断条件，迭代结束后，最佳模型就是内点个数最多的点云估计的模型。

预处理后的点云进行垂直投影和侧向投影处理，基于投影的方法实现三维点云的单视图或多视图投影，生成二维网格，然后对其进行处理以找到具有所需置信度的目标物，将三维点云表示为规则间隔的三维体素网格,点强度、高度、密度和占用率等特征都是从相应的特定体素单元内的点云手动提取的,然后采用三维卷积来处理这些体素，这些方法对点云的空间信息进行了清晰的编码，与基于投影的方法相比，信息丢失少，从而获得了较高的检测精度。

机器人的垂直投影的得分与侧向投影的得分都低于总得分阈值，则判断为杂草，否则判断为障碍，根据三角函数计算出障碍物高度，将计算出的障碍物高度与预设机器人的越障能力比较，作出如下动作的一种或多种：翻越、刹车、报警。

环境光强太强而调制度太低则会影响解码的待求相位，进而影响点云质量,LED的光机对应的pattern，随着模拟的环境光强由0增加至3300lux，相机拍摄到的环境光强由0增加至100像素，而调质度在0lux时为10pixel，且能保持一定的余弦形貌，如果是强光干扰，则机器人继续前进,如果是沟壑，则机器人采取避让措施。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。