[发明专利]一种基于视觉导航的变电站自动构图机器人及方法

权利要求书

1.一种基于视觉导航的变电站自动构图机器人，其特征是：包括机器人平台、工控机、行程测量装置、视觉导航装置、激光雷达和行走机构，其中，机器人平台下端设置行走机构，机器人平台上设置有工控机，工控机连接行程测量装置，行程测量装置接收测速传感器信号，机器人平台前端固定有视觉导航装置和激光雷达，激光雷达对环境进行扫描；

所述视觉导航装置，安装于机器人平台上，包括摄像机，摄像机通过通信线与工控机连接；所述视觉导航装置对机器人平台自主运动路径上的前端路径和周围参考物图像进行采集；

所述摄像机采集的图像垂直中轴线垂直于机器人平台行走机构的中心轴延长线，机器人保持在有效路径中心位置并沿路径延长线自主导航运动。

2.一种基于如权利要求1所述的机器人的构图方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)在目标构图区域内，在机器人构图过程开始之前，给视觉导航装置和工控机运动控制系统设定运动方向和运动速度；

(2)以机器人行程测量装置开始工作的位置作为原点(0,0,0)建立直角坐标系；

(3)行程测量装置对机器人的航迹进行推算，激光雷达对环境数据进行扫描，通过视觉导航装置采集图像并进行视觉图像处理确认机器人行走路径边缘延伸线与图像垂直中轴线的夹角和横向中心位置偏差的偏差，对机器人位置和航向进行校正，使机器人保持在有效路径中心位置并沿路径延长线自主导航运动；

(4)利用同步定位与地图构建方法，根据激光雷达采集的环境数据对扫描区域进行构图，形成局部地图；

(5)重复步骤(3)-(4)，循环迭代并将局部地图进行融合，输出全局地图。

3.如权利要求2所述的构图方法，其特征是：所述步骤(3)中，激光雷达采集的信息包括采样旋转角度和该角度对应反射点的距离。

4.如权利要求2所述的构图方法，其特征是：所述步骤(3)中，视觉导航装置是对机器人平台自主运动路径上的前端路径和周围参考物图像进行采集，并对图像进行标定、关注区域模型提取和特征提取处理，得出行走路径边缘延伸线与图像垂直中轴线的夹角和横向中心位置偏差，该夹角即为此时刻机器人平台相对于马路边缘延长线的航向角偏差，该横向中心位置偏差即为机器人位置与马路路径中心的位置偏差。

5.如权利要求2所述的构图方法，其特征是：所述步骤(3)中，视觉导航装置工作步骤包括：

(3-1)采集图像并进行图像标定，使用相机标定阶段获取的标定参数对每一帧图像进行标定，以消除相机镜头带来的图像畸变；

(3-2)对彩色对象进行颜色模型提取，将彩色图像转换为HIS控件模型；

(3-3)图像二值化，使用阈值处理将灰度图像转换为二值图像；

(3-4)形态学处理，通过图像结构元素对图像路径边缘特征进行度量和提取，通过腐蚀和膨胀的形态学方法对图像处理以方便对路径边缘特征的识别和分析；

(3-5)目标特征提取和参数计算，目标特征提取使用的方法是使用8连通域对图像进行扫描；特征提取出来之后，通过边缘检测确定每行目标特征中心点坐标，通过粒子分析计算出路径边缘特征延长线与图像垂直中轴线的夹角即航向偏差，并通过计算各特征中心点坐标平均值，确定机器人本体在路径中心的横向位置偏差；因为机器人在该过程中的导航不需要精确的路径控制，所以使用PID控制算法对电机进行差速控制，通过横向位置偏差和航向偏差进行比例微分控制，实现机器人在有效路径中心位置沿路径延长线自主导航运动，从而实现自主环境数据采集。

6.如权利要求2所述的构图方法，其特征是：所述步骤(4)中，地图构建采用离线或在线两种形式，离线处理即完成整个构图区域的数据采集之后在数据融合地图构建的方式；在线处理即在环境数据采集过程中实时对采集到的数据同步进行处理，在该实施例中采用的是在线地图构建的方式，工控机内部的构图模块采用同步定位与地图构建方法根据激光雷达采集到的环境数据对扫描区域进行构图。