基于虛擬定標(biāo)線的巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航設(shè)計(jì)研究

摘要：巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向并可顯著提升導(dǎo)航效率。本文設(shè)計(jì)出了一種基于虛擬定標(biāo)線技術(shù)的巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，旨在通過(guò)改變巡檢形式來(lái)提升巡檢成效，并最終在時(shí)代發(fā)展需求中，持續(xù)服務(wù)導(dǎo)航提供工作。

關(guān)鍵詞：虛擬定標(biāo)線;巡檢機(jī)器人;視覺(jué)導(dǎo)航;設(shè)計(jì)

0 ?引言

巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)以智能化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，與時(shí)代相稱(chēng)并在設(shè)計(jì)方法上滲透現(xiàn)代化技術(shù);在視覺(jué)導(dǎo)航上做出嚴(yán)肅處理，并在后續(xù)工作運(yùn)維中，達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)。機(jī)器視覺(jué)（Machine Vision）即以巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航作為人工智能領(lǐng)域中發(fā)展迅速的一個(gè)重要分支，不斷突破、走向成熟。機(jī)器視覺(jué)“是通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動(dòng)地接受和處理一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的圖像，通過(guò)分析圖像獲得所需信息或用于控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的裝置”，證實(shí)基于虛擬定標(biāo)線技術(shù)涉及的智能圖像處理技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)中占有舉足輕重的位置。相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)則分析如下：

1 ?設(shè)計(jì)所涉技術(shù)概述

以設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)虛擬定標(biāo)線技術(shù)的應(yīng)用為例，通過(guò)融合計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)來(lái)作為本次巡檢機(jī)器人的重要科學(xué)技術(shù)形式之一，為巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)尋求CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)空間等組合資源支持的操作環(huán)境，以便于在資源配置上更具優(yōu)勢(shì)。

控制巡檢機(jī)器人虛擬定標(biāo)線技術(shù)的運(yùn)用，是沿著導(dǎo)航線移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，是機(jī)器人對(duì)導(dǎo)航線方位和距離精準(zhǔn)定位的過(guò)程;虛擬定標(biāo)線以現(xiàn)代圖像處理的優(yōu)勢(shì)，在檢測(cè)到信號(hào)與導(dǎo)航線與相應(yīng)位置融合中實(shí)現(xiàn)極速化控制，利用模糊控制策略，對(duì)機(jī)器人沿著導(dǎo)航線的行走進(jìn)行控制，降低機(jī)器人運(yùn)作環(huán)節(jié)與實(shí)際偏離角度和距離等較大問(wèn)題。

2 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能

巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航自動(dòng)化的發(fā)展，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)械電氣設(shè)備型號(hào)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息采集及其絕緣監(jiān)測(cè)等成為了可能。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)降低運(yùn)維工作數(shù)量，演唱巡視檢修工作中后期等具有重要的意義。基于虛擬定標(biāo)線的巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在滿(mǎn)足預(yù)設(shè)工作效果，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)作用優(yōu)選及其功能優(yōu)勢(shì)，最終與巡檢工作實(shí)踐中，相應(yīng)的以戰(zhàn)略性、科學(xué)化、合理化方法，滿(mǎn)足當(dāng)前工作良性需求。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理創(chuàng)建子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)，直接與主板結(jié)構(gòu)（AT、Baby-AT、ATX、Micro ATX、LPX、NLX、Flex ATX、EATX、WATX以及BTX等）、PMAC2A-104運(yùn)動(dòng)控制卡一道，連同電機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)器等內(nèi)容，對(duì)方便機(jī)器人實(shí)際巡檢，嚴(yán)格控制運(yùn)動(dòng)和行為起效良好。以光伏電站巡檢清潔無(wú)人機(jī)為例，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要訣中包括信息數(shù)據(jù)收集、諸多技術(shù)方式采用、臨床巡檢路徑開(kāi)辟等，均需在系統(tǒng)實(shí)時(shí)化場(chǎng)景尋求數(shù)據(jù)建模及其集合的融通路徑。設(shè)計(jì)對(duì)局進(jìn)行局部整合、規(guī)劃搜集、滲透力學(xué)控制、算法、承受速度等管理控制中，使得設(shè)計(jì)效果于設(shè)計(jì)質(zhì)量得到全面提升。

3 ?設(shè)計(jì)路徑

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為進(jìn)一步提高巡檢工作效率及適用范圍，設(shè)計(jì)出個(gè)性自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，需從基本初級(jí)自動(dòng)巡檢著手，配合PCA、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等進(jìn)行測(cè)試，力圖達(dá)到開(kāi)發(fā)應(yīng)用效果。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)：自主規(guī)劃實(shí)現(xiàn)，即方向控制、障礙物識(shí)別與規(guī)避等;彌補(bǔ)以往巡檢中的人力消耗過(guò)大問(wèn)題，解決緊急情況巡檢員人工操作控制能力和技術(shù)水平不足的缺憾。

3.2 設(shè)計(jì)特征

機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)分布式三層構(gòu)架為框架，包括基站層、通訊層和終端層。發(fā)揮在任意巡檢檢查工作設(shè)定時(shí)間任意任務(wù)完成的功能;日常巡檢中的可見(jiàn)光攝像頭、紅外測(cè)溫、自主和遙控巡檢、圖像遙傳功能、自動(dòng)停障、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)本身狀態(tài)信息采集及分析功能、巡檢系統(tǒng)歷史事件查詢(xún)、各巡檢設(shè)備數(shù)據(jù)分析和報(bào)表制作、智能報(bào)警等諸多功能;基于紅外專(zhuān)家?guī)斓脑O(shè)備紅外圖片手動(dòng)分析功能;最優(yōu)路徑規(guī)劃功能;對(duì)講與喊話功能;具備微氣象信息采集系統(tǒng)。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.4 調(diào)試檢測(cè)

主要內(nèi)容包括巡視一次設(shè)備巡檢系統(tǒng)通道確立，二次設(shè)備巡檢實(shí)現(xiàn)困難。紅外測(cè)溫系統(tǒng)因環(huán)境因素如高桿燈、月光等造成誤差。通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)標(biāo)簽點(diǎn)的位置和坐臺(tái)的轉(zhuǎn)向來(lái)進(jìn)行規(guī)避。對(duì)六氟化硫泄漏情況及位置判斷中，增設(shè)可檢測(cè)遠(yuǎn)距離的六氟化硫檢漏儀等加以調(diào)試。

3.5 核心硬件

系統(tǒng)所用硬件核心，包括舵機(jī)機(jī)器人的硬件組裝、PID控制算法的分析、控制程序的編寫(xiě)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析等過(guò)程。其中算法設(shè)計(jì)中，就循跡部分讀取灰度傳感器數(shù)值、前進(jìn)后退算法、循跡算法及其編碼器等核心硬件，來(lái)達(dá)到視覺(jué)控制效果。

3.6 設(shè)計(jì)路徑選擇

視覺(jué)導(dǎo)航設(shè)計(jì)軌線類(lèi)型的選擇，設(shè)計(jì)機(jī)器人預(yù)先行走路線、保證設(shè)備可以按照線路軌跡持續(xù)運(yùn)動(dòng)。為機(jī)器人運(yùn)作營(yíng)設(shè)較為良好的路面環(huán)境，并不受其他控制。

視覺(jué)處理設(shè)計(jì)上，視頻采集系統(tǒng)與技術(shù)的合理使用，視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)在車(chē)體前部，并與當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況與設(shè)計(jì)特點(diǎn)、要求等控制位置相吻合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)件選擇與各種模塊綜合組建和處理相互匹配，在各個(gè)模塊上對(duì)視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能、目標(biāo)力、協(xié)調(diào)控制力、預(yù)設(shè)工作效果水平中發(fā)揮了明顯的處理優(yōu)勢(shì)。

圖像處理層面，設(shè)計(jì)出的機(jī)器人包括載物臺(tái)底部所設(shè)行走機(jī)構(gòu)、重量感應(yīng)機(jī)構(gòu)、貨物固定機(jī)構(gòu)、支撐臺(tái)（內(nèi)部容納腔、腔內(nèi)固定安裝控制器和主處理器），支撐臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu)并與之鉸接，支撐臺(tái)頂端設(shè)有支撐桿，支撐桿頂端設(shè)有圖像采集機(jī)構(gòu)，底端通過(guò)帶座軸承并與支撐臺(tái)活動(dòng)連接;/n圖像采集機(jī)構(gòu)包括CCD相機(jī)（3），CCD相機(jī)、支撐桿的頂端固定連接，支撐桿（4）上固定連接第一從動(dòng)齒輪，頂端靠近支撐桿位置設(shè)有第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸固定連接第一主動(dòng)齒輪，第一主動(dòng)齒輪……

4 ?設(shè)計(jì)可行性報(bào)告

計(jì)算機(jī)視覺(jué)它本身的也是一個(gè)很基礎(chǔ)的學(xué)科，可以跟各個(gè)學(xué)科做交叉，同時(shí)內(nèi)部還細(xì)化到機(jī)器視覺(jué)、圖像處理、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等內(nèi)容。多智時(shí)代專(zhuān)注于人工智能和大數(shù)據(jù)的入門(mén)和科譜基于虛擬定標(biāo)線的巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，要處理好巡檢環(huán)節(jié)的圖像問(wèn)題，必須熟悉設(shè)計(jì)算法，并應(yīng)用matlab軟件、仿真圖像算法案例。深入學(xué)習(xí)C++等開(kāi)發(fā)程序和基于類(lèi)開(kāi)發(fā)、虛函數(shù)，類(lèi)的繼承、多態(tài)、命名空間、文件的輸入輸出、模板STL等。使用opencv這個(gè)開(kāi)源庫(kù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了算法和代碼結(jié)合，將MFC和opencv結(jié)合，更能設(shè)計(jì)出符合導(dǎo)航現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)需求的智能巡檢機(jī)器人。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

在智能巡檢機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，引入虛擬定標(biāo)線作為設(shè)計(jì)主線的巡檢實(shí)踐中，通過(guò)設(shè)計(jì)方法優(yōu)選、系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)核及其相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮，直接程度上對(duì)滿(mǎn)足巡檢工作技術(shù)要求呢、優(yōu)化工作機(jī)制具有極大的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：張初宏（1980-），男，福建人，機(jī)電一體化工程師，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。