具有自適應(yīng)偏振鏡調(diào)節(jié)的巡檢機(jī)器人圖像處理系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有自適應(yīng)偏振鏡調(diào)節(jié)的巡檢機(jī)器人圖像處理系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人是基于自主導(dǎo)航、精確定位、自動(dòng)充電的室外全天候移動(dòng) 平臺(tái)，集成可見(jiàn)光、紅外、聲音等傳感器；基于磁軌跡和路面特殊布置的RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)巡 檢機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走，將被檢測(cè)設(shè)備的視頻、圖像數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸 到監(jiān)控室；巡檢后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)待檢設(shè)備的圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)，結(jié)合設(shè)備圖像模 板庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備缺陷、分合狀態(tài)、外觀異常的判別，以及儀表讀數(shù)、油位計(jì)位置的識(shí)別；并 配合智能變電站順控操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)校核（見(jiàn)參考文獻(xiàn)1)。
[0003] 首先來(lái)了解一下巡檢機(jī)器人對(duì)變電站設(shè)備檢測(cè)識(shí)別的基本流程：在執(zhí)行巡檢任務(wù) 前，需要將機(jī)器人拍攝的變電站每一個(gè)預(yù)置位的設(shè)備圖像都保存到模板庫(kù)中，模板庫(kù)中的 設(shè)備圖像和變電站的設(shè)備是一一對(duì)應(yīng)的，在向巡檢機(jī)器人下達(dá)巡檢任務(wù)時(shí)，要將在每個(gè)預(yù) 置停車位拍攝模板圖像的各項(xiàng)參數(shù)（如，云臺(tái)角度，相機(jī)焦距等）明確的指出，在巡檢機(jī)器 人行進(jìn)至此預(yù)置停車位后，依照該設(shè)備模板圖像的采集方式進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，拍攝實(shí)時(shí)的設(shè) 備圖像并將圖像回傳至上層模式識(shí)別服務(wù)器，通過(guò)實(shí)時(shí)圖像與模板圖像的匹配進(jìn)行設(shè)備區(qū) 域標(biāo)定及設(shè)備工作狀態(tài)識(shí)別。
[0004] 由此可見(jiàn)，機(jī)器人對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的圖像采集質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)巡檢任務(wù)的結(jié)果。 變電站設(shè)備的模板圖像是由人工操作機(jī)器人進(jìn)行采集，往往選擇光線照射柔和、清晰度良 好的圖像作為該設(shè)備的模板。但是在實(shí)際的機(jī)器人巡檢過(guò)程中，強(qiáng)烈陽(yáng)光的照射、設(shè)備的反 光、明亮的天空背景、眩光等很多因素制約著設(shè)備圖像的采集工作。這些不利于攝影工作的 因素有礙機(jī)器人對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的模式識(shí)別。具體影響例如：
[0005] (1)設(shè)備的反光：也稱眩光，儀表是變電站中非常常見(jiàn)又相當(dāng)重要的設(shè)備，也是巡 檢機(jī)器人需要重點(diǎn)觀測(cè)的對(duì)象，普通的500kv變電站中，約有700至800塊各式的儀表設(shè)備 遍布在整個(gè)變電站的裝置當(dāng)中。無(wú)論數(shù)字顯示的儀表或是指針式儀表，猶如我們常見(jiàn)的鐘 表一般均在表盤(pán)外有一塊起到保護(hù)作用的玻璃罩。變電站巡檢機(jī)器人身高1. 1米，在觀測(cè) 儀表設(shè)備時(shí)基本處于"仰視"的狀態(tài)，而儀表朝向是多方向的，并非規(guī)則的面向機(jī)器人的巡 檢路線，甚至有些處于裝置頂端的設(shè)備在人工抄表時(shí)需要攀登近距離觀測(cè)。由于玻璃表盤(pán) 與儀表的設(shè)置方向，在晴朗的天氣下機(jī)器人進(jìn)行巡檢任務(wù)時(shí)，總會(huì)或多或少的有一部分儀 表反射陽(yáng)光，使機(jī)器人不能采集到儀表指針或示數(shù)等細(xì)節(jié)，造成狀態(tài)識(shí)別的障礙；
[0006] (2)反射其它設(shè)備的陰影：除卻儀表設(shè)備，變電站中會(huì)為某些精密設(shè)備安裝鐵柜 加以保護(hù)，但又為了便于觀測(cè)柜內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)，柜門(mén)以玻璃門(mén)制作，如匯控柜、配電柜等。這 一層玻璃門(mén)雖然不易反射太陽(yáng)光，但是由于面積較大經(jīng)常反射其他裝置的倒影，使得機(jī)器 人拍攝的圖像無(wú)法透過(guò)玻璃門(mén)觀測(cè)柜內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)細(xì)節(jié)，甚至倒影產(chǎn)生的邊緣信息會(huì)為設(shè) 備的圖像處理造成干擾；
[0007] (3)水滴：當(dāng)前機(jī)器人可以代替人工在全天候下對(duì)變電設(shè)備執(zhí)行巡檢任務(wù)，即便 在雨雪天氣巡檢機(jī)器人也應(yīng)保證高效率的工作質(zhì)量，但采集的圖像中有水滴滯留在觀測(cè)設(shè) 備表面時(shí)，水滴的光斑會(huì)對(duì)圖像處理及識(shí)別的效果帶來(lái)干擾，應(yīng)當(dāng)在采集圖像時(shí)采取措施， 最大化避免這種客觀條件的影響；
[0008] (4)過(guò)亮的天空：當(dāng)機(jī)器人采集設(shè)備狀態(tài)圖像時(shí)大多處于"仰視"狀態(tài)，此時(shí)采集 的圖像明亮的藍(lán)色天空占據(jù)了大部分的背景比例，而相機(jī)的感光器件是自動(dòng)控制，由于背 景明亮，固在采集圖像時(shí)相機(jī)自動(dòng)降低了曝光度以平衡圖像中的明暗區(qū)域，這樣造成了機(jī) 器人所需觀察的設(shè)備區(qū)域過(guò)暗，無(wú)法進(jìn)行細(xì)節(jié)信息的識(shí)別。
[0009] 其中，參考文獻(xiàn)1為：魯守銀，錢(qián)慶林，張斌等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制 [J]?電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006, 30(13) :94 _ 98。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種具有自適應(yīng)偏振鏡調(diào)節(jié)的巡檢機(jī)器人圖像 處理系統(tǒng)及方法，本系統(tǒng)設(shè)置偏振鏡，使得相機(jī)的光軸垂直穿過(guò)偏振鏡的中心，并且偏振鏡 可以以可見(jiàn)光相機(jī)的光軸為中心軸旋轉(zhuǎn)，把景物表面的反光降到最低程度，使得有害眩光 減至最小甚至消失，拍攝出優(yōu)質(zhì)的圖像。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] 一種具有自適應(yīng)偏振鏡調(diào)節(jié)的巡檢機(jī)器人圖像處理系統(tǒng)，包括巡檢機(jī)器人本體、 圖像采集機(jī)構(gòu)、偏振鏡和偏振鏡自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其中，圖像采集機(jī)構(gòu)設(shè)置于巡檢機(jī)器人 本體前端，用于采集變電站內(nèi)的視頻、圖像數(shù)據(jù)，偏振鏡設(shè)置于圖像采集機(jī)構(gòu)前端，偏振鏡 固定于偏振鏡自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上，使得相機(jī)的光軸垂直穿過(guò)偏振鏡的中心，并且偏振鏡 以可見(jiàn)光相機(jī)的光軸為中心軸旋轉(zhuǎn)。
[0013] 所述圖像采集機(jī)構(gòu)包括云臺(tái)和攝像機(jī)，其中，攝像機(jī)設(shè)置于云臺(tái)上。
[0014] 所述偏振鏡自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，包括固定盤(pán)、回轉(zhuǎn)盤(pán)、偏振鏡、支撐輪、支撐輪軸、 馬達(dá)齒輪、馬達(dá)、過(guò)渡齒輪和編碼器，其中，固定盤(pán)固定于攝像機(jī)鏡頭前端，所述固定盤(pán)安裝 有支撐輪、馬達(dá)、編碼器，所述支撐輪安裝在支撐輪軸上，所述支撐輪軸固定在固定盤(pán)上，所 述馬達(dá)的輸出軸安裝有馬達(dá)齒輪，所述編碼器的軸安裝有過(guò)渡齒輪，所述過(guò)渡齒輪與回轉(zhuǎn) 盤(pán)的外齒嚙合，所述回轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)有指針，所述回轉(zhuǎn)盤(pán)由支撐輪支撐，所述回轉(zhuǎn)盤(pán)固定有偏振 鏡。
[0015] 所述固定盤(pán)上刻有間隔為1°的0-180°刻度。
[0016] 所述過(guò)渡齒輪與馬達(dá)齒輪嚙合。
[0017] 基于上述系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
[0018] (1)變電站巡檢機(jī)器人接收巡檢任務(wù)，在規(guī)劃路徑上行駛，行駛至設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)預(yù)置 位；
[0019] (2)變電站巡檢機(jī)器人接收該設(shè)備模板圖像采集時(shí)的工作參數(shù)，根據(jù)工作參數(shù)調(diào) 整本體姿態(tài)，采集該設(shè)備的實(shí)時(shí)巡檢圖像；
[0020] (3)巡檢機(jī)器人將采集的巡檢圖像回傳至后臺(tái)服務(wù)器，調(diào)取該設(shè)備的模板配置圖 像，與巡檢圖像進(jìn)行圖像匹配、模式識(shí)別，對(duì)巡檢圖像中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，輸出結(jié)果；
[0021] (4)確認(rèn)該設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)是否為最后一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如果是，結(jié)束巡檢任務(wù)，巡檢機(jī)器 人返回；如果不是，則重復(fù)步驟（1)-(3)。
[0022] 所述步驟（2)中，工作參數(shù)包括相機(jī)焦距、云臺(tái)角度和偏振鏡放置角度。
[0023] 所述步驟（2)中，模板圖像的配置方法，具體包括：
[0024] (2-1)調(diào)整巡檢機(jī)器人本體姿態(tài)，將待檢測(cè)設(shè)備區(qū)域顯示在圖像的中央后，拍攝為 該設(shè)備的圖像，并在圖像中標(biāo)定設(shè)備區(qū)域；
[0025] (2-2)標(biāo)記此設(shè)備是否需要配置偏振鏡角度進(jìn)行圖像采集，如是則執(zhí)行步驟 (2-3)，否則執(zhí)行步驟（2-7);
[0026] (2-3)如果是需要配置偏振鏡角度進(jìn)行觀測(cè)的設(shè)備，則對(duì)步驟（2-1)采集的圖像 進(jìn)行圖像處理，提取設(shè)備邊緣信息；
[0027] (2-4)根據(jù)圖像中設(shè)備邊緣的信息，計(jì)算仿射投影角度，得到光線入射、反射平面， 在圖像中求出入射光反射平面的垂線的斜率，求得眩光偏振極性在相機(jī)坐標(biāo)系下的傾斜角 度；
[0028] (2-5)將相機(jī)坐標(biāo)系下眩光偏振極性的傾斜角轉(zhuǎn)化為偏振鏡的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度發(fā)送 給偏振鏡角度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，調(diào)節(jié)設(shè)置偏振鏡放置角度；
[0029] (2-6)確定偏振鏡角度旋轉(zhuǎn)到位后，采集設(shè)備的模板圖像；
[0030] (2-7)保存設(shè)備模板圖像采集的工作參數(shù)，確定當(dāng)前設(shè)備是否為模板配置的最后 一個(gè)設(shè)備，如否，則返回步驟1，如是，則結(jié)束設(shè)備模板圖像的配置工作。
[0031] 所述步驟（2)中，偏振鏡放置角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)步驟包括：
[0032] ⑴以機(jī)器人采集圖像的相機(jī)坐標(biāo)系為參照物，以Z軸為中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)偏振鏡 角度放置，將計(jì)算得出的偏振鏡放置角度作為輸入值傳至偏振鏡自動(dòng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置；
[0033] (ii)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡片按照指定方向旋轉(zhuǎn)輸入的角度數(shù)，編碼器記錄旋轉(zhuǎn)起始位置；
[0034] (iii)編碼器驗(yàn)證角度旋轉(zhuǎn)是否到位，