本发明公开了一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统与方法，系统包括激光雷达、工控机、GPS模块和视觉模块，其中，激光雷达和GPS模块设置于巡检机器人本体上，视觉设备设置于巡检机器人本体前端，工控机采集视觉设备对环境的抓图，将相邻的两张图像做对比，分析机器人的航向角，激光雷达将采集的距离信息、GPS模块将获取的坐标信息传输给工控机，工控机将距离信息转化为二维平面图，并将平面图旋转至与机器人相同航向角从而获得机器人当前周边区域的地图。本发明使用基于激光导航变电站巡检机器人的GPS、视觉及激光雷达的变电站建图方法可以填补现有变电站建图方式的不足，提高建图的精度，及速度，减少人力消耗。
1.一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，激光导航变电站巡检机器人的建图系统包括激光雷达、工控机、GPS模块和视觉模块，其中，激光雷达和GPS模块设置于巡检机器人本体上，视觉设备设置于巡检机器人本体前端，工控机采集视觉设备对环境的抓图，将相邻的两张图像作对比，分析机器人的航向角，激光雷达将采集的距离信息、GPS模块将获取的坐标信息传输给工控机，工控机将距离信息转化为二维平面图，并将平面图旋转至与机器人相同航向角从而获得机器人当前周边区域的地图，其特征是：包括以下步骤：(1)变电站巡检机器人接收巡检任务，按照指定路线行驶；
(2)变电站巡检机器人在行驶过程中以固定的采样频率记录激光雷达，GPS数据以及视觉设备图像；
(3)将激光雷达的距离映射到直角坐标系中，视觉模块通过捕捉远处物体在传感器上的位移，计算出变电站机器人的每两帧采样的航向角变化，并通过积分的方式获得机器人当前的航向角；
所述步骤(3)中，设第n张和第n+1张图像中，特征区域在X轴方向上的位移为ΔX，通过GPS获得机器人当前位置并计算出距离参照物距离D，然后通过反三角函数，计算出机器人每两张图像的航向角变化：之后将相邻两张角度变化求法相同，将每次角度变化累积就获得当前机器人航向：
(4)GPS模块记录机器人当前位置坐标，并与视觉设备获得航向角以及映射后的激光雷达数据整合，完成单帧数据变电站内的小区域云点地图；
(5)将多帧数据进行融合，获得所建区域的云点地图。
2.如权利要求1所述的一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，其特征是：建图系统包括多组巡检机器人，工控机将接收的激光数据与航向数据传输给上位机，结合各个巡检机器人的GPS信息，得到变电站地图。
3.如权利要求1所述的一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，其特征是：所述视觉模块对环境以固定频率进行抓图，并将图像通过LAN接口传送给工控机。
4.如权利要求1所述的一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，其特征是：所述GPS模块将获取的坐标以固定频率通过RS232接口发送到激光导航变电站巡检机器人的工控机。
5.如权利要求1所述的一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，其特征是：所述激光雷达以固定频率采集雷达扇区内的距离发送至工控机。
6.如权利要求1所述的一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体方法为：上式中，Xn，Yn为第n个激光雷达距离数据映射在直角坐标系中的坐标；dn为第n个激光雷达数据距变电站物体的距离；ω为激光雷达扫描时的起始角度；n为激光雷达距离信息的序号，即每一帧激光数据共有n个距离信息；θ为激光雷达角度分辨率，α为机器人航向角，XGPS和YGPS为机器人当前位置的环境坐标。
7.如权利要求1所述的一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统的建图方法，其特征是：所述步骤(5)中，云点地图可转化为任意格式的地图或图像。
一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统与方法。
背景技术
[0002] 变电站建图是激光导航变电站巡检机器人运行前的必要环节，主要将变电站的地图尽可能详细和精准通过数据的形式记录下来。激光导航变电站巡检机器人使用该地图与激光雷达实时获取的周围信息作比对，并通过定位算法确定激光导航变电站巡检机器人位置。所以所建变电站地图的精度对于激光导航变电站巡检机器人的导航定位至关重要。
[0003] 现有的变电站建图方法包括以几种：
[0004] 1.变电站建图现在大多使用人工绘制，通过全站仪，米尺和激光测距仪进行人工测绘；但是使用人工绘制，会产生较大的误差，对激光导航变电站巡检机器人定位精度和导航效果产生影响，同时人工绘制也会耗费大量人力和时间成本；
[0005] 2.使用安装于激光导航变电站巡检机器人本体上的激光雷达和编码器共同采集数据，后期将数据融合，从而生成变电站地图，这种方式生成的变电站地图会产生较大的累积误差，导致部分环形道路无法闭合；
[0006] 3.使用三维建图设备在变电站内设多点进行扫描建图，后期将三维地图通过软件拼接驻点扫描的数据，之后还需将三维地图转化为激光导航变电站巡检机器人所需的二维变电站地图，需要购买三维建图的专用设备，费用昂贵，需要每隔一段距离进行小区域建图，后期需要通过软件将地图拼接，需要耗费大量时间采集数据。
发明内容
[0007] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统与方法，本方法使用基于激光导航变电站巡检机器人的GPS、视觉及激光雷达的变电站建图方法可以填补现有变电站建图方式的不足，提高建图的精度，及速度，减少人力消耗。本方法可以消除编码器采集过程中产生的累计误差，使最终获得的变电站图完美闭合。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种基于激光导航变电站巡检机器人的建图系统，包括激光雷达、工控机、GPS模块和视觉模块，其中，激光雷达和GPS模块设置于巡检机器人本体上，视觉设备设置于巡检机器人本体前端，工控机采集视觉设备对环境的抓图，将相邻的两张图像做对比，分析机器人的航向角，激光雷达将采集的距离信息、GPS模块将获取的坐标信息传输给工控机，工控机将距离信息转化为二维平面图，并将平面图旋转至与机器人相同航向角从而获得机器人当前周边区域的地图。
[0010] 所述建图系统包括多组巡检机器人，工控机将接收的激光数据与航向数据传输给上位机，结合各个巡检机器人的GPS信息，得到变电站地图。
[0011] 所述视觉模块对环境以固定频率进行抓图，并将图像通过LAN接口传送给工控机。
[0012] 所述GPS模块将获取的坐标以固定频率通过RS232接口发送到激光导航变电站巡检机器人的工控机。
[0013] 所述激光雷达以固定频率采集雷达扇区内的距离发送至工控机。
[0014] 一种基于上述系统的建图方法，包括以下步骤：
[0015] (1)变电站巡检机器人接收巡检任务，按照指定路线行驶；
[0016] (2)变电站巡检机器人在行驶过程中以固定的采样频率记录激光雷达，GPS数据以及视觉设备图像；
[0017] (3)将激光雷达的距离映射到直角坐标系中，视觉模块通过捕捉远处物体在传感器上的位移，计算出变电站机器人的每两帧采样的航向角变化，并通过积分的方式获得机器人当前的航向角；
[0018] (4)GPS模块记录机器人当前位置坐标，并与视觉设备获得航向角以及映射后的激光雷达数据整合，完成单帧数据变电站内的小区域云点地图；
[0019] (5)将多帧数据进行融合，获得所建区域的云点地图。
[0020] 所述步骤(3)中，设第n张和第n+1张图像中，特征区域在X轴方向上的位移为ΔX，通过GPS获得机器人当前位置并计算出距离参照物距离D，然后通过反三角函数，计算出机器人每两张图像的航向角变化：
[0021]
[0022] 之后将相邻两张角度变化求法相同，将每次角度变化累积就获得当前机器人航向：
[0023] 所述步骤(4)中，具体方法为：
[0024]
[0025] 上式中，Xn，Yn为第n个激光雷达距离数据映射在直角坐标系中的坐标；dn为第n个激光雷达数据距变电站物体的距离；ω为激光雷达扫描时的起始角度；n为激光雷达距离信息的序号，即每一帧激光数据共有n个距离信息；θ为激光雷达角度分辨率，α为机器人航向角,XGPS和YGPS为机器人当前位置的环境坐标。
[0026] 所述步骤(5)中，云点地图可转化为任意格式的地图或图像。
[0027] 本发明的有益效果为：
[0028] (1)使用基于激光导航变电站巡检机器人的GPS、视觉及激光雷达的变电站建图方法可以填补现有变电站建图方式的不足，提高建图的精度，及速度，减少人力消耗；
[0029] (2)相对于使用激光雷达和编码器的建图方式可以消除编码器采集过程中产生的累计误差，使最终获得的变电站图完美闭合；
[0030] (3)相对于三维建图小区域驻点建图和后期通过软件人工拼接。
附图说明
[0031] 图1为本发明的结构示意图；
[0032] 图2为本发明使用激光雷达及编码器建图示意图；
[0033] 图3为本发明使用的GPS、视觉及激光雷达建图示意图；
[0034] 图4为本发明的视觉模块捕捉的两个图形。
[0035] 其中，1.GPS模块；2.激光雷达；3.视觉设备；4.激光导航变电站巡检机器人本体。具体实施方式：
[0036] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0037] 如图1所示，激光导航变电站巡检机器人的GPS、视觉及激光雷达的变电站建图方法,它包括一台装有激光雷达的变电站巡检机器人，机器人内装有工控机、GPS模块，视觉模块和激光雷达。
[0038] 装有激光雷达的变电站巡检机器人具有遥控行驶功能。
[0039] GPS模块与工控机采用RS232接口链接。
[0040] 视觉模块和激光雷达与工控机通过LAN接口相连接。
[0041] 使用激光导航的变电站巡检机器人建图时需使激光导航变电站巡检机器人在所需建图区域行驶，此时GPS，视觉模块及激光雷达将同时采集数据。GPS将其获取的坐标以固定频率通过RS232接口发送到激光导航变电站巡检机器人的工控机中，视觉模块和激光雷达会安装于激光导航变电站巡检机器人的本体上，并通过LAN接口与工控机通讯。在机器人运功过程中，视觉模块对环境以固定频率进行抓图，并将图像通过LAN接口传送给工控机，工控机将通过模式识别的方法将相邻的两张图像作比对，分析出机器人航向角，同时激光雷达也以固定频率采集雷达扇区内的距离发送至工控机，工控机将距离信息转化为二维平面图，并将平面图旋转至与机器人相同航向角从而获得机器人当前周边区域的地图，结合多组机器人激光数据与航向数据，以及GPS信息可获得变电站地图。
[0042] 如图2所示，通过安装于激光导航变电站巡检机器人本体上的编码器和激光雷达采集数据生成的变电站地图会产生较大的累积误差，导致部分环形道路无法闭合。会对机器人后期导航造成严重影响，如机器人位置丢失及位置错误定位，由于地图整体扭曲，对于便于的巡线线路配置也会带来不便，使用不标准的地图执行机器人巡检任务更会对变电站运正常运行带来安全隐患。
[0043] 如图3所示，激光导航变电站巡检机器人的建图系统与方法生成的地图，巡检线路闭合良好与变电站实际环境高度一致，周边环境中的物体轮廓明显，从而保证了变电站巡检机器人的运行精度，减少或消除了机器人位置丢失及位置错误定位几率，同时也更便于的巡线线路配置。
[0044] 一种基于上述系统的建图方法，包括以下步骤：
[0045] (1)变电站巡检机器人接收巡检任务，按照指定路线行驶；
[0046] (2)变电站巡检机器人在行驶过程中以固定的采样频率记录激光雷达，GPS数据以及视觉设备图像；
[0047] (3)将激光雷达的距离映射到直角坐标系中，视觉模块通过捕捉参照物并通过模式识别中角点检测的方法提取特征区域，并且计算特征区在视觉传感器上的位移，具体方法为：
[0048] 如图4所示，假设A，B为拍摄的第n张和第n+1张图像，A、B种特征区域的特征匹配，ΔX为特征区域在X轴方向上的位移。通过GPS获得机器人当前位置并计算出距离参照物距离D，然后通过反三角函数，计算出机器人每两张图像的航向角变化：
[0049]
[0050] 之后将相邻两张角度变化求法相同，将每次角度变化累积就可以获得当前机器人航向：
[0051]
[0052] (4)GPS模块记录机器人当前位置坐标，并与视觉设备获得航向角以及映射后的激光雷达数据整合，完成单帧数据变电站内的小区域云点地图；
[0053] (5)获得所建区域的云点地图，具体方法为：
[0054] 步骤(5)中，具体方法为：
[0055]
[0056] 上式中，Xn，Yn为第n个激光雷达距离数据映射在直角坐标系中的坐标；dn为第n个激光雷达数据距变电站物体的距离；ω为激光雷达扫描时的起始角度；n为激光雷达距离信息的序号，即每一帧激光数据共有n个距离信息；θ为激光雷达角度分辨率，α为机器人航向角,XGPS和YGPS为机器人当前位置的环境坐标。
[0057] 步骤(5)中，云点地图可转化为任意格式的地图或图像。
[0058] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
