本發(fā)明涉及用于電力安全領(lǐng)域的一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法和一種巡視機(jī)器人。

背景技術(shù)：

長(zhǎng)期以來，變電站一直采用24小時(shí)有人值班的工作方式。隨著調(diào)度綜合自動(dòng)化改造的實(shí)現(xiàn)，許多變電站已成為無人值守站，變電站配變電設(shè)備的調(diào)度管理全部集中到調(diào)度中心。原來由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員直接執(zhí)行的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控職能，通過變電站的遙測(cè)、遙信、遙調(diào)和遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。然而，隨著電力事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控己不僅僅滿足于“四遙”功能中所涉及的數(shù)字式和簡(jiǎn)單圖像化的監(jiān)控。人們?cè)絹碓狡惹邢Ｍ軌蛲ㄟ^視頻和圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備的信息進(jìn)行自主識(shí)別，以及實(shí)現(xiàn)無人值班環(huán)境下的安全防衛(wèi)。

目前，已有的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是對(duì)“四遙”的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，它的視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠支持相關(guān)人員及時(shí)直觀了解變電站現(xiàn)場(chǎng)的情況，為控制中心操作人員提供變電站現(xiàn)場(chǎng)圖像，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行報(bào)警檢查。但是由于傳送回后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備的視頻和圖片仍需要大量的人力進(jìn)行識(shí)別和提取，增加了運(yùn)行費(fèi)用，并且存在盲點(diǎn)和人為失誤的可能性，且會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的限制，制約了遠(yuǎn)程機(jī)器人巡檢平臺(tái)的推廣應(yīng)用。為了解決當(dāng)前變電巡視中的自主識(shí)別短板問題，保證變電站設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，更快地推進(jìn)變電站無人值守的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人完成電站設(shè)備信息的自主提取與識(shí)別，是技術(shù)人員的主要目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法和一種巡視機(jī)器人，它無需人工對(duì)巡視機(jī)器人拍攝的圖像進(jìn)行提取和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)巡視機(jī)器人對(duì)于led數(shù)字顯示屏數(shù)字以及顯示燈顯色的自主識(shí)別。

實(shí)現(xiàn)上述目的的一種技術(shù)方案是：一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法，包括led顯示屏數(shù)字識(shí)別方法和顯示燈顏色識(shí)別方法；

所述led顯示屏數(shù)字識(shí)別方法包括如下步驟：

步驟a1，圖像、視頻信號(hào)采集步驟，通過變電站巡視機(jī)器人獲得led顯示屏圖像信號(hào)；

步驟a2，圖像預(yù)處理步驟，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理；

步驟a3，儀表區(qū)域定位與分隔步驟，對(duì)增強(qiáng)后的圖像信號(hào)內(nèi)的儀表區(qū)域進(jìn)行選取；

步驟a4，數(shù)字字符識(shí)別步驟，對(duì)選取的儀表區(qū)域內(nèi)的數(shù)字進(jìn)行識(shí)別；

步驟a5，數(shù)字識(shí)別結(jié)果輸出步驟，對(duì)已識(shí)別的數(shù)字進(jìn)行信號(hào)輸出；

所述顯示燈顏色識(shí)別方法包括如下步驟：

步驟b1，圖形采集步驟，通過變電站巡視機(jī)器人獲得顯示燈圖形信號(hào)；

步驟b2，圖形預(yù)處理步驟，對(duì)圖形信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理；

步驟b3，顯示燈定位步驟，在圖形中定位并標(biāo)記目標(biāo)顯示燈相應(yīng)位置；

步驟b4，顏色識(shí)別步驟，對(duì)已定位的目標(biāo)顯示燈進(jìn)行顏色識(shí)別；

步驟b5，顯示燈顏色識(shí)別結(jié)果輸出步驟，對(duì)已識(shí)別顏色的顯示燈進(jìn)行信號(hào)輸出。

進(jìn)一步的，所述步驟a2，圖像預(yù)處理步驟，和所述步驟b2，圖形預(yù)處理步驟，采用中值濾波法對(duì)獲取到的圖像和圖形進(jìn)行降噪處理。

進(jìn)一步的，所述步驟a3，儀表區(qū)域定位與分隔步驟，先采用otsu算法對(duì)圖像進(jìn)行二值化，將圖像劃分為前景和背景，再采用水平豎直方向投影法，確定led顯示屏數(shù)字具體位置。

進(jìn)一步的，所述步驟a4，數(shù)字字符識(shí)別步驟，采用模板匹配法對(duì)數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。

進(jìn)一步的，所述步驟b3，顯示燈定位步驟，需要事先對(duì)顯示燈進(jìn)行特征設(shè)定，顯示燈的特征包括顯示燈底板灰度值、顯示燈形狀，并存入訓(xùn)練集；然后對(duì)處理后的圖像進(jìn)行搜索，采用邊緣跟蹤法圈定目標(biāo)顯示燈。

進(jìn)一步的，所述步驟b4，顏色識(shí)別步驟，先將圈定的目標(biāo)顯示燈的顏色轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)rgb，接下來從被保留的目標(biāo)像素中偵測(cè)到顯示燈邊緣，最后通過霍夫變化的方式將一個(gè)顯示燈的形狀信號(hào)呈現(xiàn)以便輸出。

一種巡視機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)為自下而上依次連接的移動(dòng)小車底座、抬升裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、伸縮手臂和監(jiān)測(cè)裝置，所述監(jiān)測(cè)裝置包括高清攝像機(jī)。

進(jìn)一步的，所述監(jiān)測(cè)裝置還包括紅外傳感器、局放檢測(cè)儀、溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器。

更進(jìn)一步的，所述巡視機(jī)器人和變電站報(bào)警系統(tǒng)無線連接。

本發(fā)明的一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法和一種巡視機(jī)器人，通過巡視機(jī)器人對(duì)led顯示屏以及指示燈面板的拍攝，獲取led顯示屏及指示燈面板的圖形圖像分析，然后經(jīng)過預(yù)處理、劃區(qū)、識(shí)別、輸出的步驟，使led顯示屏以及指示燈的信息得以數(shù)字化的呈現(xiàn)，使巡視機(jī)器人能夠?qū)x表所顯示的變電站的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，然后將識(shí)別后的結(jié)論輸出給工程技術(shù)人員，減少了人工對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別的過程，避免了人工可能造成的盲區(qū)和誤判，提高了巡視效率節(jié)約了人工成本且提升了巡視的穩(wěn)定性和可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法的led顯示屏數(shù)字識(shí)別方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法的顯示燈顏色識(shí)別方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明的一種巡視機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了能更好地對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行理解，下面通過具體地實(shí)施例并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)地說明：

本發(fā)明的一種變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法，包括led顯示屏數(shù)字識(shí)別方法和顯示燈顏色識(shí)別方法。

變電站的led現(xiàn)實(shí)屏通常采用七段式數(shù)顯儀表，其屏幕數(shù)字識(shí)別方法包括如下步驟：

步驟a1，圖像、視頻信號(hào)采集步驟。變電站巡視機(jī)器人接受控制中心的指令運(yùn)動(dòng)到變電站led顯示屏目標(biāo)位置，然后通過其上搭載的攝像設(shè)備，獲得led顯示屏區(qū)域的圖像信號(hào)。

步驟a2，圖像預(yù)處理步驟，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理。七段式數(shù)顯儀表中數(shù)字識(shí)別技術(shù)中，由于采集信號(hào)的設(shè)備中的傳感器有噪聲；在傳輸過程中，信道傳輸產(chǎn)生的誤差；光源光照不均勻等因素，在圖像上產(chǎn)生了一些孤立的像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)就是圖像的噪聲。圖像預(yù)處理，采用中值濾波的方法，對(duì)圖像中的噪聲進(jìn)行一定的抑制，為后面的儀表區(qū)域定位與分割和數(shù)字字符識(shí)別這兩部分打下好的基礎(chǔ)。中值濾波器是一種平滑濾波器。它是非線性的，對(duì)抑制隨機(jī)噪聲和孤立噪聲有著很好的效果。中值濾波器在圖像中找一個(gè)正方形的臨域，在這個(gè)臨域中把正方形中心像素點(diǎn)的像素值，用該正方形中所有像素值按大小排序后的中間值來代替，這種做法能夠有效地消除隨機(jī)噪聲和孤立噪聲。這種濾波器能夠很大程度上不破壞圖像的細(xì)節(jié)，并且對(duì)隨機(jī)噪聲和孤立噪聲有抑制效果。

步驟a3，儀表區(qū)域定位與分隔步驟，對(duì)增強(qiáng)后的圖像信號(hào)內(nèi)的儀表區(qū)域進(jìn)行選取。在七段式數(shù)顯儀表的數(shù)字識(shí)別中，在通過電腦或者移動(dòng)設(shè)備攝像頭采集到的視頻或者圖像中，數(shù)顯儀表屬于這個(gè)問題的前景區(qū)域，除去數(shù)顯儀表之外的其它部分，屬于這個(gè)問題的背景區(qū)域。儀表區(qū)域的定位與分割的目的，就是把前景區(qū)域從背景區(qū)域中定位出來。本發(fā)明采用先先采用otsu算法對(duì)圖像進(jìn)行二值化，將圖像劃分為前景和背景，再采用水平豎直方向投影法，確定led顯示屏數(shù)字具體位置，實(shí)現(xiàn)儀表區(qū)域的準(zhǔn)確定位與分割。

otsu閾值分割算法是一種自適應(yīng)確定閾值來對(duì)圖像進(jìn)行二值化，分隔出圖像中前景和背景的算法。其中背景和前景之間類間方差的大小，表征前景與背景的差別大小。通過該算法計(jì)算出閾值來對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，把圖像中的前景和背景分為兩部分后，這兩部分之間的類間方差相對(duì)其他的閾值分隔前景和背景計(jì)算出的類間方差為最大。

水平與豎直方向投影法的基本原理是計(jì)算出圖像中的水平投影和豎直投影，然后通過分析投影值的數(shù)值變化，來分析出含有七段式數(shù)顯儀表中的數(shù)字字符的位置。這種方法主要是針對(duì)二值圖像，可經(jīng)過圖像預(yù)處理得到的，但對(duì)于背景相對(duì)復(fù)雜的情況，則需要用otsu算法算出閾值后進(jìn)行二值化得到。對(duì)于得到的投影值來說，如果從小到大，在某一行上有一個(gè)突變，則說明這一行為儀表區(qū)域的開始；如果投影值是從大到小，在某一行上有一個(gè)突變，則說明這個(gè)位置為儀表區(qū)域的結(jié)束。同理，通過分析列的投影，能夠分割出不同字符的區(qū)域。

步驟a4，數(shù)字字符識(shí)別步驟，對(duì)選取的儀表區(qū)域內(nèi)的數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。本發(fā)明采用模板匹配法對(duì)數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。在七段式數(shù)顯儀表的數(shù)字字符識(shí)別中，本發(fā)明中把模板設(shè)計(jì)為七段式的0到9這10個(gè)數(shù)字的二值化圖。設(shè)這10個(gè)二值化圖分別為m0,m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8,m9,分別表示這10個(gè)模板所對(duì)應(yīng)的二值化圖的矩陣。然后通過比較模板與步驟a3所劃定的不同字符顯示區(qū)域的二值化圖，使得區(qū)分度達(dá)到最小值的時(shí)的模板所對(duì)應(yīng)的數(shù)字，即為這個(gè)待識(shí)別字符的識(shí)別結(jié)果。

步驟a5，數(shù)字識(shí)別結(jié)果輸出步驟，對(duì)已識(shí)別的數(shù)字進(jìn)行信號(hào)輸出。該輸出結(jié)果可直接呈現(xiàn)在控制中心的工程技術(shù)人員的顯示窗口上。同時(shí)也可實(shí)施將巡視機(jī)器人拍攝的圖像作為參考比較呈現(xiàn)在另一個(gè)顯示窗口上，方便工程技術(shù)人員進(jìn)行確認(rèn)。

無法通過識(shí)別顯示燈顏色識(shí)別方法包括如下步驟：

步驟b1，圖形采集步驟，通過變電站巡視機(jī)器人獲得顯示燈圖形信號(hào)，變電站巡視機(jī)器人接受控制中心的指令運(yùn)動(dòng)到變電站指示燈面板的目標(biāo)位置，然后通過其上搭載的攝像設(shè)備，獲得指示燈面板區(qū)域的圖像信號(hào)。

步驟b2，圖形預(yù)處理步驟，對(duì)圖形信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，此部分流程和步驟a2基本類似。

步驟b3，顯示燈定位步驟，在圖形中定位并標(biāo)記目標(biāo)顯示燈相應(yīng)位置。1)事先對(duì)顯示燈進(jìn)行特征設(shè)定，例如，特征一就是紅綠色顯示燈底板為黑色，其灰度值較低；特征二為紅綠色顯示燈外形固定為圓形。先收集顯示燈樣本進(jìn)行特征標(biāo)記后存入訓(xùn)練集。2)對(duì)步驟b2預(yù)處理后的圖像進(jìn)行搜索，用邊緣跟蹤的方法圈定目標(biāo)物體，從而有效定位出顯示燈的位置并標(biāo)記。

步驟b4，顏色識(shí)別步驟，對(duì)已定位的目標(biāo)顯示燈進(jìn)行顏色識(shí)別。首先將標(biāo)記位置的顯示燈區(qū)域顏色標(biāo)準(zhǔn)rgb，然后識(shí)別顯示燈一種顏色的信號(hào)，接下來從被保留的像素中偵測(cè)到顯示燈邊緣。決定一個(gè)像素是否位于候選區(qū)域中可以通過其是否被包含進(jìn)相應(yīng)的r,g,b數(shù)量范圍內(nèi)來判斷。對(duì)于處理過的顯示燈圖像，決定一種像素是否屬于一個(gè)候選區(qū)域，需要滿足以下條件：

r>200和g<150和b<150或

r>200和g>150和b<150或

r<150和g>240和b>220。

從圖像中提取出候選區(qū)域，然后使用soble過濾算法去偵測(cè)邊緣，考察圖像的每個(gè)像素在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)灰度的變化，利用邊緣鄰近一階或二階導(dǎo)數(shù)的變化規(guī)律來檢測(cè)邊緣。最后通過霍夫變化的方式，形成三維空間參數(shù)，通過設(shè)立參數(shù)呈現(xiàn)顯示燈的位置和尺寸，并判別出顯示燈的具體顏色。

步驟b5，顯示燈顏色識(shí)別結(jié)果輸出步驟，對(duì)已識(shí)別顏色的顯示燈進(jìn)行信號(hào)輸出，直接顯示在工程技術(shù)人員的顯示屏上。

由于在本發(fā)明的變電站巡視機(jī)器人自主識(shí)別方法中，需要對(duì)led顯示屏區(qū)域，和指示燈面板區(qū)域的圖象攝錄有特定的要求，因此需要專門設(shè)計(jì)的巡視機(jī)器人予以配合。其必須實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為：能夠進(jìn)行360度全角度旋轉(zhuǎn)全方向移動(dòng)的攝錄。

本發(fā)明的一種巡視機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)為自下而上依次連接的移動(dòng)小車底座1、抬升裝置2、旋轉(zhuǎn)裝置3、伸縮手臂4和監(jiān)測(cè)裝置5，監(jiān)測(cè)裝置5包括高清攝像機(jī)。移動(dòng)小車1，是整個(gè)機(jī)具的載體，底部有四個(gè)支撐傳動(dòng)軸，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)同時(shí)還起到固定機(jī)器人本體，防止工作時(shí)本體橫向、縱向移動(dòng)或抖動(dòng)的作用。

抬升裝置2裝設(shè)在移動(dòng)小車上層，由移動(dòng)小車的抬升電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。它主要用于抬升機(jī)器人搭載的各類傳感器及攝像機(jī)等設(shè)備，以使得其獲得更好的信息采集效果。抬升裝置2的最大升降形成需要根據(jù)站內(nèi)設(shè)備的高度及安全距離來確定，其抬升時(shí)的最大自鎖力需要根據(jù)其所搭載的設(shè)備的重量來確定。

旋轉(zhuǎn)裝置3在升降平臺(tái)的頂部，采用直流有刷電機(jī)、制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)開環(huán)控制方式可采用－組模擬量信號(hào)+方向信號(hào)+h橋直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制的方式，可實(shí)現(xiàn)開環(huán)調(diào)速。它主要用于旋轉(zhuǎn)上層機(jī)構(gòu)，以使各類傳感器能運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的角度，可以實(shí)現(xiàn)360度回轉(zhuǎn)，提高機(jī)器人靈活性。

伸縮手臂4安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上方，可以采用滾珠絲桿和寬型直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)。同時(shí)需要加裝制動(dòng)器，以保證伸縮手臂的穩(wěn)定移動(dòng)。伸縮手臂4的最大伸縮行程同樣需要考慮與站內(nèi)設(shè)備的安全間距。通過伸縮手臂4的伸縮，可以使紅外傳感器、局放檢測(cè)儀及攝像機(jī)等設(shè)備自由調(diào)節(jié)，為用戶提供更清晰、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)信息。

監(jiān)測(cè)裝置5還包括紅外傳感器、局放檢測(cè)儀、溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器，能夠?qū)崟r(shí)向控制中心回傳變電站環(huán)境的其他數(shù)據(jù)信息。巡視機(jī)器人和變電站報(bào)警系統(tǒng)無線連接，一旦在自主識(shí)別中發(fā)現(xiàn)需要預(yù)警的信息，可無需人工干預(yù)自動(dòng)報(bào)警，極大的減小了人工巡視的壓力提升了變電站巡視系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。

本發(fā)明通過智能機(jī)器人結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)變電站設(shè)備信息的一套系統(tǒng)方案，能夠大大提高變電站設(shè)備信息監(jiān)測(cè)的有效性，保證了變電站的高效穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過程的自動(dòng)化，提升了檢測(cè)的工作效率和響應(yīng)速度，減少了人工參，降低了人力人本，避免了人工的誤判漏判，提高了可靠性。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。