地下管網機器人定位系統、漏點定位系統及漏點定位方法與流程

本發明涉及地下管網漏點檢測技術領域，尤其是地下管網漏點定位系統及定位方法。

背景技術：

隨著科學技術的不斷進步，機器人檢測技術已經被廣泛應用于各個領域。目前，人們對于地下管網漏點檢測不能實時進行，只能在檢測機器人拍攝好并存儲整個地下管網的的視頻數據后，拷貝到電腦上觀看，需要觀看完整部視頻，費時費力，還容易出現漏檢。最大障礙在于，即使從視頻中判斷出漏點，也無法從視頻中判斷出漏點的具體位置。由于地下管網中的信號較弱，檢測機器人進入地下管網后存在無法采用現有技術中的無線定位技術進行定位，如無線信號功率定位、gps定位等，但是，檢測機器人的定位是漏點檢測定位的關鍵。維修人員根據檢測機器人的位置，可在路面上的相應位置處進行開挖，從而進行漏點排除或是檢修。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明提供一種地下管網機器人定位系統，解決現有技術中不能對進入到地下管網的機器人進行定位的技術問題，能夠對機器人的運動進行遙控，對機器人進行實時定位。

為了解決上述技術問題，本發明采用了如下的技術方案：一種地下管網機器人定位系統，包括用于采集前端數據的機器人、后臺監控系統、中繼系統以及遠程操控系統；所述機器人通過中繼系統與后臺監控系統雙向通信，機器人通過通信線纜與中繼系統進行有線通信；所述遠程操控系統通過中繼系統與后臺監控系統進行通信；所述遠程操控系統包括操縱桿與操縱桿通信模塊，操縱桿用于產生運動姿態命令，操縱桿通信模塊用于將運動姿態命令通過中繼系統發送給后臺監控系統，所述運動姿態命令包括前進、后退以及轉彎；

所述機器人包括核心控制器，核心控制器雙向通信連接有有線通信模塊，核心控制器的信號輸入端連接有以下功能模塊：激光測距儀，用于檢測機器人距離管道前方拐彎處的距離；陀螺儀，用于檢測機器人的角速度；所述核心控制器的信號輸出端連接有以下功能模塊：攝像頭模塊，用于實時采集視頻數據并通過有線通信模塊上傳視頻數據；運動控制模塊，用于控制機器人的運動機構執行運動動作；

所述后臺監控系統包括存儲有地下管網電子地圖的計算機，所述計算機配置有以下功能模塊：

遙控命令解析模塊，用于解析遠程操控系統上傳的運動姿態命令；

路程計算模塊，用于根據激光測距儀上傳的距離數據和遠程操控系統上傳的運動姿態命令來計算機器人行走路程；

方向計算模塊，用于根據機器人的角速度計算機器人的轉彎方向；

軌跡重繪模塊，用于根據機器人行走路程和轉彎方向綜合計算機器人的實時位置和運動軌跡，并將實時位置和運動軌跡顯示在地下管網電子地圖上。

上述技術方案中，機器人與中繼系統進行有線通信，是保證機器人采集的前端數據能夠上傳到后臺監控系統的前提；能夠通過在后臺監控系統中觀看機器人上傳的視頻來觀察路況，然后通過遠程操控系統來實現對機器人行走運動的控制，大大減輕了機器人需要自行判斷路況的運算負擔；后臺監控系統根據機器人采集的距離數據以及角速度實現對機器人的定位。

優選的，所述機器人為爬行機器人，所述爬行機器人包括爬行足與機身平臺，所述爬行足為運動執行機構；每個爬行足包括轉向關節、腿關節以及脛關節；所述轉向關節在水平面上與機身平臺通過舵機進行可轉動連接，所述腿關節兩端分別與轉向關節、脛關節在鉛垂面上通過舵機進行可轉動連接；所述運動控制模塊為舵機控制模塊，所述舵機控制模塊的信號輸入端與核心控制器的信號輸出端相連，舵機控制模塊的信號輸出端分別與各舵機相連；核心控制模塊與有線通信模塊雙向通信。這樣，爬行機器人具有優良的轉彎和越障能力，十分適合于地下管網的路況。

優選的，所述機器人還包括d/a數模轉換模塊，所述d/a數模轉換模塊的信號輸入端、信號輸出端分別與所述攝像頭模塊的信號輸出端、有線通信模塊的信號輸入端連接。這樣，攝像頭采集的數字視頻信號被d/a數模轉換模塊轉換成模擬視頻信號進行上傳，模擬信號傳輸時占用頻譜較窄，信道利用率高。

優選的，所述中繼系統包括中繼器，所述中繼器包括用于將模擬視頻信號轉換為數字視頻信號的視頻采集卡。這樣，后臺監控系統能直接接收到數字視頻信號，提高視頻信號的顯示速度，減小視頻信號的延時。

優選的，還包括自動送線器，所述通信線纜卷繞在自動送線器上。這樣，在機器人前進、后退、轉彎時，自動送線器能夠為連接在機器人上的通信線纜提供牽引力，減少機器人拖動通信線纜所需的動力。

本發明除提供一種地下管網機器人定位系統外，本發明同時還提供一種采用地下管網機器人定位系統的漏點位系統，以及一種采用漏點定位系統的漏點定位方法，以解決如何對地下管網漏點進行定位的技術問題。

為解決上述技術問題，采用如下技術方案，一種采用地下管網機器人定位系統的漏點位系統，在地下管網機器人定位系統的基礎上做了如下改進：所述后臺監控系統的計算機還包括漏點定位模塊，用于在人工根據機器人上傳的實時視頻數據進行漏點排查時，將判斷為漏點的管網部位在視頻的截圖中框選出來，并抽取該視頻截圖在視頻數據中的時間節點，將其與機器人運動軌跡的時間節點進行匹配，將匹配上的機器人位置作為漏點位置，并顯示在地下管網電子地圖上。

上述技術方案，能夠利用機器人定位系統獲取到機器人在視頻中各個時間節點上對應的地理位置，再根據時間節點的匹配關系，將漏點位置的定位轉換為機器人位置的定位，從而實現對漏點的定位。

為解決上述技術問題，采用如下技術方案，一種采用上述漏點定位系統的漏點定位方法，包括以下步驟：

步驟1：將機器人放置在地下管網的入口處，并以該入口為機器人的初始位置，在后臺監控系統中記錄初始位置并通過軌跡重繪模塊將初始位置顯示在計算機屏幕上；

步驟2：啟動機器人，機器人實時進行視頻采集，并將采集到的視頻數據通過中繼系統上傳到后臺監控系統，后臺監控系統將視頻數據顯示在計算機屏幕上以便工作人員觀看；工作人員觀看視頻以觀察管道內部的路況以及管道的滲漏情況，從而根據觀察到的路況來控制遠程操控系統的操縱桿，操縱桿通信模塊將操縱桿產生的運動姿態命令通過中繼系統發送給后臺監控系統，后臺監控系統通過遙控命令解析模塊對運動姿態命令解析后，通過中繼系統下發給機器人；

步驟3：機器人通過有線通信模塊接收到后臺監控系統下發的運動姿態命令，并發送給核心控制器，核心控制器將運動姿態命令發送給運動控制模塊，運動控制模塊控制運動機構執行與運動姿態命令相應的運動動作；

步驟4：在機器人運動過程中，激光測距儀與陀螺儀同時進行工作：激光測距儀不斷向機器人前進方向發射激光以檢測距離前方拐彎處的距離；陀螺儀實時檢測機器人在運動過程中的角速度；核心控制器接收激光測距儀檢測到的距離數據以及陀螺儀檢測到的角速度，并依次通過有線通信模塊、中繼系統上傳至后臺監控系統；

步驟5：后臺監控系統根據接收到的角速度來判斷機器人的運動狀態；若機器人為直行，路程計算模塊根據激光測距儀所檢測到的距離數據來計算機器人直行距離；若機器人正在轉彎，則根據步驟2中的遠程操控系統上傳的運動姿態命令來計算機器人轉彎距離；路程計算模塊將轉彎距離與直行距離逐一累加從而得到機器人行走路程；

步驟6：方向計算模塊根據角速度計算出機器人的轉彎方向；

步驟7：軌跡重繪模塊根據機器人行走路程和轉彎方向綜合計算機器人的實時位置和運動軌跡，并將實時位置和運動軌跡顯示在地下管網電子地圖上，從而實現對機器人的實時定位；

步驟8：工作人員在觀看視頻以觀察管道內部滲漏情況時，通過漏點定位模塊將判斷為漏點的管網部位在視頻的截圖中框選出來，并抽取該視頻截圖在視頻數據中的時間節點，將其與機器人運動軌跡的時間節點進行匹配，將匹配上的機器人位置作為漏點位置，并將漏點位置顯示在地下管網電子地圖上，從而實現對漏點的定位。

上述技術方案中，步驟2與步驟3實現了對機器人運動的遙控控制；步驟1與步驟4實現了對機器人定位數據（角速度和距離數據）的采集；步驟5、6、7、8的結合通過對定位數據的計算處理，實現漏點定位。

優選的，所述直行距離為當前直行距離與歷史直行距離之和；所述轉彎距離為當前轉彎距離與歷史轉彎距離之和。

優選的，所述當前直行距離按如下方式計算：獲取機器人當前所在管道的管道總長，用管道總長減去激光測距儀所測得的距離拐彎處的距離，從而得到機器人在當前管道上的當前直行距離。

優選的，所述當前轉彎距離按如下方式計算：統計當前轉彎命令的次數m；設機器人執行單次轉彎命令的運動距離為s；則機器人的當前轉彎距離為l，l=m×s。

綜上所述，本發明的地下管網機器人定位系統是漏點定位系統以及漏點定位方法的基礎，地下管網機器人定位系統實現了在信號較差的封閉空間的定位，利用機器人代替人類進入狹窄空間采集前端數據，并結合遙控技術實現對機器人運動過程的控制。

附圖說明

圖1是具體實施方式1中機器人定位系統的網絡結構框圖；

圖2是具體實施方式1中機器人的電路結構框圖；

圖3是具體實施方式2中漏點定位方法的流程框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和優選實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

具體實施方式1

如圖1所示，一種地下管網機器人定位系統，包括用于采集前端數據的機器人、后臺監控系統、中繼系統以及遠程操控系統；所述機器人通過中繼系統與后臺監控系統雙向通信，機器人通過通信線纜與中繼系統進行有線通信；所述遠程操控系統通過中繼系統與后臺監控系統進行通信；所述遠程操控系統包括操縱桿與操縱桿通信模塊，操縱桿用于產生運動姿態命令，操縱桿通信模塊用于將運動姿態命令通過中繼系統發送給后臺監控系統，所述運動姿態命令包括前進、后退以及轉彎；

所述機器人包括核心控制器，核心控制器雙向通信連接有有線通信模塊，核心控制器的信號輸入端連接有以下功能模塊：激光測距儀，用于檢測機器人距離管道前方拐彎處的距離；陀螺儀，用于檢測機器人的角速度；所述核心控制器的信號輸出端連接有以下功能模塊：攝像頭模塊，用于實時采集視頻數據并通過有線通信模塊上傳視頻數據；運動控制模塊，用于控制機器人的運動機構執行運動動作；

所述后臺監控系統包括存儲有地下管網電子地圖的計算機，所述計算機配置有以下功能模塊：

遙控命令解析模塊，用于解析遠程操控系統上傳的運動姿態命令；

路程計算模塊，用于根據激光測距儀上傳的距離數據和遠程操控系統上傳的運動姿態命令來計算機器人行走路程；

方向計算模塊，用于根據機器人的角速度計算機器人的轉彎方向；

軌跡重繪模塊，用于根據機器人行走路程和轉彎方向綜合計算機器人的實時位置和運動軌跡，并將實時位置和運動軌跡顯示在地下管網電子地圖上。

上述技術方案中，機器人與中繼系統進行有線通信，是保證機器人采集的前端數據能夠上傳到后臺監控系統的前提；能夠通過在后臺監控系統中觀看機器人上傳的視頻來觀察路況，然后通過遠程操控系統來實現對機器人行走運動的控制，大大減輕了機器人需要自行判斷路況的運算負擔；后臺監控系統根據機器人采集的距離數據以及角速度實現對機器人的定位。

本具體實施方式中，所述機器人為爬行機器人，所述爬行機器人包括爬行足與機身平臺，所述爬行足為運動執行機構；每個爬行足包括轉向關節、腿關節以及脛關節；所述轉向關節在水平面上與機身平臺通過舵機進行可轉動連接，所述腿關節兩端分別與轉向關節、脛關節在鉛垂面上通過舵機進行可轉動連接；所述運動控制模塊為舵機控制模塊，所述舵機控制模塊的信號輸入端與核心控制器的信號輸出端相連，舵機控制模塊的信號輸出端分別與各舵機相連；核心控制模塊與有線通信模塊雙向通信。這樣，爬行機器人具有優良的轉彎和越障能力，十分適合于地下管網的路況。

本具體實施方式中，機器人的電路結構框圖如圖2所示，所述機器人還包括d/a數模轉換模塊，所述d/a數模轉換模塊的信號輸入端、信號輸出端分別與所述攝像頭模塊的信號輸出端、有線通信模塊的信號輸入端連接。這樣，攝像頭采集的數字視頻信號被d/a數模轉換模塊轉換成模擬視頻信號進行上傳，模擬信號傳輸時占用頻譜較窄，信道利用率高。

本具體實施方式中，所述中繼系統包括中繼器，所述中繼器包括用于將模擬視頻信號轉換為數字視頻信號的視頻采集卡。這樣，后臺監控系統能直接接收到數字視頻信號，提高視頻信號的顯示速度，減小視頻信號的延時。

本具體實施方式中，還包括自動送線器，所述通信線纜卷繞在自動送線器上。這樣，在機器人前進、后退、轉彎時，自動送線器能夠為連接在機器人上的通信線纜提供牽引力，減少機器人拖動通信線纜所需的動力。

具體實施方式2

本具體實施方式是采用了具體實施方式1中地下管網機器人定位系統的漏點定位系統，在地下管網機器人定位系統的基礎上做了如下改進：所述后臺監控系統的計算機還包括漏點定位模塊，用于在人工根據機器人上傳的實時視頻數據進行漏點排查時，將判斷為漏點的管網部位在視頻的截圖中框選出來，并抽取該視頻截圖在視頻數據中的時間節點，將其與機器人運動軌跡的時間節點進行匹配，將匹配上的機器人位置作為漏點位置，并顯示在地下管網電子地圖上。

本具體實施方式利用機器人定位系統獲取到機器人在視頻中各個時間節點上對應的地理位置，再根據時間節點的匹配關系，將漏點位置的定位轉換為機器人位置的定位，從而實現對漏點的定位。

如圖3所示，采用上述漏點定位系統的漏點定位方法，包括以下步驟：

步驟1：將機器人放置在地下管網的入口處，并以該入口為機器人的初始位置，在后臺監控系統中記錄初始位置并通過軌跡重繪模塊將初始位置顯示在計算機屏幕上；

步驟2：啟動機器人，機器人實時進行視頻采集，并將采集到的視頻數據通過中繼系統上傳到后臺監控系統，后臺監控系統將視頻數據顯示在計算機屏幕上以便工作人員觀看；工作人員觀看視頻以觀察管道內部的路況以及管道的滲漏情況，從而根據觀察到的路況來控制遠程操控系統的操縱桿，操縱桿通信模塊將操縱桿產生的運動姿態命令通過中繼系統發送給后臺監控系統，后臺監控系統通過遙控命令解析模塊對運動姿態命令解析后，通過中繼系統下發給機器人；

步驟3：機器人通過有線通信模塊接收到后臺監控系統下發的運動姿態命令，并發送給核心控制器，核心控制器將運動姿態命令發送給運動控制模塊，運動控制模塊控制運動機構執行與運動姿態命令相應的運動動作；

步驟4：在機器人運動過程中，激光測距儀與陀螺儀同時進行工作：激光測距儀不斷向機器人前進方向發射激光以檢測距離前方拐彎處的距離；陀螺儀實時檢測機器人在運動過程中的角速度；核心控制器接收激光測距儀檢測到的距離數據以及陀螺儀檢測到的角速度，并依次通過有線通信模塊、中繼系統上傳至后臺監控系統；

步驟5：后臺監控系統根據接收到的角速度來判斷機器人的運動狀態；若機器人為直行，路程計算模塊根據激光測距儀所檢測到的距離數據來計算機器人直行距離；若機器人正在轉彎，則根據步驟2中的遠程操控系統上傳的運動姿態命令來計算機器人轉彎距離；路程計算模塊將轉彎距離與直行距離逐一累加從而得到機器人行走路程；

步驟6：方向計算模塊根據角速度計算出機器人的轉彎方向；

步驟7：軌跡重繪模塊根據機器人行走路程和轉彎方向綜合計算機器人的實時位置和運動軌跡，并將實時位置和運動軌跡顯示在地下管網電子地圖上，從而實現對機器人的實時定位；

步驟8：工作人員在觀看視頻以觀察管道內部滲漏情況時，通過漏點定位模塊將判斷為漏點的管網部位在視頻的截圖中框選出來，并抽取該視頻截圖在視頻數據中的時間節點，將其與機器人運動軌跡的時間節點進行匹配，將匹配上的機器人位置作為漏點位置，并將漏點位置顯示在地下管網電子地圖上，從而實現對漏點的定位。

本具體實施方式中，所述直行距離為當前直行距離與歷史直行距離之和；所述轉彎距離為當前轉彎距離與歷史轉彎距離之和。

本具體實施方式中，所述當前直行距離按如下方式計算：獲取機器人當前所在管道的管道總長，用管道總長減去激光測距儀所測得的距離拐彎處的距離，從而得到機器人在當前管道上的當前直行距離。每次判斷出機器人轉彎后，則將當前直行距離累加到歷史直行距離上，以累加后的值更新歷史直行距離。

本具體實施方式中，所述當前轉彎距離按如下方式計算：統計當前轉彎命令的次數m；設機器人執行單次轉彎命令的運動距離為s；則機器人的當前轉彎距離為l，l=m×s。在當前轉彎距離計算完成后，則將當前轉彎命令的次數m歸零，并將當前轉彎距離存儲為歷史轉彎距離，在根據角速度判斷出機器人再次進行轉彎時，再次統計轉彎命令的次數，從而求解出當前轉彎距離。

對于機器人行走路程的計算，行走路程=轉彎距離+直行距離，分為以下兩種情況：

當判斷出機器人為直行狀態時：轉彎距離=歷史轉彎距離+當前轉彎距離，由于當前轉彎距離為零，因此轉彎距離等于歷史轉彎距離，行走路程=歷史轉彎距離+直行距離；

當判斷出機器人為轉彎狀態時：直行距離=歷史直行距離+當前直行距離，由于當前直行距離為零，因此直行距離等于歷史直行距離，行走路程=歷史直行距離+轉彎距離。