本发明涉及消缺机器人，尤其涉及一种输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统及其方法。
背景技术：
1、在电力行业中，输电线路作为电力传输的重要通道，其安全性和稳定性直接关系到整个电网的可靠运行。然而，输电线路往往跨越广阔的地域，暴露在复杂的室外环境中，长期受到风雨侵蚀、温度变化、光照差异以及自然和人为因素导致的震动影响，这些因素都可能对输电线路造成损伤或缺陷，进而威胁到电网的安全。
2、传统的输电线路巡检和维护工作主要依赖于人工巡检，不仅劳动强度大、效率低，而且难以在恶劣环境条件下进行，存在较大的安全隐患。随着科技的进步，特别是机器人技术和计算机视觉技术的发展，输电线路智能巡检机器人逐渐成为研究的热点。然而，现有的智能巡检机器人在室外复杂环境下进行视觉定位时，常常面临光照变化、视觉数据不稳定以及线路振动等挑战，这些问题严重影响了机器人的定位精度和作业效率。
3、具体来说，光照条件的变化会导致摄像头采集的图像质量下降，影响视觉定位的准确性；机器人在移动过程中或受到线路振动时，视觉传感器获取的数据会产生不稳定和误差，进一步降低定位精度。
技术实现思路
1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，主要包括：
3、环境感知模块，所述环境感知模块用于通过传感器采集周围环境数据；
4、光照补偿模块，所述光照补偿模块根据环境感知模块提供的光照数据，动态调整摄像头参数；
5、视觉惯性融合模块，所述视觉惯性融合模块用于融合视觉传感器和惯性传感器的数据，并采用视觉惯性里程计技术，补偿机器人在移动或震动过程中视觉数据的不稳定性；
6、震动补偿模块，所述震动补偿模块用于分析由环境感知模块监测到的输电线路的震动频率和幅度，校正由于线路振动引起的视觉定位偏差；
7、自适应视觉算法模块，所述自适应视觉算法模块能够根据环境变化动态调整视觉系统的参数设置；
8、多传感器融合模块，所述多传感器融合模块采用多传感器融合算法，对传感器数据进行融合；
9、路径规划与导航模块，所述路径规划与导航模块根据多传感器的数据，通过分析当前机器人在输电线路上的位置信息与周围环境信息，进行精准的路径规划。
10、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述传感器包括光照传感器、风速传感器、温湿度传感器以及震动传感器，所述光照传感器用于实时监测光照强度和变化，所述风速传感器用于采集输电线路所处环境的风速信息，所述温湿度传感器用于采集输电线路所处环境的温湿度信息，所述震动传感器用于检测输电线路的震动频率和幅度，判断风力或机械运动引起的线路变动。
11、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述摄像头参数包括曝光、增益以及对比度。
12、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：还包括反馈控制模块、远程监控模块以及故障检测模块；
13、所述反馈控制模块根据各模块的反馈数据，实时调整机器人的运动参数；
14、所述远程监控模块能够通过远程监控系统实时查看机器人在输电线路上的运行状态和定位信息，配合ar技术，帮助地面操作人员对机器人进行远程调整；
15、所述故障检测模块用于进行故障检测，及时报告传感器异常或数据失效。
16、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述动态调整摄像头参数包括以下步骤：
17、s11：系统设定一个光照变化的阈值，当光照强度变化超过设定阈值时，触发动态调整流程；
18、s12：根据监测到的光照数据，将当前光照条件分类，通过预设算法评估光照变化的类型和幅度，判断是否需要进行参数调整；
19、s13：根据当前光照数据与正常工作光照范围的偏差，计算所需补偿量，然后根据映射公式，将补偿量转换为曝光时间、增益和对比度的调整值；
20、s14：调用摄像头的控制接口，按照计算的补偿值对曝光时间、增益和对比对进行调整；
21、s15：摄像头将调整后的图像数据反馈给系统，视觉系统通过图像分析算法检查画面的亮度、清晰度和噪声水平，判断调整效果是否达到预期；如果图像反馈不理想，系统会继续进行微调，重复调整曝光、增益和对比度参数，直到画面质量达到最佳效果；
22、s16：当光照条件稳定后，系统锁定当前的参数设置，避免不必要的调整，确保视觉系统在光照稳定阶段持续提供高质量图像。
23、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述计算所需补偿量的公式如下：
24、,
25、其中：
26、表示在时刻的光照补偿量；
27、表示初始时间；
28、表示时间；
29、为摄像头期望的理想图像亮度，设定为系统所需要的标准亮度；
30、表示当前时刻下摄像头捕捉到的实际图像亮度；
31、表示当时刻的环境光照强度，通过光照传感器实时采集；
32、表示当前时刻的环境噪声水平，通过环境噪声检测器测得；
33、表示当前时刻摄像头的增益，系统可动态调整的参数；
34、表示当前时刻摄像头的曝光时间，系统可动态调整的参数；
35、表示当前时刻摄像头图像的对比度，是图像亮度差值的衡量标准；
36、为指数衰减函数，用于控制过去时刻的增益和对比度的调整对当前补偿量的影响，为衰减系数，为正值，决定了过去的调整对当前的影响程度，数值越大，过去调整的影响越小，用于表示求和项的小标，用于时间维度上的离散调整计算；
37、表示理想亮度与实际亮度之间的差异平方，平方放大了差异，确保系统对亮度的微小偏差也能做出反应；
38、表示环境光照强度与噪声的叠加效应，光照强度和噪声是影响图像质量的两个关键因素，两个和越大，说明环境影响越强，亮度差异需要更少的补偿；
39、表示指数函数与增益和对比度的乘积，反映了它们在时间维度上的共同影响，指数衰减控制过去时间对当前补偿的影响，和决定了增益和对比度对图像的调整力度；
40、表示曝光时间与环境光照强度的平方根和，确保补偿计算中曝光时间与光照条件之间的平衡，避免过度调整；
41、表示时间维度上的累积调整，通过指数衰减函数来确保过去的增益和对比度对当前的影响逐渐减小，该求和表达了摄像头参数调整中的时间累积效应，确保系统能够随时间动态响应环境；
42、表示从初始时刻到当前时刻的累积补偿量，积分计算出亮度差异随时间的累积效应，使系统能够跟踪光照变化并进行动态调整；
43、值域含义：
44、公式的值域在内；
45、当接近0时，意味着光照条件较为理想，图像质量已接近预期，无需大幅调整；
46、当值增大时，说明光照条件偏离预期，系统需要增加曝光或增益，或进行对比度调节。
47、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述补偿机器人在移动或震动过程中视觉数据的不稳定性包括以下步骤：
48、步骤21：初始化视觉传感器和惯性传感器，并确保两者的数据时间戳同步，然后，通过视觉传感器获取视觉帧序列数据，通过惯性传感器获取加速度、角速度；
49、步骤22：在当前图像帧中检测并提取特征点，跟踪相邻帧之间的特征点匹配关系，记录特征点的位移信息；
50、步骤23：对采集到的加速度和角速度数据进行积分，计算出机器人每个时刻的位置和姿态变化量；
51、步骤24：通过卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器对惯性数据和视觉数据进行融合，滤除噪声和误差，根据融合后的结果，更新机器人当前的位置信息；
52、步骤25：对每个连续帧执行视觉惯性里程计计算，根据视觉传感器提供的图像数据和惯性传感器的运动数据，计算出机器人在连续时刻的位姿变化，将每一帧的位姿结果与之前帧的结果累加，获得机器人完整的移动轨迹；
53、步骤26：分析惯性传感器中的高频震动信息，识别出机器人在振动时刻的运动特性，根据震动特性对视觉定位数据进行动态校正，平滑高频震动带来的噪声；
54、步骤27：根据校正后的视觉和惯性数据，实时更新机器人在输电线路上的位置信息，将当前位置信息反馈给路径规划与导航模块，以进行下一步的移动决策；
55、步骤28：实时监控定位精度，反馈给控制系统，并根据环境变化调整补偿算法和传感器参数。
56、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述校正由于线路振动引起的视觉定位偏差包括以下步骤：
57、步骤31：传感器实时监测输电线路的振动频率和振动幅度，分析每个时间段内的震动频率和振幅，以确定线路振动的特性；
58、步骤32：获取机器人的惯性数据，确保与震动数据的时间同步，同步惯性数据与震动传感器数据，方便后续融合计算；
59、步骤33：对振动数据进行频谱分析，确定高频振动成分，根据分析结果，识别影响视觉定位精度的主要振动成分；
60、步骤34：提取图像中的特征点并进行跟踪，检测相邻帧之间的特征点偏移量，对比视觉传感器和惯性传感器的数据，计算视觉定位误差；
61、步骤35：建立基于频率、幅度的振动补偿模型，计算补偿量，对传感器数据进行修正，滤除高频干扰；
62、步骤36：根据震动补偿模型，实时调整视觉特征点的位置，校正视觉数据偏差，更新校正后的位置信息，确保机器人的视觉定位稳定性。
63、作为本发明所述输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的一种优选方案，其中：所述建立基于频率、幅度的振动补偿模型，计算补偿量包括以下步骤：
64、步骤351：利用滤波算法对安装在输电线路上的震动传感器采集到的数据进行预处理，并从滤波后的数据中提取频率和振幅的关键信息；
65、步骤352：对采集到的振动数据进行傅里叶变换，得到振动频率的谱图，根据频谱图分类高频和低频振动分量，并分析幅度的变化；
66、步骤353：定义振动补偿函数，构建补偿模型；
67、振动补偿函数：
68、
69、其中：
70、和分别代表高频和低频振动的振幅；
71、和分别为高频和低频振动的频率；
72、和是影响系数，用于调整高频和低频振动对补偿量的影响；
73、和是调节参数，控制补偿函数对频率的响应；
74、步骤354：采集的频率和振幅数据带入补偿函数中，计算实时的补偿量，使用补偿量对视觉传感器采集的特征点进行调整，减少定位误差；
75、步骤355：将计算得到的补偿量实时应用到视觉定位系统中，校正特征点的位置，根据校正结果，反馈系统自动调整补偿模型参数，确保适应不同振动情况。
76、使用如上一种输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的定位方法，包括以下步骤：
77、通过环境感知模块中的多种传感器采集输电线路周围的环境数据，包括光照强度、风速、温湿度以及线路振动数据；
78、启动视觉传感器，获取视觉图像序列，并同步启动惯性传感器，保证视觉数据和惯性数据的时间戳同步；
79、根据环境感知模块采集的光照数据，触发光照补偿模块，动态调整摄像头参数以适应当前光照条件，确保图像质量稳定；
80、在当前图像帧中提取视觉特征点，跟踪相邻帧中的特征点位移，记录特征点的位移信息以进行初步的视觉定位；
81、对惯性传感器的加速度和角速度数据进行积分，计算机器人每个时刻的位姿变化量，推测机器人的位移与角度变化；
82、通过视觉惯性融合模块，将视觉数据与惯性传感器数据进行融合，利用卡尔曼滤波器或扩展卡尔曼滤波器进行数据滤波，消除噪声和误差，实时更新机器人的位置信息；
83、通过震动传感器监测输电线路的振动频率和幅度，对振动数据进行频谱分析，提取影响视觉定位的高频振动成分；
84、根据震动补偿模块构建的基于频率、幅度的补偿模型，计算振动补偿量，修正由于线路振动引起的视觉定位偏差，校正视觉数据中的特征点位置；
85、使用多传感器融合模块，将环境数据、视觉数据、惯性数据与震动补偿数据进行融合，获取更精确的机器人位置信息；
86、根据融合后的定位数据，结合输电线路的地理位置信息，通过路径规划与导航模块规划机器人在输电线路上的移动路径，确保机器人能够稳定准确地行进；
87、通过反馈控制模块，实时监控机器人定位精度，必要时调整机器人的运动参数，并根据环境变化动态调整补偿算法和传感器参数；
88、通过远程监控模块，地面操作人员可以实时查看机器人的定位信息与运行状态，进行远程调整；同时，故障检测模块用于监测系统异常并及时报警。
89、本发明的有益效果：
90、1、 本发明通过环境感知模块、光照补偿模块、视觉惯性融合模块和震动补偿模块的综合使用，使得该系统能够有效处理光照变化、视觉数据的不稳定性和线路振动带来的干扰，另外通过光照补偿模块动态调整摄像头参数，以适应不同光照条件，而视觉惯性融合模块和震动补偿模块能够减少由于震动和移动引起的定位误差，这些措施确保了机器人在复杂环境中的定位精度和稳定性，从而提升了消缺任务的准确性和效率。
91、2、 本发明系统中的自适应视觉算法模块能够根据外界环境的变化自动调整视觉系统的参数设置，如曝光时间、对比度等，以适应不同的视觉环境，确保视觉信息的有效性和准确性。这种自适应能力极大地增强了机器人对复杂多变室外环境的适应性。同时，多传感器融合模块将来自不同传感器的数据进行整合，不仅提高了数据的可靠性和冗余性，还使得系统能够更全面地感知和理解周围环境，为后续的路径规划与导航提供更加准确和丰富的信息支持。路径规划与导航模块则基于这些多源融合数据，结合智能算法，实现精准的路径规划与导航，使机器人在输电线路上的作业更加高效、安全。这些特性共同提升了系统的智能化水平，为输电线路的智能巡检与维护提供了强有力的技术支持。
1.一种输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：所述传感器包括光照传感器、风速传感器、温湿度传感器以及震动传感器，所述光照传感器用于实时监测光照强度和变化，所述风速传感器用于采集输电线路所处环境的风速信息，所述温湿度传感器用于采集输电线路所处环境的温湿度信息，所述震动传感器用于检测输电线路的震动频率和幅度，判断风力或机械运动引起的线路变动。
3.如权利要求1所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：所述摄像头参数包括曝光、增益以及对比度。
4.如权利要求1所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：还包括反馈控制模块、远程监控模块以及故障检测模块；
5.如权利要求1所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：所述计算所需补偿量的公式如下：
6.如权利要求1所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：所述补偿机器人在移动或震动过程中视觉数据的不稳定性包括以下步骤：
7.如权利要求1所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：所述校正由于线路振动引起的视觉定位偏差包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统，其特征在于：所述建立基于频率、幅度的振动补偿模型，计算补偿量包括以下步骤：
9.如权利要求1-8任一项所述的输电线路智能消缺机器人室外视觉定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
