矿热炉巡检机器人控制系统及方法

权利要求书： 1.一种矿热炉巡检机器人控制系统，其特征在于，包括：主控程序单元、工控机程序单元以及工作员站程序单元；

所述主控程序单元为底层代码，用于硬件驱动、传感器信号通信与处理、电源管理、与ROS通信；

所述工控机程序单元设置在Linux操作系统的应用软件，用于导航与控制核心ROS节点的定位、导航以及指令处理，以及高清相机和红外相机视频数据的处理；

所述工作员站程序单元，设置在工作员站和远程工作员站的矿热炉巡检机器人管理系统和数据库，是巡检人员监控和维护机器人的平台；

所述主控程序单元、工控机程序单元间数据通过底层通信节点进行沟通；所述工控机程序单元通过WIFI路由器与所述工作员站程序单元实现信号的沟通；所述工作员站程序单元还包括：电子地图子单元、表盘识别子单元、火焰识别子单元、特征识别子单元、炉膛识别子单元以及声音识别子单元；

所述电子地图子单元，同步定位与地图构建即SLAM通过激光雷达采集点云提炼楼层地图，根据建筑图纸构建BIM系统，对矿热炉工业场景进行三维构建，实现巡检机器人自主呼叫电梯，矿热炉全楼层定位，采集数据在时间和空间上都有可追溯性；

所述表盘识别子单元，实现水分器、液压站和电炉变压器的指针表盘和液晶数字现场采集数据，保存并同步上传工作员站，超出阈值设置及时发出报警；

所述火焰识别子单元，实现炉盖冒火采集图像保存并同步上传工作员站；输料皮带和电炉变压器烟火识别后，及时发出报警；

所述特征识别子单元，保存炉门开关状态，炉门状态异常及时发出报警；识别料管、短网、水分器的设备编号，以设备单体统计最高温度、最低温度和平均温度；

所述炉膛识别子单元，自主向矿热炉控制系统发出请求打开检修门信号，检修门打开后，使用高温红外相机采集炉膛数据，采集数据完成后，再向矿热炉控制系统发出请求关闭检修门信号；红外相机采集到炉膛料面温度和电极炉膛内裸露段温度，以及通过算法复原炉膛料面堆形、下料嘴烧损和电极炉膛内裸露段烧损情况；

所述声音识别子单元为环形加料机和输料皮带在环境噪声下识别轴承类故障预警，以及矿热炉炉膛内冷却水泄露造成爆炸声音识别。

2.根据权利要求1所述的一种矿热炉巡检机器人控制系统，其特征在于，

所述控制系统还具有可实时监控的监控子单元；操作人员观察实时高清和红外视频信号，通过算法对红外视频高温区域实时统计，使用方框标识出来；红外视频最高温度和最低温度参照使用三角形图形标识；统计出来的红外图像以及高温矩形区域的最高温度、最低温度和平均温度都同步显示在实时红外视频里。

3.一种矿热炉巡检机器人控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：解析bin文件温度数据，红外视频图像的温度数据每秒更新一条数据，每个像素的温度数据占用2字节，图像点阵第一个像素温度数据(L1,1，H1,1)，其中,L1,1表示温度值的低8位，H1,1表示温度值的高8位,像素点的摄氏温度为：T1,1＝(H1,1*256+L1,1)/10–273，单位：℃；

S2：统计红外图像温度，得到红外图像的最高温度、最低温度以及像素坐标，计算红外图像的平均温度；

S3：自动设定高温阈值，统计红外图像温度分布，得到温度统计直方图确定初始阈值和迭代次数，通过迭代算法处理，自动选择区域内第一个最高波峰，波峰温度不小于最高温度的0.8倍，设置温度T为最佳高温阈值；

S4：标记大于高温阈值的区域，红外图像分成两部分，大于高温阈值的像素群和小于等于高温阈值的像素群，将所述红外图像处理成一个二值图像；

S5：高温连通区域取并集；采用4?领域Two?Pass算法得到高温连通区域，每个高温区域赋予唯一的标识Label；

S6：高温轮廓提取，提取高温连通区域的轮廓外形，计算高温区域轮廓面积，单位是像素，即轮廓内包含多少像素；

T1：判断轮廓面积是否大于500像素；对所述高温连通区域面积进行筛选，若小于等于

500像素面积区域不进行统计，若没有大于500像素高温轮廓面积，直接显示红外图像的统计温度；

S7：高温最小外接矩形，采用最小外接矩形算法得到最小面积外接矩形；

S8：统计矩形区域温度，得到每个矩形区域的最高温度、最低温度和平均温度，以及矩形左上角像素坐标、矩形区域的宽度和高度；

T2：判断高温矩形区域数量是否小于4个；

S9：提取面积排序1?4的矩形区域，排序设备重要性等级，筛选重点巡检设备关联的高温矩形区域；

S10：输出矩形边框，根据矩形区域左上角像素坐标、矩形区域的宽度和高度输出方框，标识编号，最多输出4个矩形方框；

S11：显示统计温度，红外图像生成一个悬浮方框，显示红外图像和高温矩形区域的统计温度，并标识红外图像的最高温度和最低温度像素点，使用三角形图形指示，温度值显示在三角形上面部分。

4.根据权利要求3所述的一种矿热炉巡检机器人控制方法，其特征在于，

所述步骤S2中保存红外图像温度统计数据，包括：最高温度及像素坐标、最低温度及像素坐标和平均温度。

5.根据权利要求3所述的一种矿热炉巡检机器人控制方法，其特征在于，所述步骤S3中所述温度统计直方图横坐标为像素温度，纵坐标为温度像素数。

6.根据权利要求3所述的一种矿热炉巡检机器人控制方法，其特征在于，所述步骤S8中保存矩形区域温度统计数据包括：矩形区域最高温度、最低温度和平均温度，以及矩形像素坐标。

7.根据权利要求3所述的一种矿热炉巡检机器人控制方法，其特征在于，所述步骤S1?S11循环执行，执行一次任务运行时间小于40毫秒。

说明书： 一种矿热炉巡检机器人控制系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及矿热炉冶炼技术领域，具体而言，尤其涉及矿热炉巡检机器人控制系统及方法。背景技术[0002] 矿热炉冶炼环境有高温、高粉尘特点，也可能会有塌料、CO气体泄漏等危险情况。目前矿热炉巡检方式为人工现场走动巡检，通过视觉、触觉和听觉经验判断设备运行情况，红外测温枪测温并手写表格记录，造成设备故障查询、运行状态历史追溯效率低，巡检数据记录缺乏完整性和客观性。

[0003] 因为矿热炉生产的高危环境危及工人安全，以及人工巡检无法实现高频、即时到达故障设备并准确记录设备运行全状态，急需对传统矿热炉巡检方式升级为智能巡检，提高矿热炉运行稳定性、预防事故发生，改善巡检工人的工作环境和保证其生命安全。发明内容[0004] 根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供一种自主巡检、自动导航避障巡检机器人，替代工人进入高温、高粉尘危险环境，最大程度减少人员参与、排除安全隐患、提高生产效率，开发一种更为先进、智能的巡检模式。[0005] 本发明采用的技术手段如下：[0006] 一种矿热炉巡检机器人控制系统，包括：主控程序单元、工控机程序单元以及工作员站程序单元；[0007] 所述主控程序单元为底层代码，用于硬件驱动、传感器信号通信与处理、电源管理、与ROS通信；[0008] 所述工控机程序单元设置在Linux操作系统的应用软件，用于导航与控制核心ROS节点的定位、导航以及指令处理，以及高清相机和红外相机视频数据的处理；[0009] 所述工作员站程序单元，设置在工作员站和远程工作员站的矿热炉巡检机器人管理系统和数据库，是巡检人员监控和维护机器人的平台；[0010] 所述主控程序单元、工控机程序单元间数据通过底层通信节点进行沟通；所述工控机程序单元通过WIFI路由器与所述工作员站程序单元实现信号的沟通。[0011] 本发明还包含一种矿热炉巡检机器人控制方法，包括以下步骤：[0012] 步骤S1：解析bin文件温度数据，红外视频图像的温度数据每秒更新一条数据，每个像素的温度数据占用2字节，图像点阵第一个像素温度数据(L1,1，H1,1)，其中,L1,1表示温度值的低8位，H1,1表示温度值的高8位,像素点的摄氏温度为：T1,1＝(H1,1*256+L1,1)/10–273，单位：℃；

[0013] 步骤S2：统计红外图像温度，得到红外图像的最高温度、最低温度以及像素坐标，计算红外图像的平均温度；[0014] 步骤S3：自动设定高温阈值，统计红外图像温度分布，得到温度统计直方图确定初始阈值和迭代次数，通过迭代算法处理，自动选择区域内第一个最高波峰，波峰温度不小于最高温度的0.8倍，设置温度T为最佳高温阈值；[0015] 步骤S4：标记大于高温阈值的区域，红外图像分成两部分，大于高温阈值的像素群和小于等于高温阈值的像素群，将所述红外图像处理成一个二值图像；[0016] 步骤S5：高温连通区域取并集；采用4?领域Two?Pass算法得到高温连通区域，每个高温区域赋予唯一的标识Label；[0017] 步骤S6：高温轮廓提取，提取高温连通区域的轮廓外形，计算高温区域轮廓面积，单位是像素，即轮廓内包含多少像素；[0018] 步骤T1：判断轮廓面积是否大于500像素；对所述高温连通区域面积进行筛选，若小于等于500像素面积区域不进行统计，若没有大于500像素高温轮廓面积，直接显示红外图像的统计温度；[0019] 步骤S7：高温最小外接矩形，采用最小外接矩形算法得到最小面积外接矩形；[0020] 步骤S8：统计矩形区域温度，得到每个矩形区域的最高温度、最低温度和平均温度，以及矩形左上角像素坐标、矩形区域的宽度和高度；[0021] 步骤T2：判断高温矩形区域数量是否小于4个；[0022] 步骤S9：提取面积排序1?4的矩形区域，排序设备重要性等级，筛选重点巡检设备关联的高温矩形区域；[0023] 步骤S10：输出矩形边框，根据矩形区域左上角像素坐标、矩形区域的宽度和高度输出方框，标识编号，最多输出4个矩形方框；[0024] 步骤S11：显示统计温度，红外图像生成一个悬浮方框，显示红外图像和高温矩形区域的统计温度，并标识红外图像的最高温度和最低温度像素点，使用三角形图形指示，温度值显示在三角形上面部分。[0025] 较现有技术相比，本发明具有以下优点：[0026] 本发明提供了一种自主巡检、自动导航避障巡检机器人，能够有效地替代工人进入高温、高粉尘危险环境，最大程度减少人员参与、排除安全隐患、提高生产效率，提供一种更为先进、智能的巡检模式。附图说明[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0028] 图1为本发明矿热炉巡检机器人爆炸图。[0029] 图2为本发明矿热炉巡检机器人软件系统结构框图。[0030] 图3为本发明检修门开关状态识别示意图。[0031] 图4为本发明实时监控示意图。[0032] 图5为本发明红外视频实时温度显示流程图。[0033] 图中：1、红外相机；2、高清相机；3、WIFI天线；4、工作状态指示灯；5、雷达；6、气体检测仪；7、噪声检测仪；8、照明灯；9、前超声；10、防撞条；11、路由器；12、升降机构；13、电池；14、驱动电机；15、驱动控制板；16、自动充电组件；17、后超声；18、工控机和主控板；19、急停按钮；20、调试组件；21、启动开关；22、电源开关；23、手动充电；P1、主控板程序；P2、工控机程序；P3、工作员站程序。具体实施方式[0034] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。[0035] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。[0036] 如图1?5所示，本发明提供了一种轮式机器人搭载高清相机、红外相机实现矿热炉的高频、预设巡检点、图像、视频、音频、环境巡检并将巡检数据实时展示、算法处理及归档。如图1所示，矿热炉巡检机器人使用轮式底盘。机器人包括：1红外相机采集红外图像和视频；2高清相机使用高像素相机；3WIFI天线；4声光报警灯；5雷达；6气体检测仪；7噪声检测仪；8照明灯；9前超声；10防撞条；11路由器；12升降机构；13电池；14驱动电机；15驱动控制板；16自动充电组件；17后超声雷达；18工控机和主控板；19急停按钮；20调试组件；21启动开关；22电源开关；23手动充电。

[0037] 如图2是矿热炉巡检机器人软件系统结构框图，(P1)主控板程序是底层代码，用于硬件驱动、传感器信号通信与处理、电源管理、与ROS通信。(P2)工控机程序是安装在Linux操作系统的应用软件，用于导航与控制核心ROS节点(定位、导航、指令处理)，以及高清相机和红外相机视频数据的处理。工作员站程序(P3)是安装在工作员站和远程工作员站的矿热炉巡检机器人管理系统和数据库，是巡检人员监控和维护机器人的平台。[0038] 作为一种优选的实施方式，本发明包含一种矿热炉巡检机器人控制系统，包括：主控程序单元、工控机程序单元以及工作员站程序单元；所述主控程序单元为底层代码，用于硬件驱动、传感器信号通信与处理、电源管理、与ROS通信；所述工控机程序单元设置在Linux操作系统的应用软件，用于导航与控制核心ROS节点的定位、导航以及指令处理，以及高清相机和红外相机视频数据的处理；所述工作员站程序单元，设置在工作员站和远程工作员站的矿热炉巡检机器人管理系统和数据库，是巡检人员监控和维护机器人的平台；所述主控程序单元、工控机程序单元间数据通过底层通信节点进行沟通；所述工控机程序单元通过WIFI路由器与所述工作员站程序单元实现信号的沟通。本技术通过工作员站运行矿热炉巡检机器人管理系统调度任务，规划巡检路线、预设巡检点、预设巡检点功能(高清图像、红外图像、表盘识别、火焰识别、特征识别、炉膛识别、声音识别)，自动按照调度预设时间触发巡检任务，全程采集环境参数、CO浓度、音频和视频信号，自动巡检任务过程中，操作人员可以人为干预，实现任务跟踪、暂停、恢复，或一键充电，巡检机器人选择最优路线，返回充电原点和自动充电。巡检机器人实现全楼层巡检任务覆盖，可以主动呼叫直井电梯，声光提示，自动避障。[0039] 巡检任务采集处理数据，与设定阈值相比设备温度过高、CO浓度过高，或炉膛冒火，及时发出声光报警，并存储报警信息。巡检机器人管理系统可以长周期存储巡检数据，包括图像、视频、各种数值和报警信息，实现历史数据可查询，并生成巡检任务报表。[0040] 进而，在本实施方式中，所述工作员站程序单元还包括：电子地图子单元、表盘识别子单元、火焰识别子单元、特征识别子单元、炉膛识别子单元以及声音识别子单元；所述电子地图子单元，SLAM(同步定位与地图构建)采用激光雷达采集点云提炼楼层地图，根据建筑图纸构建BIM系统，对矿热炉工业场景进行三维构建，实现巡检机器人自主呼叫电梯，矿热炉全楼层定位，采集数据在时间和空间上都有可追溯性；所述表盘识别子单元，实现水分器、液压站和电炉变压器的指针表盘和液晶数字现场采集数据，保存并同步上传工作员站，超出阈值设置及时发出报警；所述火焰识别子单元，实现炉盖冒火采集图像保存并同步上传工作员站；输料皮带和电炉变压器烟火识别后，及时发出报警；所述特征识别子单元，保存炉门开关状态，炉门状态异常及时发出报警；识别料管、短网、水分器的设备编号，以设备单体统计最高温度、最低温度和平均温度；所述炉膛识别子单元，自主向矿热炉控制系统发出请求打开检修门信号，检修门打开后，使用高温红外相机采集炉膛数据，采集数据完成后，再向矿热炉控制系统发出请求关闭检修门信号；红外相机采集到炉膛料面温度和电极炉膛内裸露段温度，以及通过算法复原炉膛料面堆形、下料嘴烧损和电极炉膛内裸露段烧损情况；所述声音识别子单元为环形加料机和输料皮带在环境噪声下识别轴承类故障预警，以及矿热炉炉膛内冷却水泄露造成爆炸声音识别。[0041] 如图4是所述控制系统还具有可实时监控的监控子单元；操作人员观察实时高清和红外视频信号，通过算法对红外视频高温区域实时统计，使用方框标识出来；红外视频最高温度和最低温度参照使用三角形图形标识；统计出来的红外图像以及高温矩形区域的最高温度、最低温度和平均温度都同步显示在实时红外视频里。实时监控界面，操作人员可以观察实时高清和红外视频信号，使用智能算法对红外视频高温区域实时统计，使用方框标识出来。红外视频最高温度和最低温度参照使用三角形图形标识出来。统计出来的红外图像以及高温矩形区域的最高温度、最低温度和平均温度都同步显示在实时红外视频里。[0042] 如图5所示，本发明还包含一种矿热炉巡检机器人控制方法，包括以下步骤：[0043] 步骤S1：解析bin文件温度数据，红外视频图像的温度数据每秒更新一条数据，每个像素的温度数据占用2字节，图像点阵第一个像素温度数据(L1,1，H1,1)，其中,L1,1表示温度值的低8位，H1,1表示温度值的高8位,像素点的摄氏温度为：T1,1＝(H1,1*256+L1,1)/10–273，单位：℃；

[0044] 步骤S2：统计红外图像温度，得到红外图像的最高温度、最低温度以及像素坐标，计算红外图像的平均温度；所述步骤S2中保存红外图像温度统计数据，包括：最高温度及像素坐标、最低温度及像素坐标和平均温度。[0045] 步骤S3：自动设定高温阈值，统计红外图像温度分布，得到温度统计直方图确定初始阈值和迭代次数，通过迭代算法处理，自动选择区域内第一个最高波峰，波峰温度不小于最高温度的0.8倍，设置温度T为最佳高温阈值。步骤S3中所述温度统计直方图横坐标为像素温度，纵坐标为温度像素数。[0046] 步骤S4：标记大于高温阈值的区域，红外图像分成两部分，大于高温阈值的像素群和小于等于高温阈值的像素群，将所述红外图像处理成一个二值图像；[0047] 步骤S5：高温连通区域取并集；采用4?领域Two?Pass算法得到高温连通区域，每个高温区域赋予唯一的标识Label；[0048] 步骤S6：高温轮廓提取，提取高温连通区域的轮廓外形，计算高温区域轮廓面积，单位是像素，即轮廓内包含多少像素；[0049] 步骤T1：判断轮廓面积是否大于500像素；对所述高温连通区域面积进行筛选，若小于等于500像素面积区域不进行统计，若没有大于500像素高温轮廓面积，直接显示红外图像的统计温度；[0050] 步骤S7：高温最小外接矩形，采用最小外接矩形算法得到最小面积外接矩形；[0051] 步骤S8：统计矩形区域温度，得到每个矩形区域的最高温度、最低温度和平均温度，以及矩形左上角像素坐标、矩形区域的宽度和高度；所述步骤S8中保存矩形区域温度统计数据包括：矩形区域最高温度、最低温度和平均温度，以及矩形像素坐标。[0052] 步骤T2：判断高温矩形区域数量是否小于4个；[0053] 步骤S9：提取面积排序1?4的矩形区域，排序设备重要性等级，筛选重点巡检设备关联的高温矩形区域；[0054] 步骤S10：输出矩形边框，根据矩形区域左上角像素坐标、矩形区域的宽度和高度输出方框，标识编号，最多输出4个矩形方框；[0055] 步骤S11：显示统计温度，红外图像生成一个悬浮方框，显示红外图像和高温矩形区域的统计温度，并标识红外图像的最高温度和最低温度像素点，使用三角形图形指示，温度值显示在三角形上面部分。[0056] 以上描述红外视频实时温度显示逻辑在工作员站执行，不间断周期循环，执行一次任务运行时间小于40毫秒。[0057] 巡检机器人对矿热炉全楼层区域内设备预设大量巡检点，实现全天候不间断高频率全覆盖巡检，全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和实时识别，减少巡检人员进入危险区域，智能巡检和运营优化的良性循环。[0058] 实施例一：[0059] 本技术通过工作员站运行矿热炉巡检机器人管理系统调度任务，规划巡检路线、预设巡检点、预设巡检点功能(高清图像、红外图像、表盘识别、火焰识别、特征识别、炉膛识别、声音识别)，自动按照调度预设时间触发巡检任务，全程采集环境参数、CO浓度、音频和视频信号，自动巡检任务过程中，操作人员可以人为干预，实现任务跟踪、暂停、恢复，或一键充电，巡检机器人选择最优路线，返回充电原点和自动充电。巡检机器人实现全楼层巡检任务覆盖，可以主动呼叫直井电梯，声光提示，自动避障。单台巡检机器人造价在40万左右，按每台巡检机器人替代3个人工(3班)，每年给用户节省45万元，售价按50万元，每台机器人将产生利润10万元。我公司近15年完成400条生产线的建设，按每条矿热炉生产线需要2台机器人计算，将需要800台巡检机器人。考虑新建项目及非我公司存量项目，市场需求数量将超过1500台，约产生1.5亿元的利润。[0060] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。[0061] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。