一种低温环境下的摄像头防雾保护装置及其热管理方法

本发明涉及一种摄像头防雾保护装置，尤其是涉及一种低温环境下的摄像头防雾保护装置及其热管理方法。

背景技术：

1、冷库作为一种可以保持恒定低温的建筑，被广泛应用于食品、化工、医药、疫苗、血浆、科学实验等方面。为实现低温冷库仓储b2c货物配送“分拣”、“装卸”、“配送”的自动化，需要用智能物流机器人-无人叉车替代人工。摄像头作为智能物流机器人的重要组成部分，在低温冷库的特殊工况下存在以下两个问题：第一，低温环境会严重影响摄像头中电子元器件的使用可靠性以及寿命，导致难以在冷库中长时间工作，需对摄像头进行保温；同时物流叉车系统需要出入冷库进行货物搬运，室温与冷库温度存在极大温差，温度的骤降和骤升会影响相机的正常工作，因此需要对摄像头进行保温；第二，在无人叉车在自动化搬运中，摄像头的状态存在入库、停留、出库三种情况，无人叉车进出仓库时会有较大温差，易导致摄像头起雾从而影响识别效果，若雾气遮挡摄像头对应的外壳，会影响摄像头工作。目前，已有的低温摄像头保护策略主要采用加热玻璃、物理擦除等单一方法，自动化搬运为无人化操作，人工擦拭较为不便，传统的机械擦拭结构在低温以及超低温环境下极易出现故障。因此，除雾效果较为有限且难以满足低温冷库物流机器人的动态需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种具有良好的密封性、保温性和防雾能力的低温环境下的摄像头防雾保护装置及其热管理方法，该方法能实现温度的稳定和精确控制。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低温环境下的摄像头防雾保护装置，包括用于安装和固定摄像头的隔热玻璃壳体，所述的玻璃壳体的顶部通过螺栓密封连接有顶盖，所述的玻璃壳体内设置有用于实时采集所述的玻璃壳体内摄像头温度的第一温度传感器、用于实时采集所述的玻璃壳体内压强值的气压传感器、用于加热所述的摄像头的热辐射加热板和用于吸附所述的玻璃壳体内水蒸气的吸水材料，所述的玻璃壳体上设置有带有密封塞的抽气孔，所述的玻璃壳体中嵌设有用于加热所述的玻璃壳体的电阻加热板，所述的玻璃壳体上设置有用于实时采集所述的玻璃壳体温度的第二温度传感器。

3、优选的，所述的玻璃壳体的内壁涂有镜面涂层。通过反射热量，减少热辐射损失。

4、优选的，所述的热辐射加热板设置在所述的摄像头的背面，所述的电阻加热板嵌设在所述的玻璃壳体前壁且面向所述的摄像头。两种加热方式前后相对，有助于装置整体生物。

5、本发明还提供一种摄像头防雾保护装置的热管理方法，包括以下步骤：

6、(1)将无人叉车开启，通过气压传感器实时采集玻璃壳体内压强值并传输到无人叉车上的工控机，当工控机检测到玻璃壳体内压强值高于或等于预设的阀值，则工控机控制无人叉车发出警报，将玻璃壳体进行密封性检查并通过抽气孔进行抽真空；当工控机检测到玻璃壳体内压强值低于预设的阀值，则工控机控制无人叉车开始进入冷库并开启热辐射加热板；

7、(2)无人叉车在进入冷库的过程中，通过第一温度传感器实时采集摄像头温度并传输到无人叉车上的工控机，当工控机检测到无人叉车外周环境温度10s内波动大于或等于3℃，且环境温度与摄像头温度的差值大于20℃，则工控机控制热辐射加热板以100％的功率进行加热；当工控机检测到无人叉车外周环境温度10s内波动大于或等于3℃，且环境温度与摄像头温度的差值小于或等于20℃，则工控机控制热辐射加热板以50％的功率进行加热；当工控机检测到无人叉车外周环境温度10s内波动小于3℃，则判定无人叉车完成入库动作；

8、(3)无人叉车在冷库工作过程中，采用bp-pid控制算法对热辐射加热板的加热功率进行控制，维持摄像头的工作温度为设定温度；

9、(4)无人叉车在收到出库指令后，无人叉车上的工控机控制电阻加热板开启，通过第二温度传感器实时采集玻璃壳体温度并传输到工控机，当工控机检测到玻璃壳体温度小于或等于设定温度，则采用模糊pid控制算法分别对热辐射加热板和电阻加热板的加热功率进行控制，调整玻璃壳体温度达设定温度；当工控机检测到玻璃壳体温度大于其设定温度，则工控机控制无人叉车开始出库。

10、优选的，步骤(3)具体步骤如下：将摄像头的工作温度设定为-4～4℃，无人叉车上的工控机根据设定的工作温度和第一温度传感器实时采集的摄像头温度，采用基于bp神经网络的pid控制算法实时计算获得热辐射加热板的加热功率投入比，工控机实时控制热辐射加热板的加热功率，通过热辐射加热板维持摄像头的温度为设定的工作温度。

11、优选的，步骤(4)具体步骤如下：将玻璃壳体的出库温度设定为5～15℃，无人叉车上的工控机根据设定的出库温度和第二温度传感器实时采集的玻璃壳体温度，采用模糊控制器的pid控制算法实时计算获得热辐射加热板和电阻加热板的加热功率投入比，工控机实时控制热辐射加热板和电阻加热板的加热功率，通过热辐射加热板和电阻加热板精准调整玻璃壳体温度达到设定的出库温度。

12、与现有技术相比，本发明的优点在于：

13、1、保温性：密封性良好的前提下，通过抽气孔抽去装置内大部分空气，使内部保持真空状态，有效减少空气导致的对流热流失，节约能耗，同时真空下热传导相比于空气介质热传导效率大大降低，可以作为温度变化的缓冲区域，避免无人叉车在进出低温区域与常温区域时，温度的骤变影响摄像头寿命以及性能。

14、2、防雾：无人叉车入库时，玻璃壳体温度低于其内部温度，内侧可能出现冷凝。该装置内部保持真空，通过提前抽气有效减少了装置内部的水分含量，通过吸水材料进一步吸收空气中水分，空气中水含量较低则玻璃壳体内壁不容易产生冷凝水；装置外侧防冷凝水措施：无人叉车出库时，玻璃壳体温度低于外部环境温度，壳体外壁可能出现冷凝现象，通过将摄像头对应的前端透明玻璃壳体进行加热，使其与环境温差较小，从而避免产生冷凝水影响摄像头的正常工作。

15、3、对视觉系统进行工作温度控制。采用bp-pid控制算法进行加热系统控制，维持相机的额定工作温度，在装置工作时摄像头其内部主控芯片发热程度会有着不同变化，由于热源的变化复杂，整体加热系统的稳定控制算法需要有较强的稳定性。bp-pid控制算法能使得整体系统有着较好的适应性和稳定性，维持冷库工作中摄像头的温度稳定以及低能耗，减少无人叉车在不同温度库中工作时高低温度切换产生的大幅度瞬时温差对摄像头产生的影响；同时保证无人叉车在低温环境下长时间工作时摄像头的正常工作温度，提高系统寿命和稳定性。

16、4、对装置进行防雾温度控制。收到冷库机器人的出库指令后，相机配合与机器人的出库动作提前通过电阻加热板进行隔热玻璃的温度调整，配合模糊pid控制算法使得加热速度快，加热温度准确，尽可能减少过度加热产生的能量损耗，同时及时调整隔热玻璃温度，避免由于出库后玻璃温度过低产生的冷凝水影响摄像头的图像；该方法通过模糊规则确定pid控制参数，能够更快地改变温度，提高效率，实现温度的稳定和精确控制，快速准确的达到出库温度。

17、5、装置存在有较多的加热升温环节，采用不同的加热系统控制算法适应不同的冷库机器人工作任务，减少加热能耗的损失，防止从低温冷库移动至高温环境时摄像头外侧出现冷凝水，防止高温环境移动至低温冷库时摄像头内侧出现冷凝水。

18、综上所述，本发明一种低温环境下的摄像头防雾保护装置及其热管理方法，通过气压传感器检测是否达标，达标后开始入库。入库过程中，通过外部温度传感器与摄像头温度传感器检测温差，根据温差启用辐射加热进行实时补偿。入库完成后，利用辐射加热，通过bp-pid温度控制方法对相机温度进行控制。该方法结合神经网络，能够更精确地控制温度稳定。完成冷库中工作后，上位机发送出库指令，利用辐射加热和电阻加热两种方式，通过模糊pid方法控制装置玻璃温度。该方法通过模糊规则确定pid控制参数，能够更快地改变温度，提高效率。温度达标后开始出库，检测出库完成后关闭加热装置，从而实现了全流程的温度控制。