一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法技术方案

技术编号:19749997 阅读:29 留言:0更新日期:2018-12-12 05:32
本发明专利技术提出了一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,包括以下步骤:建立各类配输电线路的标准作业现场参数数据库,构建系统数据库的索引结构;构建标准三维模型数据库:以原点坐标系为参考坐标系,建立各个元器件的标准三维模型,将建模结果数据存储到标准三维模型数据库中;搭建带电作业任务的标准作业场景;建立带电作业场景中各元器件的视觉测量坐标系,得到原点坐标系相对于视觉测量坐标系的齐次变换矩阵;利用附着安装于机械臂末端的双目相机,测量带电作业现场中非结构化误差,修正、完善建立的标准作业场景模型,得到与实际现场吻合的重构场景;本方法构建的带电作业现场与真实现场相吻合,便于机器人进行相关作业操作。

【技术实现步骤摘要】
一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法
本专利技术属于作业现场重构
,具体涉及一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法。
技术介绍
现场重构技术在实现机器人安全自主控制和沉浸式遥操作控制方面扮演着重要角色。目前,我国带电作业任务主要以人工作业为主,存在风险高、效率低和培训成本高等问题,依靠现场重构技术,采用远程遥操作作业和机器人自主作业方式可以很好规避人工带电作业存在的不足,这也是目前机器人带电作业领域的研究热点之一。如何为远程遥操作者和机器人自主作业控制平台提供实时可靠的带电作业现场三维环境数据是急需解决的难点之一。目前,三维现场重构方法主要是利用双目相机或激光传感器采集现场点云深度信息,通过对点云信息的滤波、分割、分类以及识别等处理进而还原现场三维环境信息。带电更换避雷器作业现场元器件数量较多、元器件轮廓复杂且存在相互遮挡,若采用点云信息进行重构,则传感器需绕场景旋转以采取多角度点云数据,随后对采集到的多角度点云进行拼接和有效信息提取。此方法可以得到与实际现场基本吻合的三维点云场景,但法算法复杂度高,计算量庞大,实时性弱;为了呈现元器件细节特征,需点云传感器有较高精度,设备成本高。虚拟现实技术可以构建内容丰富的虚拟场景并实现人机交互。针对如室内、车间、楼宇等场景,按照确定的几何信息建立三维模型后利用场景漫游技术,可以很好实现模拟动画和仿真。虚拟场景一旦建立,使用时只用加载相应模型即可,速度快、效率高。但在带电作业现场中,由于存在导线的弯曲、零部件安装位置的偏差等问题,构建的固定的虚拟现实场景与实际现场往往存在一定差距,对于带电作业中的拆除避雷器与横担的连接螺栓、引流线与线夹的孔轴装配等过程来说,这个误差很可能导致作业失败。由于缺乏与实际现场的数据交互,虚拟现实场景不能直接作为可靠的重构场景使用。要实现带电作业任务的机器人安全自主作业和远程遥操作作业,对重构现场的精度和实时性提出了较高的要求。针对具有非结构化特性的带电作业现场,如何兼顾重构场景的可靠性和重构速度是一个有待突破的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,以满足目前带电作业机器人系统在带电领域中的遥操作作业和自主作业两种方式下对现场重构过程的快速、可靠的需求。实现本专利技术目的的技术解决方案为:一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,包括以下步骤:步骤1、建立各类配输电线路的标准作业现场参数数据库,构建系统数据库的索引结构:根据带电作业现场电气元器件的种类、对应的标准外形尺寸数据以及对应的标准相对安装位置数据,将这三类数据存入标准作业现场参数数据库中,为每个元器件指定唯一的全局索引标号;指定元器件i在建立标准三维模型时的元器件上的原点坐标系;建立两元器件的原点坐标系之间标准相对安装位置数据的齐次变换矩阵;构建系统数据库的索引结构;步骤2、构建标准三维模型数据库:以原点坐标系为参考坐标系,建立各个元器件的标准三维模型,将建模结果数据存储到标准三维模型数据库中;步骤3、搭建带电作业任务的标准作业场景:将重构现场元器件分为可靠元器件、活动元器件和随从元器件三类,分别建立可靠元器件集合、活动元器件集合以及随从元器件集合;根据带电作业任务的不同,在标准作业现场参数数据库中检索到对应场景信息,确定场景中各元器件原点坐标系之间的相对位姿后,利用全局编号在标准三维模型数据库中检索到对应元器件的标准三维模型数据并读入,完成标准作业场景的搭建;步骤4、建立带电作业场景中各元器件的视觉测量坐标系,得到原点坐标系相对于它的齐次变换矩阵:首先确定带电作业场景中对位姿数据精度有要求的元器件,建立附着于各元器件的测量坐标系;用齐次变换矩阵来记录原点坐标系相对于视觉测量坐标系的相对位姿关系;步骤5、利用附着安装于机械臂末端的双目相机,测量带电作业现场中非结构化误差,修正、完善建立的标准作业场景模型,得到与实际现场吻合的重构场景:包括基于双目视觉的电线三维模型的重构和场景中各器件实际安装位姿与标准安装位姿间误差的修正。本专利技术与现有技术相比,其显著优点:(1)本专利技术参考国家电网和地方电网的施工标准,提出建立标准作业现场参数数据库和标准三维模型数据库,便于对带电作业现场各类有效数据进行分类、存储和读取。(2)本专利技术将带电作业现场环境分为标准作业场景和非结构化误差两部分,把重构过程分为标准作业场景的搭建和基于双目视觉的非结构化误修正差两个阶段,简化了重构过程,大幅提高了计算效率。(3)本专利技术建立带电作业现场各元器件的标准三维模型数据库,用于实现对各类元器件标准三维模型的存储和读取。通过预先建立标准元器件的标准三维模型,可省去实时重构过程对环境中标准元器件三维模型数据的采集和处理过程,减少了对传感器的依赖,可降低成本,加快重构速度。(4)针对标准作业场景部分,本专利技术提出依据标准三维模型数据库中各元器件标准三维模型数据和标准作业现场参数数据库中各元器件间的标准相对安装位置数据,实现对标准作业场景的快速搭建;此步骤无需传感器参与,所需数据只需到所建立的数据库中检索即可,可快速完成;标准作业场景的搭建按照带电作业行业标准进行,可保证标准作业场景与实际现场布局一致。(5)针对电线的重构过程,本专利技术提出利用双目相机测量作业现场中电线的中心线上的离散点的位置坐标,以多项式插值方式获取近似中心线轨迹,进而以等截面拉升算法计算得到电线的三维模型,实现了对电线三维模型的快速精确重构。(6)针对非结构化误差部分,本专利技术提出利用双目相机实时测量作业现场中指定元器件的位姿(位置和姿态)信息,将此实测位姿信息用于修正标准作业场景中对应元器件的位姿状态,保证了重构场景中元器件位姿与真实作业现场相吻合。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术的带电作业场景的快速重构方法的流程图。图2为基于械臂的图像采集系统示意图。图3为本专利技术系统数据库结构框图。图4(a-b)分别为本实施例中两种型号的避雷器标准三维模型图。图5为本实施例中跌落式熔断器标准三维模型图。图6为本实施例中横担标准三维模型图。图7为本实施例中杆塔标准三维模型图。图8为本实施例中拉线式绝缘子标准三维模型图图9为本实施例中数据库结构框图。图10为本实施例中标准作业现场三维场景图。图11(a-b)分别为电线中心线上离散点获取和连续化示意图。图12为重构的电线三维模型示意图。图13为本实施例中作业现场重构结果图。具体实施方式为了说明本专利技术的技术方案及技术目的,下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。结合图2,本专利技术的基于械臂的图像采集系统,包括六自由度机械臂、以及通过支架固定在机械臂末端的双目摄像机;通过支架,可保证双目相机之间位置固定且相机随机械臂末端一起运动;通过控制机械臂的运动,调整双目摄像机的三维位置和姿态,实现对双目摄像机视野的调整。结合图1,本专利技术提出一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,包括以下步骤:步骤1、建立各类配输电线路的标准作业现场参数数据库,构建系统数据库的索引结构:目前带电作业任务主要包括几种类型:更换避雷器、接搭引流线、更换隔离刀闸以及更换跌落式熔断器,每一种作业任务的现场仅为配输电线路的一个局部,从效率和本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1、建立各类配输电线路的标准作业现场参数数据库,构建系统数据库的索引结构:根据带电作业现场电气元器件的种类、对应的标准外形尺寸数据以及对应的标准相对安装位置数据,将这三类数据存入标准作业现场参数数据库中,为每个元器件指定唯一的全局索引标号;指定元器件i在建立标准三维模型时的元器件上的原点坐标系;建立两元器件的原点坐标系之间标准相对安装位置数据的齐次变换矩阵;构建系统数据库的索引结构;步骤2、构建标准三维模型数据库:以原点坐标系为参考,建立各个元器件的标准三维模型,将建模结果数据存储到标准三维模型数据库中;步骤3、搭建带电作业任务的标准作业场景:将重构现场元器件分为可靠元器件、活动元器件和随从元器件三类,分别建立可靠元器件集合、活动元器件集合以及随从元器件集合;根据带电作业任务的不同,在标准作业现场参数数据库中检索到对应场景信息,得到场景中各元器件原点坐标系之间的标准相对位姿后,利用全局编号在标准三维模型数据库中检索到对应元器件的标准三维模型数据并读入,完成标准作业场景的搭建;步骤4、建立带电作业场景中各元器件的视觉测量坐标系,得到原点坐标系相对于它的齐次变换矩阵:首先确定带电作业场景中对位姿数据精度有要求的元器件,建立附着于各元器件的测量坐标系;用齐次变换矩阵来记录原点坐标系相对于测量坐标系的位姿关系;步骤5、利用附着安装于机械臂末端的双目相机,测量带电作业现场中非结构化误差,修正、完善建立的标准作业场景模型,得到与实际现场吻合的重构场景:包括基于双目视觉的电线三维模型的重构和场景中各器件实际安装位姿与标准安装位姿间误差的修正。...

【技术特征摘要】
1.一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1、建立各类配输电线路的标准作业现场参数数据库,构建系统数据库的索引结构:根据带电作业现场电气元器件的种类、对应的标准外形尺寸数据以及对应的标准相对安装位置数据,将这三类数据存入标准作业现场参数数据库中,为每个元器件指定唯一的全局索引标号;指定元器件i在建立标准三维模型时的元器件上的原点坐标系;建立两元器件的原点坐标系之间标准相对安装位置数据的齐次变换矩阵;构建系统数据库的索引结构;步骤2、构建标准三维模型数据库:以原点坐标系为参考,建立各个元器件的标准三维模型,将建模结果数据存储到标准三维模型数据库中;步骤3、搭建带电作业任务的标准作业场景:将重构现场元器件分为可靠元器件、活动元器件和随从元器件三类,分别建立可靠元器件集合、活动元器件集合以及随从元器件集合;根据带电作业任务的不同,在标准作业现场参数数据库中检索到对应场景信息,得到场景中各元器件原点坐标系之间的标准相对位姿后,利用全局编号在标准三维模型数据库中检索到对应元器件的标准三维模型数据并读入,完成标准作业场景的搭建;步骤4、建立带电作业场景中各元器件的视觉测量坐标系,得到原点坐标系相对于它的齐次变换矩阵:首先确定带电作业场景中对位姿数据精度有要求的元器件,建立附着于各元器件的测量坐标系;用齐次变换矩阵来记录原点坐标系相对于测量坐标系的位姿关系;步骤5、利用附着安装于机械臂末端的双目相机,测量带电作业现场中非结构化误差,修正、完善建立的标准作业场景模型,得到与实际现场吻合的重构场景:包括基于双目视觉的电线三维模型的重构和场景中各器件实际安装位姿与标准安装位姿间误差的修正。2.根据权利要求1所述的一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,其特征在于,步骤1构建系统数据库的索引结构,具体包括以下步骤:步骤1.1、建立标准作业现场参数数据库,为每个元器件指定唯一的全局索引标号i;步骤1.2、指定元器件i在建立标准三维模型时的元器件上的原点坐标系,记为wobj(i);步骤1.3建立指定全局编号分别为i、j的两元器件的原点坐标系wobj(i)、wobj(j)之间标准相对安装位置数据的齐次变换矩阵,记为其中,为一个3x3旋转矩阵,描述元器件i原点坐标系wobj(i)相对于元器件j原点坐标系wobj(j)三维姿态数据;为一个3x1位置坐标向量,描述元器件i相对于元器件j的三维位置数据;步骤1.4按树形组织构建系统数据库的索引结构。3.根据权利要求2所述的一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,其特征在于,步骤5中重构作业场景,具体包括以下步骤:5.1、获取双目相机坐标系到机械臂基座坐标系的变换矩阵得到相机坐标系下零件的测量坐标系wr_obj(i)到机械臂基座坐标系下的变换方程其中为元器件i测量坐标系wr_obj(i)相对机械臂基座的位姿变换矩阵,为元器件i测量坐标系wr_obj(i)相对机械臂末端坐标系的位姿变换矩阵;5.2、针对每一根避雷器引流线,利用双目相机测量带电作业现场中电线的中心线轨迹,建立电线相对机械臂基座坐标系的三维模型;5.3、利用双目相机测量信息,修正标准作业场景中活动器件安装位姿与实际现场的误差,得到与真实现场吻合的重构场景。4.根据权利要求3所述的一种带电作业机器人系统带电作业现场的快速重构方法,其特征在于,步骤5.1得...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭毓饶志强郭健吴益飞吴巍吴禹均苏鹏飞陈宝存肖潇郭飞
申请(专利权)人:南京理工大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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