配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位及路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，包括以下过程：S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态。本发明专利技术还提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法，根据作业末端的空间位置信息和姿态信息，调整作业末端的姿态，并规划运动路径。本发明专利技术不仅确定作业末端与带作业目标之间的距离，还可以实时识别作业末端的姿态，通过对作业末端姿态的调整，满足不同类型的带电作业内容对末端操作的灵活性要求。

【技术实现步骤摘要】
配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位及路径规划方法
本专利技术属于输电线路带电作业机器人
，具体涉及一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，还涉及一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法。
技术介绍
带电作业是指在高压电气设备上不停电进行检修、测试的一种作业方法。电气设备在长期运行中需要经常测试、检查和维修，而带电作业是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。到目前为止，我国的带电作业的主要方式为绝缘杆法与绝缘手套法的人工带电作业，不能满足日益提高的系统可靠性要求，也容易引发人身伤亡事故。带电作业机器人可以代替人工进行电力维护检修工作，有效避免带电作业时的人员伤亡，提高电力维护检修的作业效率。目前，带电作业机器人主要采用主从机械臂的遥操作方法，作业人员通过主操作手遥控从机械臂，其人身安全在一定程度上获得保障；但是这种方法高度依赖操作员的素质，并不能减轻工作量，且操作步骤繁琐、作业缓慢、效率低下、容错率低。具有自主作业能力的机器人能够克服主从操作的缺点，这就需要求机器人具有识别作业对象和测距定位的能力。目前，带电作业机器人作业末端定位系统采用的定位测距方式主要是视觉方式，通过视觉系统采集并反馈工作环境信息，自主完成作业。然而，单一采用视觉方式仍然难以对作业环境和目标进行全方位高精度的感知。例如：1)带电作业现场的环境较为复杂，设备器具较多，目标物容易被遮挡并且不易与背景环境区分，造成定位测距失败；2)仅依靠视觉方式感知环境信息，图像信息量过大，现有算法难以高效地对图像进行去噪、去干扰、提取特征、目标识别和测距等处理和分析，造成带电作业机器人自主作业的困难；3)视觉方法在环境颜色特征不明显、复杂光照干扰、目标尺度变化大的情况下，识别度不高，容易造成定位测距失败。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位及路径规划方法，确定作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的姿态，根据作业末端的姿态进行路径规划。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，包括以下过程：S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态。进一步的，S1中，以待作业线路为参照物包括：将待作业线路的物理模型抽象为直径为a的无限长圆柱导体；以待作业线路的圆柱体模型中心点O'为原点，z'轴方向指向待作业线路中电流方向，y'轴方向指向天空，依据右手定则建立的三维笛卡尔坐标系O'-x'y'z'。进一步的，S1中，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度包括：将作业末端抽象为一个立方体，作业末端的立方体模型上四个侧面中心点处作为各预设点；获取待作业线路周围作业末端上各预设点的磁感应强度。进一步的，S2中，计算作业末端与待作业线路之间的距离的过程为：计算待作业线路周围的磁场空间分布，获取磁感应强度到空间位置坐标的映射关系；根据作业末端上各预设点的磁感应强度，以及磁感应强度到空间位置坐标的映射关系，获得作业末端上各预设点的空间位置坐标；根据作业末端上各预设点的空间位置坐标，计算作业末端上各预设点与待作业线路之间的距离。进一步的，计算待作业线路周围的磁场空间分布包括：根据安培环路定理，推导出待作业线路周围空间中任意一点P的磁感应强度为：其中B为待求的P点的磁感应强度，μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7T·m/A，I为待作业线路上的已知的电流，r为已知的P点到待作业线路的距离，er是从带作业线路指向P点的单位矢量，ex’、ey’分别是x’和y’轴的单位矢量，Bx'和By'分别为B的x'方向和y'方向分量；根据以上公式分别求出在三相电流IA、IB、IC单独作用下，P点的磁感应强度，再根据矢量叠加原理得到三相电流共同作用下，P点的磁感应强度。进一步的，识别作业末端的空间姿态过程为：将作业末端抽象为一个立方体，以作业末端立方体模型中心点O为原点，定义三个旋转轴：x轴通过立方体前表面的中心点c3指向待作业线路，y轴通过立方体前表面的中心点c2，与待作业线路中的电流方向同向，z轴方向通过立方体上表面中心点c5指向天空；1)如果作业末端出现绕z轴的旋转角度θz，则具体计算方法如下：根据计算得出的预设点c1和c2与待作业线路之间的距离dc1和dc2，以及作业末端立方体模型的长l，则以z轴为旋转轴的旋转角度θz可以根据以下公式计算得出：2)如果作业末端出现绕y轴的旋转角度θy，则具体计算方法如下：根据计算得出的预设点c3和c4与待作业线路之间的距离dc3和dc4，以及作业末端立方体模型的宽w，根据余弦定理，可求出作业末端的中心点O到待作业线路的中心点O’的距离loo’：再次利用余弦定理，则旋转角度θy可以根据以下公式计算得出：3)如果作业末端出现绕x轴的旋转角度θx，则具体计算方法如下：根据计算得出的预设点c2和c3与待作业线路之间的距离dc2和dc3；作业末端的中心点O到待作业线路的中心点O’的距离loo’＝dc3+w/2；c2到平面x’o’z’的距离hc2可由以下公式求出：则以x轴为旋转轴的旋转角度θx可以根据以下公式计算得出：相应的，本专利技术还提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法，其特征是，包括以下过程：采用前述的方法进行作业末端的磁场定位，获取作业末端的空间姿态；根据作业末端的空间姿态，计算将作业末端调整至所需姿态的旋转角度；计算作业末端的磁场梯度，按照磁场梯度方向规划作业末端到待作业线路的路径。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：1)本专利技术通过计算待作业线路周围的磁场分布，测量磁场矢量瞬时值，实现了配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位，满足带电作业机器人自主作业的定位要求，使其能够安全、精确、高效地完成带电作业。2)本专利技术采用磁场定位方法，彻底摆脱了视觉定位方法在出现视觉死角、复杂背景和复杂光照条件等情况下定位精度低甚至无法定位的问题。3)本专利技术提出的磁场定位方法不仅确定作业末端与带作业目标之间的距离，还可以实时识别作业末端的姿态，通过对作业末端姿态的调整，满足不同类型的带电作业内容对末端操作的灵活性要求。4)本专利技术提出的磁场定位方法依据磁场空间分布的数学物理规律，使用高效的解析和数值算法计算出作业末端的空间位置信息和姿态信息，避免了现有视觉定位方法中算法复杂度高的问题，提高了作业末端定位的效率和可靠性。5)相比于单一采用视觉定位系统的带电作业机器人，采用本专利技术的磁场定位方法和装置可以大大减少所使用的双目摄像头和深度摄像头的数量，增加了机器人的可靠性，同时节省了成本。附图说明图1为本专利技术配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位装置结构框图；图2为本专利技术配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法流程图；图3为待作业线路的物理模型示意图；图4为本专利技术的磁场定位方法实施例的磁场矢量测量模块结构示意图；图5为待作业线路周围的磁场空间分布的计算方法示意图；图6为计算作业末端绕z轴旋转的旋转角度俯视示意图；图7为计算作业末端绕y轴旋转的旋转角度侧视示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，包括以下过程：S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态。

【技术特征摘要】
1.配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，包括以下过程：S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态。2.根据权利要求1所述的配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，S1中，以待作业线路为参照物包括：将待作业线路的物理模型抽象为无限长圆柱导体；以待作业线路的圆柱体模型中心点O'为原点，z'轴方向指向待作业线路中电流方向，y'轴方向指向天空，依据右手定则建立的三维笛卡尔坐标系O'-x'y'z'。3.根据权利要求1所述的配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，S1中，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度包括：将作业末端抽象为一个立方体，作业末端的立方体模型上四个侧面中心点处作为各预设点；获取待作业线路周围作业末端上各预设点的磁感应强度。4.根据权利要求3所述的配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，S2中，计算作业末端与待作业线路之间的距离的过程为：计算待作业线路周围的磁场空间分布，获取磁感应强度到空间位置坐标的映射关系；根据作业末端上各预设点的磁感应强度，以及磁感应强度到空间位置坐标的映射关系，获得作业末端上各预设点的空间位置坐标；根据作业末端上各预设点的空间位置坐标，计算作业末端上各预设点与待作业线路之间的距离。5.根据权利要求4所述的配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，计算待作业线路周围的磁场空间分布包括：根据安培环路定理，推导出待作业线路周围空间中任意一点P的磁感应强度为：其中B为P点的磁感应强度，μ0为真空磁导率，其值为4π×10-7T·m/A，I为待作业线路上的电流，r为P点到待作业线路的距离，er是从带作业线路指向P点的单位矢量，ex’、ey’分别是x’和y’...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐弘升，陆继翔，杨志宏，李昊，周亚东，
申请(专利权)人：国电南瑞科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32