吳潮建 王嘉源 錢嘉棟 何旭東 趙陳鋼 石崢崢

關(guān)鍵詞：視覺(jué)定位;帶電作業(yè)鎖桿;無(wú)線遙控;智能相機(jī);像素網(wǎng)格劃分

電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)保障人們生產(chǎn)生活、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有不可估量的作用。電網(wǎng)規(guī)模和分布式電源數(shù)量的不斷增加，冰雪、地震等災(zāi)害的逐年增多，對(duì)電力系統(tǒng)安全及可靠性產(chǎn)生重大影響。一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，還容易發(fā)生機(jī)械、交通等事故，給生活秩序和社會(huì)安全帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，因此加強(qiáng)電網(wǎng)維護(hù)尤為關(guān)鍵。停電檢修是最安全可靠的維護(hù)手段，但由于人們對(duì)電能質(zhì)量的高要求，以及出于對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、系統(tǒng)部件使用壽命等多方面的考慮，帶電作業(yè)日益興起，它是指在供電情況下，實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備的檢修、零件更換等操作，當(dāng)前大部分均由人工完成。鎖桿是帶電作業(yè)中用于鎖緊導(dǎo)線，完成引線搭接、切斷和更換的常用工具，該項(xiàng)作業(yè)不僅具有較高的危險(xiǎn)系數(shù)，勞動(dòng)強(qiáng)度也非常大，為此需要研究有效的帶電作業(yè)鎖桿遠(yuǎn)程控制技術(shù)，防止人工操作不當(dāng)引發(fā)的事故，提升作業(yè)安全性及效率。

該課題引起很多相關(guān)專家學(xué)者的重視，如閆冬等人，使用層次深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作，該技術(shù)的避障導(dǎo)航成功率高達(dá)90%，但受外界環(huán)境干擾較大;劉旭等人使用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作，該技術(shù)的定位效率較高，但與目標(biāo)位置的偏差相對(duì)較大。

機(jī)器人能很好地避免主觀情緒，且精度高、安全性穩(wěn)定。視覺(jué)定位可將采集的目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為圖像坐標(biāo)，并進(jìn)一步獲取實(shí)際坐標(biāo)數(shù)據(jù)。本文將視覺(jué)定位與機(jī)器人相結(jié)合，提出基于視覺(jué)定位的帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作技術(shù)，通過(guò)定位鎖桿位置，利用空問(wèn)鼠標(biāo)輸入機(jī)械手機(jī)器人控制命令，以無(wú)線遙控操作鎖桿實(shí)現(xiàn)高危帶電作業(yè)。

1基于視覺(jué)定位的帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作技術(shù)

1.1視覺(jué)定位原理

1.1.1視覺(jué)工作流程

將KUKA機(jī)械手作為機(jī)器手臂，Vision-HAWK智能相機(jī)作為攝像頭，通過(guò)兩者相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)鎖桿定位和操作，下述為具體執(zhí)行流程：利用智能相機(jī)獲取帶電作業(yè)鎖桿圖像;通過(guò)Visionscape軟件分析及處理獲取的圖像;所得圖像的詳細(xì)位置可使用像素網(wǎng)格劃分完成定位計(jì)

M表示圖像點(diǎn)的像素坐標(biāo)，使用齊次坐標(biāo)描述它和上述p之間的聯(lián)系，具體為：

式中，K表示內(nèi)參數(shù)矩陣。世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系問(wèn)的轉(zhuǎn)化方式為：

式中，R表示兩者之間的旋轉(zhuǎn)變換用;T表示平移變換。對(duì)于空間點(diǎn)，真實(shí)和像素坐標(biāo)的聯(lián)系可通過(guò)式（5）和式（6）獲得，具體表示如下：

式中，M表示透視變換矩陣，M表示內(nèi)部參數(shù);M2表示外部參數(shù);x描述齊次坐標(biāo)。需使用Visionscape軟件實(shí)現(xiàn)上述換算步驟，經(jīng)對(duì)應(yīng)設(shè)定獲取帶電作業(yè)鎖桿采集圖像的真實(shí)坐標(biāo)結(jié)果，并將其輸送到機(jī)械手，以準(zhǔn)確定位及操作帶電作業(yè)鎖桿。

1.2無(wú)線遙控操作技術(shù)

選擇空間鼠標(biāo)當(dāng)作對(duì)機(jī)械手控制命令進(jìn)行輸入的設(shè)備，控制帶電作業(yè)鎖桿運(yùn)動(dòng)，以及路徑規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作。自由度用描述，它包含于空間鼠標(biāo)內(nèi)，該鼠標(biāo)相當(dāng)于速度型輸入工具，且和監(jiān)控計(jì)算機(jī)串口相連，使用網(wǎng)絡(luò)傳輸控制命令，使其到達(dá)機(jī)械手控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手6個(gè)自由度的分別操控。

根據(jù)上小節(jié)獲得的帶電作業(yè)鎖桿采集圖像的真實(shí)坐標(biāo)結(jié)果，以及機(jī)械手的原理，獲得鎖桿末端驅(qū)動(dòng)矩陣，用△T描述，計(jì)算過(guò)程如公式（8）所示：

式中，增益系數(shù)用K，描述，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整可實(shí)現(xiàn)鎖桿運(yùn)動(dòng)量變化閾值的修正，維持機(jī)械手平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)?？臻g鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作的結(jié)構(gòu)圖用圖1描述。

表示增量值，表示控制量用，兩者之間能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，機(jī)械手關(guān)節(jié)角的控制量可通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)獲得，依據(jù)視覺(jué)定位返回的帶電作業(yè)鎖桿真實(shí)位置，操作者可使用空間鼠標(biāo)完成鎖桿姿態(tài)的實(shí)時(shí)修正。在進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，會(huì)受到外界環(huán)境等多種因素的影響，操作者難以精準(zhǔn)遙控鎖桿，因此使用下述過(guò)程完成其路徑規(guī)劃。

（1）將立體視覺(jué)獲取的帶電作業(yè)鎖桿真實(shí)位置作為依據(jù)，利用空間鼠標(biāo)將鎖桿移至操作點(diǎn)中心線上方2～4mm位置。將機(jī)械手在起始點(diǎn)的位姿，使用新生成的空間鼠標(biāo)按鍵記錄為P1。以直線或者圓弧插補(bǔ)作為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的插補(bǔ)形式。

（2）使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至接下來(lái)需要作業(yè)的中心線上方，并將機(jī)械手位姿記錄為P2，對(duì)插補(bǔ)形式進(jìn)行設(shè)置。

（3）循環(huán)執(zhí)行過(guò)程（1）、（2），記錄到Pi，停止條件為產(chǎn)生鎖桿運(yùn)動(dòng)路徑。

（4）將過(guò)程（3）中生成的路徑下載至機(jī)械手控制器，提前實(shí)施鎖桿運(yùn)動(dòng)路徑，依據(jù)立體視覺(jué)反饋的鎖桿真實(shí)位置，對(duì)路徑中具有較大偏差的位置進(jìn)行調(diào)整。

（5）機(jī)械手控制器對(duì)調(diào)整后的鎖桿運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行運(yùn)作，以實(shí)現(xiàn)鎖桿自動(dòng)完成帶電作業(yè)過(guò)程。

2仿真測(cè)試與分析

使用MATLAB仿真軟件搭建視覺(jué)定位的帶電作業(yè)鎖桿遙操作現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，操作者通過(guò)對(duì)空間鼠標(biāo)的命令輸入，引導(dǎo)機(jī)械手控制鎖桿運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證本文技術(shù)的無(wú)線遙控操作性能。

在帶電作業(yè)過(guò)程中，以某一采集圖像的20個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)作為測(cè)試對(duì)象，驗(yàn)證其在真實(shí)空間中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，結(jié)果用圖2描述。分析圖2可以看出，將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的真實(shí)空間坐標(biāo)時(shí)，18號(hào)測(cè)量點(diǎn)獲得的空間轉(zhuǎn)換誤差處于最低數(shù)值，約為0.28mm，18號(hào)測(cè)量點(diǎn)的空間轉(zhuǎn)換誤差最大，在1.6mm左右，20個(gè)測(cè)試對(duì)象的平均誤差大致為0.8 mm。綜合這些數(shù)據(jù)表明，本文技術(shù)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差相對(duì)較低，可獲得較精確的帶電作業(yè)鎖桿真實(shí)位置信息。

通過(guò)計(jì)算本文技術(shù)使用前后的定位區(qū)域中心和實(shí)際操作中心之間的像素距離，測(cè)試本文技術(shù)對(duì)20張采集圖像的定位效果，結(jié)果用圖3描述。分析圖3可得，本文技術(shù)使用前的定位區(qū)域中心和實(shí)際操作中心之間的像素距離波動(dòng)較大，最大距離與最小距離相差18左右;本文技術(shù)使用后的像素距離變化平穩(wěn)，無(wú)顯著起伏。因此表明，本文技術(shù)能有效降低鎖桿操作點(diǎn)和實(shí)際位置的偏差，具有較理想的帶電作業(yè)鎖桿定位效果，可極大地提升后續(xù)無(wú)線遙控操作精度。

以0.5m/s的速度引導(dǎo)機(jī)械手控制鎖桿沿設(shè)定路徑運(yùn)動(dòng)，起點(diǎn)和終點(diǎn)位置相同，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡和設(shè)定路徑的對(duì)比結(jié)果用圖4描述。從圖4可以看出，通過(guò)無(wú)線遙控操作，引導(dǎo)機(jī)械手控制鎖桿運(yùn)動(dòng)的軌跡和設(shè)定路徑基本一致，只有兩處出現(xiàn)較小偏差，其余點(diǎn)均分布在設(shè)定路線上。因此可得，本文技術(shù)的帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作性能具有明顯優(yōu)勢(shì)。

使用本文技術(shù)進(jìn)行帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作所得橫向偏差與縱向偏差結(jié)果用圖5描述。分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)本文技術(shù)完成帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作時(shí)，橫向偏差與縱向偏差均在標(biāo)準(zhǔn)值附近波動(dòng)，并在達(dá)到一定時(shí)間后呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，兩者的最低值分別為-0.5mm、200mm。因此表明，本文技術(shù)具有較優(yōu)異的帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作精度。

3結(jié)論

本文提出了基于視覺(jué)定位的帶電作業(yè)鎖桿無(wú)線遙控操作技術(shù)，將視覺(jué)定位與機(jī)器人遙控操作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鎖桿遠(yuǎn)程控制。該技術(shù)能夠精準(zhǔn)定位鎖桿真實(shí)位置，且對(duì)鎖桿的遙控操作偏差較小。通過(guò)該技術(shù)代替人工帶電作業(yè)方式可極大地提高作業(yè)質(zhì)量和安全，對(duì)保證電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行具有關(guān)鍵作用。