CN108875164A - 一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，首先建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库；构建带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库；搭建带电更换跌落式熔断器标准作业场景；建立更换跌落式熔断器作业场景中横担、跌落式熔断器的视觉测量坐标系，得到原点坐标系相对于它的齐次变换矩阵；利用附着安装于机械臂末端的双目相机，重构避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线的三维模型，测量更换跌落式熔断器作业现场中各个横担、跌落式熔断器的实际位姿，修正、完善建立的更换跌落式熔断器作业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。

Description

一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法
技术领域
本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种带电更换跌落式熔断器作业现场的快速重构方法。
背景技术
目前，我国带电更换跌落式熔断器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更换跌落式熔断器作业存在的不足，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更换跌落式熔断器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。带电更换跌落式熔断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，对于更换跌落熔断器作业中的拆除引流线与跌落式熔断器的连接螺栓、跌落式熔断器与横担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。
要实现带电更换跌落式熔断器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更换跌落式熔断器作业现场，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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，以满足目前带电作业机器人系统在更换跌落式熔断器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。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，包括以下步骤：
步骤1、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库：
带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中数据包括横担、杆塔、引流线、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍的相关数据；为每个元器件指定唯一的全局索引编号；指定带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系；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；
步骤2、构建带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库：以横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系，建立横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，将建模结果数据存储到带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库中；
步骤3、搭建带电更换跌落式熔断器标准作业场景：将更换跌落式熔断器作业现场中元器件分为可靠器件、活动器件和随从器件三类，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；
利用带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中的元器件之间的标准相对安装位置参数和建立的横担、杆塔、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍的标准三维模型，搭建带电更换跌落式熔断器作业任务的标准作业现场三维场景；
步骤4、建立更换跌落式熔断器作业场景中横担、跌落式熔断器的视觉测量坐标系，得到齐次变换矩阵：首先将横担、跌落式熔断器作为待测元器件，指定待测元器件对的测量坐标系；用齐次变换矩阵来记录坐标系相对于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，重构避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线三维模型，测量更换跌落式熔断器作业现场中各个横担、跌落式熔断器的实际位姿，修正、完善建立的更换跌落式熔断器作业的标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明提出建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库和带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库，便于对带电更换跌落式熔断器场景数据进行分类、存储和读取。
(2)本发明将把带电更换跌落式熔断器作业现场重构过程分为带电更换跌落式熔断器标准作业场景的搭建、基于双目视觉的电线重构和基于双目视觉的横担、跌落式熔断器位姿修正三个部分，简化了重构过程，大幅提高了计算效率。
(3)本发明提出预先建立带电更换跌落式熔断器作业现场各元器件的标准三维模型数据，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)本发明提出依据带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库中各元器件标准三维模型数据和带电更换跌落式熔断器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，实现对带电更换跌落式熔断器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，可实现对带电更换跌落式熔断器作业现场的粗略描述。
(5)针对带电更换跌落式熔断器作业现场电线的重构过程，本发明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，可实现对电线三维模型的快速精确重构。
(6)本发明针对带电更换跌落式熔断器作业现场元器件，设计了原点坐标系和测量坐标系的建立方案，便于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，以修正标准作业场景中对应元器件的位姿误差，保证了重构场景中元器件位姿与真实作业现场相吻合。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的更换跌落式熔断器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为本发明系统数据库结构框图。
图4(a-b)分别为更换跌落式熔断器实施例中两种型号的避雷器标准三维模型图。
图5为更换跌落式熔断器实施例中跌落式熔断器标准三维模型图。
图6为更换跌落式熔断器实施例中横担标准三维模型图。
图7为更换跌落式熔断器实施例中杆塔标准三维模型图。
图8为更换跌落式熔断器实施例中拉线式绝缘子标准三维模型图
图9为更换跌落式熔断器实施例中标准作业现场三维场景图。
图10(a-b)分别电线中心线上离散点获取和连续化示意图。
图11为重构的电线三维模型示意图。
图12为更换跌落式熔断器实施例中作业现场重构结果图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图2，本发明的方法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，本发明提出一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，包括以下步骤：
步骤1、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，具体包括以下步骤：
步骤1.1、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，存储作业现场中8 类元器件的编号、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。
带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中数据应至少包括8类元器件的相关数据。8类元器件分别为：横担、杆塔、引流线、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍；8类元器件的相关数据的数据包括：上述各个元器件标准外形尺寸数据；更换跌落式熔断器标准作业场景中横担与杆塔之间标准相对安装位置数据、横担与避雷器之间标准相对安装位置数据、横担与跌落式熔断器之间标准相对安装位置数据、横担与横担之间相对安装位置数据、拉线式绝缘子与横担之间标准相对安装位置数据、抱箍与杆塔之间相对标准安装位置数据，避雷器与抱箍之间相对标准相对安装数据。
为每个元器件指定唯一的全局索引编号i(i为自然数)，例如数据库中输入1即对应第一个元器件，输入i，即对应第i个元器件。
步骤1.2、指定带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系。
带电更换跌落式熔断器标准作业现场中元器件包括横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍以及引流线各多个，各个元器件编号记为i。按照右手坐标系原则，为全局索引编号为i的元器件建立原点坐标wobj(i)，作为建立其标准三维模型以及描述与其它元器件之间标准相对安装位置的参考坐标系。
步骤1.3、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中全局编号分别为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2、建立横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，构建带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库，结合步骤1，本发明数据库结构框图3。
根据步骤1带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中的数据，需要建立横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据。以步骤1.2指定的原点坐标系为参考，建立各个元器件的标准三维模型，将建模结果数据存储到带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库中。
标准作业现场参数数据库为各元器件指定了唯一的全局索引标号i，元器件i的标准三维模型的原点坐标系为wobj(i)，由步骤1.2指定；以此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，根据步骤1中标准作业现场参数数据库中信息，需要建立横担、杆塔、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍的标准三维模型数据。
步骤3、对元器件进行分类管理，搭建带电更换跌落式熔断器标准作业场景：
利用步骤1中带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中的标准相对安装位置参数和步骤2中建立的横担、杆塔、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍元器件标准三维模型，搭建带电更换跌落式熔断器作业任务的标准作业现场三维场景，完成重构过程中的带电更换跌落式熔断器标准作业场景的搭建。包括如下步骤：
3.1、将带电更换跌落式熔断器作业现场中元器件分为可靠器件、活动器件和随从器件三类。
本发明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用于将场景中各元器件分为上述三类，以标识重构场景中器件位姿与实际现场吻合的可靠性，便于动态修正非结构化误差。
其中，重构场景中可靠元器件是指这个元器件的位姿数据已经通过双目相机的测量结果进行调整了，与实际现场数据一致；活动元器件指这个元器件正在或即将进行双目相机测量，以修正与实际现场的位姿误差；随从元器件指这个元器件的位姿数据将不进行双目视觉测量修正。
3.2、读入横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型和它们之间标准相对安装位置数据，搭建带电更换跌落式熔断器标准作业场景。
带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中可检索到作业现场元器件包括横担、杆塔、引流线、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍8类各多个，各个元器件的编号i以及元器件之间的标准相对安装位置带电更换避雷器标准三维模型数据库中可检索到全局索引编号为i的元器件的标准三维模型数据。
读入元器件的标准三维模型数据并根据确定元器件间的相对位姿关系，完成带电更换跌落式熔断器作业的标准作业场景的搭建。此时场景中所有器件均处于随从元器件集合，可靠元器件集合和活动元器件集合均为空。
步骤4、建立更换跌落式熔断器作业场景中横担、跌落式熔断器的视觉测量坐标系wr_obj(i)，得到齐次变换矩阵
首先确定更换跌落式熔断器作业场景中对位姿数据精度有要求的元器件包括横担、跌落式熔断器各多个，将它们作为待测元器件。建立附着于各元器件的测量坐标系wr_obj(i)(i为零件的全局编号)，该坐标系固定在元器件上。wr_obj(i)和步骤2中建立的 wobj(i)均由人为指定，两坐标系之间的相对位姿关系固定且已知，用齐次变换矩阵来记录坐标系wobj(i)相对于坐标系wr_obj(i)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，重构避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线的三维模型，测量更换跌落式熔断器作业现场中各个横担、跌落式熔断器的实际位姿，修正、完善步骤3中建立的更换跌落式熔断器作业的标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。
由于步骤3中建立的带电更换跌落式熔断器标准作业场景与实际场景相比，首先，缺少电线元素；其次，实际安装过程中存在的人为等因素造成的安装误差，致使重构得到的标准作业场景与实际现场有较大差距，故需要对标准作业场景进行完善和修正，具体过程包括基于双目视觉的避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线三维模型的重构和场景中横担、跌落式熔断器实际安装位姿与标准安装位姿误差的修正两个过程。主要包括以下步骤：
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。具体步骤如下：
5.1.1、根据DH参数法，建立机械臂末端坐标系到机械基座坐标系的齐次变换矩阵记为
5.1.2、通过手眼标定算法获得相机坐标系到机械臂末端坐标系的齐次变换矩阵记为
5.1.3、通过上述步骤得到相机坐标系到机械臂基座坐标系的齐次变换矩阵
5.1.4、得到相机坐标系下测得的零件测量坐标系wr_obj(i)到机械臂基座坐标系下的变换方程为
5.2、针对每一根避雷器引流线和跌落式熔断器引流线以及输电线，利用双目相机测量带电更换跌落式熔断器作业现场中电线的中心线轨迹，重构电线三维模型。主要包括以下步骤：
5.2.1、调取步骤1建立的带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，确定当前更换跌落式熔断器作业现场中电线横截面外径；
同一规格的电线横截面几何尺寸相同且为圆形，只要测量出电线的中心线的轨迹，通过等截面曲线拉伸算法即可得到弯曲的电线的三维模型；
5.2.2、标定双目相机：通过立体匹配算法实现双目测距。通过标定，消除图像畸变并得到相机的内外参数矩阵；通过立体匹配算法，建立左右目像素点的匹配关系，实现测距；
5.2.3、控制机械臂运动，调整相机的位置和姿态使需要测量的电线轮廓保持在双目相机视野中；
5.2.4、利用电线特征(颜色)提取图像中线的轮廓；
5.2.5、获取电线的中心线上的离散点相对相机坐标的三维位置坐标：
将电线轮廓边缘进行分段，找出每段轮廓外边缘的法向量方向，法向量与轮廓边缘线的两个交点连线的中点即在电线的中心线上；通过双目匹配算法找到左右目中对应的中心线上点的像素点，得到电线的中心线上的单个离散点的三维坐标，记为：
m表示第几个点，xm、ym、zm分别标识第m个点的x、y、z坐标，Pr(m)表示第m个点相对于相机坐标的位置坐标。
步骤5.2.6、利用步骤5.1中得到的相机坐标系到机械臂基座坐标系的转化计算方程将以相机坐标系下的电线中心线上离散点位置坐标转换到机器臂基坐标系下，结果记为Pb(m)，其中m含义与步骤5.2.5中相同，电线的中心线离散点求取示意图如图10(a)。
5.2.7、利用多项式插值方法拟合步骤5.2.6中得到的离散的中心线上点，得到连续的电线中心线轨迹。电线的中心线连续轨迹示意图如图10(b)；
5.2.8、利用步骤5.2.1中获取的电线横截面外径数据，通过等截面曲线拉伸算法计算得到实际现场中电线的三维模型数据，完成对实际现场电线的重构工作，将电线的重构模型加入可靠零件集合，电线的重构三维模型示意图如图11。
5.3、利用双目相机测量信息，修正带电更换跌落式熔断器标准作业场景中各个跌落式熔断器、横担的位姿数据，完成场景的重构。具体包括以下步骤：
5.3.1、将跌落式熔断器、横担从随从元器件集合剔除，加入到活动元器件集合中；随从元器件集合中包括杆塔、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍；可靠元器件集合中包括避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线。
其中随从元器件集合中元器件全局编号用字母k表示，活动元器件集合中元器件全局编号用字母n表示，可靠元器件集合中元器件全局编号用字母f表示，值得说明的是 k、n、f的意义与步骤1中定义的全局编号i意义相同，此处使用不同字母目的在于指定明元器件所处的集合。
5.3.2、针对活动元器件集合中的每一个跌落式熔断器和横担，依次根据双目相机测量结果，修正其在带电更换跌落式熔断器标准作业场景中的实际位姿，并加入可靠元器件集合。
标注当前测量的活动元器件为c_obj，全局编号为n；根据双目相机测量结果修正活动元器件c_obj三维模型原点坐标系Wobj(n)相对于机械臂基座坐标系的位姿变换矩阵
根据双目相机测量结果，可得零件测量坐标系wr_obj(n)到相机坐标系的变换矩阵根据步骤5.1得到的相机坐标系到机械臂基座坐标变换矩阵和步骤4建立的零件测量坐标系到三维模型原点坐标系之间的变换矩阵可推到出：
用上述计算结果更新编号n的元器件相对机械臂基座的位置按照指定的位姿关系，调整重构场景中元器件n的位姿；调整完成后，将c_obj从活动元器件集合剔除，加入可靠元器件集合中，此时，用字母f表示该元器件的全局编号，有f＝n。
5.3.3、针对随从元器件集合中的每一个拉线式绝缘子、抱箍杆塔、避雷器以及杆塔，依据步骤1中定义的矩阵，更新其以可靠元器件集合各元器件的新位姿参数为参考时，相对机械臂基座坐标系的新的位姿矩阵。
标记当前随从元器件编号为k，则其以已经加入可靠元器件集合元器件f的新位姿参数为参考时，相对机械臂基座坐标系的新的位姿矩阵
5.3.4、针对随从元器件集合中的每一个拉线式绝缘子、抱箍杆塔、避雷器以及杆塔，找到可靠元器件集合中与随从元器件集合中全局编号为k的元器件有相对安装位置关系的元器件，假设它们的标号为f1～fH，共H个，加权平均步骤5.3.3中得到的位姿矩阵得到优化的随从零件k的最终位姿矩阵为
具体的计算过程为：针对可靠元器件集合，找出所有与随从元器件集合中全局编号为k的元器件有相对安装位置关系的元器件，假设它们的标号为f1～fH，共H个。则，随从元器件中k元器件相对于机械臂基座坐标系的最终位姿矩阵为：
完成计算，得到实际现场吻合的带电更换跌落式熔断器重构场景。
步骤6、当需要再次利用双目相机测量数据修正相关器件位姿时，将可靠元器件集合中或随从元器件集合中相应元器件从所在集合中剔除并加入活动元器件集合中，设置其为活动元器件，重复步骤5.3.2到步骤5.3.4，完成再次修正。
实施例
本实施例选取了某电网10KV配输电线路中跌落式熔断器、杆塔避、雷器、拉线式绝缘子以及横担作为建模示例，以某电网10KV配输电线路带电更换跌落式熔断器作业的现场重构作为具体实施例进行详细说明。
步骤1、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库。
1.1、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，存储作业现场中8类元器件的编号、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。
例如针对本实施例某电网10KV配电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构，具体包括的元器件为：杆塔1根、横担3个、跌落式熔断器3个，避雷器4个、拉线式绝缘子3个、抱箍1个、引流线6根、输电线3根，指定它们的全局编号依次为1-24，元器件与对应的全局编号如表1所示。存储数据还包括上述各个元器件标准外形尺寸数据以及它们之间标准相对安装位置数据。需要说明的是，此处元器件的种类和个数根据实际情况不同进行相应调整，而非仅限于上述情景。
表1本实施例中元器件与对应的全局编号
1.2、指定带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系。
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，避雷器、跌落式熔断器、横担、杆塔以及拉线式绝缘子各自的原点坐标系wobj(i)的位置和方向选择如图4至图8。图4(a)中避雷器原点坐标系位置确定在与横担上孔具有配合关系的孔在上端面的圆心处，z轴方向平行于孔轴线方向，x、y轴方向分别平行于避雷器基座的两边，图4(b)中避雷器原点坐标系位置确定在避雷器主体端面圆心处，z轴方向平行于避雷器轴线方向，x、y轴按照右手坐标系准则选择即可，无特定要求；图5中跌落式熔断器原点坐标系位置确定在跌落式熔断器基座的下端面上孔的圆心处，该孔与横担上孔相配合，z轴方向平行于孔轴线方向，x、y轴方向分别平行于跌落式熔断与横担连接的凸台的两垂直边；图6中横担原点坐标系位置确定在横担下端面上孔的圆心处，该孔与杆塔相配合，z轴方向平行于孔轴线方向，x、y轴方向分别平行于横担的两垂直边；图7中杆塔原点坐标系位置确定在杆塔底面的圆心处，z轴方向平行于杆塔轴线方向，杆塔是一个对称元器件，x、y轴方向选择保证满足右手坐标系原则即可；图8中拉线式绝缘子原点坐标系位置确定在端部长方形槽的中心，x轴方向平行于绝缘子轴线方向，y、 z轴方向分别平行于槽的两边。
1.3、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中全局编号分别为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用齐次变换矩阵，记为
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，数据的单位默认为毫米(mm)、千克(kg)、牛顿(N)、秒(s)。横担2与杆塔的标准相对安装位置数据的齐次变换矩阵记为根据步骤1.1标准作业现场参数数据库中数据可得：两元器件间默认没有相对旋转，横担2原点坐标系wobj(3)相对于杆塔原点坐标系wobj(1)，其x、y、z方向偏移距离分别为0mm、0mm、13500mm，则：
同理，横担1与横担2的齐次变换矩阵为根据步骤1.1标准作业现场参数数据库中数据，两元器件间默认没有相对旋转，横担原点坐标系wobj(2)相对于横担2原点坐标系wobj(3)，其x、y、z方向偏移距离分别为0mm、0mm、-1500mm，则：
同理，横担3与横担2的齐次变换矩阵记为根据步骤1.1标准作业现场参数数据库中数据，两元器件间默认没有相对旋转，横担3原点坐标系wobj(4)相对于横担2原点坐标系wobj(3)，其x、y、z方向偏移距离分别为0mm、0mm、1450mm，则：
同理，跌落式熔断器1与横担2的齐次变换矩阵记为根据步骤1.1标准作业现场参数数据库中数据，两元器件间默认没有相对旋转，跌落式熔断器1原点坐标系wobj(5) 相对于横担2原点坐标系wobj(3)，其x、y、z方向偏移距离分别为-160mm、980mm、65mm，则：
避雷器1与横担1的齐次变换矩阵记为根据步骤1.1标准作业现场参数数据库中数据，得：
拉线式绝缘1与横担3的齐次变换矩阵记为根据步骤1.1标准作业现场参数数据库中数据，得：
其余各元器件间指定标准相对安装位置的齐次变换矩阵建立方式与上述过程相同，得到对应的不再赘述。
步骤2、建立横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，构建带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库。
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，采用SolidWorks软件建立各个元器件的标准三维模型，为了保证模型数据的兼容性，将模型存储为.stl文件格式。部分模型结果如图4至图7。其中，图4(a)为型号1避雷器标准三维模型数据的可视化结果；图4(b)为型号2避雷器标准三维模型数据的可视化结果；图 5为跌落式熔断器标准三维模型数据的可视化结果；图6为横担标准三维模型数据的可视化结果；图7为杆塔标准三维模型数据的可视化结果；图8为拉线式绝缘子标准三维模型数据的可视化结果。将建模结果数据存储到带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库中。
步骤3、搭建带电更换跌落式熔断器作业任务的标准作业场景
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，利用步骤1中带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中的标准相对安装位置参数和步骤2中建立的元器件标准三维模型，搭建带电更换跌落式熔断器作业任务的标准作业现场三维场景，完成重构过程中的带电更换跌落式熔断器标准作业场景的搭建。具体包括如下步骤：
3.1、将带电更换跌落式熔断器作业现场中元器件分为可靠器件、活动器件和随从器件三类
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，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，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。
3.2、读入横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型和它们之间标准相对安装位置数据，搭建带电更换跌落式熔断器标准作业场景。
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中构建标准作业场景时，从步骤2中建立的元器件的标准三维模型数据库中提取所需元器件三维模型数据，具体元器件包括1根杆塔、3个横担、3个跌落式熔断器、4个避雷器、3个拉线式绝缘子、1个抱箍，全局索引号分别为表1中1～15，将它们全部归入随从元器件集合，此时可靠元器件集合和活动元器件集合均为空。
根据建立的标准作业现场参数数据库中标准相对安装位置数据和标准三维模型数据库中对应元器件的标准三维模型数据，读入表1中1～15号元器件的标准三维模型数据，并根据确定元器件间的相对位姿关系，即可完成更换跌落式熔断器标准作业场景的搭建。首先读入元器件1即杆塔模型，作为第一个元器件，设定其wobj(1)为整个场景的原点，x、y、z坐标都置为0，由此确定元器件1在重构场景中的位姿；接着读入元器件3即横担2，由步骤1.3中建立的可确定元器件3在重构场景中的位姿；读入元器件2即横担1，由步骤1.3中建立的可确定元器件2在重构场景中的位姿；读入元器件4即横担3，由步骤1.3中建立的可确定元器件4在重构场景中的位姿；读入元器件12即拉线式绝缘子1，由步骤1.3中建立的可确定元器件12在重构场景中的位姿；其余元器件做相同操作即可完成标准作业场景的搭建。
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，标准作业场景的搭建结果如图9所示，其中元器件的编号与表1中编号相对应。
步骤4、建立更换跌落式熔断器作业场景中横担、跌落式熔断器的视觉测量坐标系wr_obj(i)，得到齐次变换矩阵
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，首先确定场景中对位姿数据精度有要求的元器件，建立附着于元器件的测量坐标系wr_obj(i)(i为零件的全局编号)。本实施例中对精度有要求的元器件包括：3根横担、3个跌落式熔断器。wr_obj(i)和步骤2中建立的三维模型原点坐标系wobj(i)均由人为指定，两坐标系之间的相对位姿关系固定且已知，用齐次变换矩阵来记录坐标系wobj(i)相对于坐标系 wr_obj(i)的相对位姿关系。如：对元器件2即横担1，其表示 wobj(2)相对于wr_obj(2)没有姿态变化，在x、y、z方向的偏移距离分别为120mm、-1040mm 和-65mm；对元器件5即跌落式熔断器1，其表示wobj(5)相对于wr_obj(5)先绕y轴旋转-90度，再绕x轴旋转180度，在x、y、z方向的偏移距离分别为-180mm、-115mm和0mm。
部分元器件wr_obj(i)的选择结果如图4-8，图4(a)中避雷器wr_obj(i)方向与原点坐标系wobj(i)相同，原点位置位于避雷器螺杆在台阶面上的圆心处；图4(b)中避雷器wr_obj(i)方向与原点坐标系wobj(i)相同，原点位置位于避雷器端面中心处；图5中跌落式熔断器wr_obj(i)z轴方向沿熔断器绝缘柱轴线方向，x轴方向沿熔断器支架方向，原点位置位于跌落式熔断器绝缘柱端面的圆心处；图6中横担wr_obj(i)方向与原点坐标系wobj(i)相同，原点位置位于横担端面的弯折点处；图7中杆塔wr_obj(i)方向与原点坐标系wobj(i)相同，原点位置位于杆塔顶部的圆心处；图8中拉线式绝缘子wr_obj(i)方向与原点坐标系wobj(i) 相同，原点位置位于第一个绝缘块端面的圆心处。
步骤5、利用附着安装于机械臂末端的双目相机，重构避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线的三维模型，测量更换跌落式熔断器作业现场中各个横担、跌落式熔断器的实际位姿，修正、完善步骤3中建立的更换跌落式熔断器作业的标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，本步骤包括以下步骤：
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。具体步骤如下：
5.1.1、根据DH参数法，建立机械臂末端坐标系到机械基座坐标系的齐次变换矩阵记为
5.1.2、通过手眼标定算法获得相机坐标系到机械臂末端坐标系的齐次变换矩阵记为
5.1.3、通过上述步骤得到相机坐标系到机械臂基座坐标系的齐次变换矩阵
5.1.4、得到相机坐标系下测得的零件测量坐标系wr_obj(i)到机械臂基座坐标系下的变换方程为
5.2、针对每一根避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线(下面合称为电线)，利用双目相机测量带电更换跌落式熔断器作业现场中电线的中心线轨迹，重构电线三维模型。主要包括以下步骤：
5.2.1、调取步骤1建立的带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，确定当前更换跌落式熔断器作业现场中电线横截面外径。，本实施例中，6根引流线的直径均为16mm，3根输电线的直径为21mm。
5.2.2、标定双目相机，设计立体匹配算法实现双目测距。
5.2.3、控制机械臂运动，调整相机的位置和姿态使需要测量的电线轮廓保持在双目相机视野中。
5.2.4、利用电线特征(颜色)提取图像中线的轮廓。
5.2.5、获取电线的中心线上的离散点相对相机坐标的三维位置坐标。
5.2.6、利用步骤5.1中得到的相机坐标系到机械臂基座坐标系的转化计算方程将以相机坐标系下的电线中心线上离散点位置坐标转换到机器臂基坐标系下，计算结果示意图如图10(a)
5.2.7、利用多项式插值方法拟合步骤5.2.6中得到的离散的中心线上点，得到连续的电线中心线轨迹，计算结果示意图如图10(b)
5.2.8、利用步骤5.2.1中获取的电线横截面外径数据，通过等截面曲线拉伸算法计算得到实际现场中电线的三维模型数据，完成对实际现场电线的重构工作，将电线的重构模型加入可靠零件集合，电线的重构三维模型示意图如图11。
5.3、利用双目相机测量信息，修正带电更换跌落式熔断器标准作业场景中各个跌落式熔断器、横担的位姿数据，完成场景的重构。具体包括以下步骤：
5.3.1、将跌落式熔断器、横担从随从元器件集合剔除，加入到活动元器件集合中；随从元器件集合中包括杆塔、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍；可靠元器件集合中包括避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线。
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，将3个跌落式熔断器、3个横担从随从元器件集合中剔除，加入到活动元器件集合中。此时，随从元器件集合中元器件为1根杆塔、4个避雷器、3个拉线式绝缘子以及1个抱箍，它们的全局编号用字母k表示；活动元器件集合中元器件全局编号用字母n表示；可靠元器件集合中元器件为6根引流线和3根输电线，它们的全局编号用字母f表示。
5.3.2针对活动元器件集合中的每一个跌落式熔断器和横担，依次根据双目相机测量结果，修正其在带电更换跌落式熔断器标准作业场景中的实际位姿，并加入可靠元器件集合。
假设此时测量的活动元器件为跌落式熔断器1，标注其为c_obj，全局编号为n＝5，通过双目相机测量结果修正c_obj跌落式熔断器1三维模型原点坐标系wobj(5)相对于机械臂基座坐标系的位姿变换矩阵
根据双目相机测量结果，可得c_obj跌落式熔断器1测量坐标系wr_obj(5)到相机坐标系的变换矩阵根据步骤5.1得到的相机坐标系到机械臂基座坐标变换矩阵和步骤4建立的零件测量坐标系到三维模型原点坐标系之间的变换矩阵可推导出：
用上述计算结果更新c_obj跌落式熔断器1相对机械臂基座的位置按照指定的位姿关系，调整重构场景中c_obj跌落式熔断器1的位姿；调整完成后将c_obj跌落式熔断器1从活动元器件集合剔除，加入可靠元器件集合中。
5.3.3针对随从元器件集合中的每一个杆塔和跌落式熔断器，依据步骤1中定义的矩阵，更新其以可靠元器件集合各元器件的新位姿参数为参考时，相对机械臂基座坐标系的新的位姿矩阵。
如本实施例中针对随从元器件集合中避雷器1，则k＝8；则避雷器1以可靠元器件集合中横担1新位姿(注：横担1的全局标号为2，假设横担1已经完成基于双目相机测量的位姿修正)为参考时的新位姿为：
5.3.4、针对随从元器件集合中的每一个杆塔和跌落式熔断器，加权平均步骤5.3.3 中得到的位姿矩阵得到优化的随从零件k的最终位姿矩阵为
本实施例某电网10KV配输电线路更换跌落式熔断器作业任务的现场重构中，如针对随从元器件集合中避雷器1，则k＝8。可靠元器件集合中与避雷器1有相对安装位置关系的元器件为横担1(f1＝2)、横担2(f2＝3)、横担3(f3＝4)，共3个元器件，则随从元器件中跌落式熔断器1(k＝8)相对于机械臂基座坐标系的最终位姿矩阵为：
对随从元器件集中其它元器件进行相同操作，不再赘述。
完成计算，得到与真实现场吻合的带电更换跌落式熔断器重构现场，如图12所示。
步骤6、当需要再次利用双目相机测量数据修正相关器件位姿时，将可靠元器件集合中或随从元器件集合中相应元器件从所在集合中剔除并加入活动元器件集合中，设置其为活动元器件，重复步骤5.3.2到步骤5.3.4，完成再次修正。

Claims (7)

1.一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库：
带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中数据包括横担、杆塔、引流线、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子、抱箍的相关数据；指定带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系；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；
步骤2、构建带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库：以横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系为参考，建立横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，将建模结果数据存储到带电更换跌落式熔断器标准三维模型数据库中；
步骤3、搭建带电更换跌落式熔断器标准作业场景：将更换跌落式熔断器作业现场中元器件分为可靠器件、活动器件和随从器件三类，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；
利用带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中的元器件之间的标准相对安装位置参数和建立的元器件的标准三维模型，搭建带电更换跌落式熔断器作业任务的标准作业现场三维场景；
步骤4、建立更换跌落式熔断器作业场景中横担、跌落式熔断器的视觉测量坐标系，得到原点坐标系相对于测量坐标系的齐次变换矩阵：首先将横担、跌落式熔断器作为待测元器件，指定待测元器件对的测量坐标系；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，重构避雷器引流线、跌落式熔断器引流线以及输电线的三维模型，测量更换跌落式熔断器作业现场中各个横担、跌落式熔断器的实际位姿，修正、完善建立的更换跌落式熔断器作业的标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。
2.根据权利要求1所述的一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，其特征在于，步骤1建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，具体包括以下步骤：
步骤1.1、建立带电更换跌落式熔断器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、指定带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中横担、杆塔、输电线、跌落式熔断器、避雷器、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系；第i各元器件的原点坐标为wobj(i)；
步骤1.3、建立带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库中全局编号分别为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
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。
3.根据权利要求2所述的一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，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和跌落式熔断器引流线以及输电线，利用双目相机测量带电更换跌落式熔断器作业现场中电线的中心线轨迹，重构电线三维模型；
5.3、利用双目相机测量信息，修正带电更换跌落式熔断器标准作业场景中各个跌落式熔断器、横担的位姿数据，完成场景的重构。
4.根据权利要求3所述的一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，其特征在于，步骤5.1得到变换矩阵，具体包括以下步骤：
5.1.1、建立机械臂末端坐标系到机械基座坐标系的齐次变换矩阵
5.1.2、通过手眼标定算法获得相机坐标系到机械臂末端坐标系的齐次变换矩阵
5.1.3、通过上述步骤得到相机坐标系到机械臂基座坐标系的齐次变换矩阵
5.1.4、得到相机坐标系下测得的零件测量坐标系wr_obj(i)到机械臂基座坐标系下的变换方程为
5.根据权利要求3所述的一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，其特征在于，步骤5.2重构避雷器引流线和跌落式熔断器引流线以及输电线三维模型，具体包括以下步骤：
5.2.1、调取带电更换跌落式熔断器标准作业现场参数数据库，确定当前作业现场中电线横截面外径；
5.2.2、标定双目相机，利用双目匹配算法实现测距；
5.2.3、控制机械臂运动，调整相机的位置和姿态使需要测量的电线轮廓保持在双目相机视野中；
5.2.4、利用电线特征提取图像中线的轮廓；
5.2.5、获取电线的中心线上的离散点相对相机坐标的三维位置坐标：
找到左右目中对应的中心线上点的像素点，得到电线的中心线上的单个离散点的三维坐标，记为：
m表示第几个点，xm、ym、zm分别标识第m个点的x、y、z坐标，Pr(m)表示第m个点相对于相机坐标的位置坐标；
步骤5.2.6、利用方程将将以相机坐标系下的引流线中心线上离散点位置坐标转换到机器臂基坐标系下，结果记为Pb(m)；
5.2.7、利用多项式插值方法拟合离散的中心线上点，得到连续的电线中心线轨迹；
5.2.8、利用步骤5.2.1中获取的电线横截面外径数据，通过等截面曲线拉伸算法计算得到实际现场中电线的三维模型数据，完成对实际现场电线的重构。
6.根据权利要求3所述的一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，其特征在于，步骤5.3修正跌落式熔断器标准作业场景的位姿数据，具体包括以下步骤：
5.3.1、将跌落式熔断器、横担从随从元器件集合剔除，加入到活动元器件集合中；
5.3.2、针对活动元器件集合中的每一个跌落式熔断器和横担，依次根据双目相机测量结果，修正其在带电更换跌落式熔断器标准作业场景中的实际位姿，并加入可靠元器件集合；
标注当前测量的活动元器件为c_obj，全局编号为n；根据双目相机测量结果修正活动元器件c_obj三维模型原点坐标系wobj(n)相对于机械臂基座坐标系的位姿变换矩阵可得编号n的元器件相对机械臂基座的位置
5.3.3、针对随从元器件集合中的每一个拉线式绝缘子、抱箍杆塔、避雷器以及杆塔，依据步骤1中定义的矩阵，更新其以可靠元器件集合各元器件的新位姿参数为参考时，相对机械臂基座坐标系的新的位姿矩阵
5.3.4、针对随从元器件集合中的每一个拉线式绝缘子、抱箍杆塔、避雷器以及杆塔，加权平均步骤5.3.3中得到的位姿矩阵得到优化的随从零件k的最终位姿矩阵为针对可靠元器件集合，找出所有与随从元器件集合中全局编号为k的元器件有相对安装位置关系的元器件，设它们的标号为f1～fH，共H个；随从元器件中k元器件相对于机械臂基座坐标系的最终位姿矩阵为：
完成计算，得到与真实现场吻合的重构场景。
7.根据权利要求6所述的一种带电更换跌落式熔断器作业场景的快速重构方法，其特征在于，还包括步骤6修正相关器件位姿，将可靠元器件集合中或随从元器件集合中相应元器件从所在集合中剔除并加入活动元器件集合中，设置其为活动元器件，重复步骤5.3.2到步骤5.3.4，完成再次修正。
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