CN108920517B - 一种带电更换隔离刀闸作业场景的快速重构方法 - Google Patents

一种带电更换隔离刀闸作业场景的快速重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种带电更换隔离刀闸作业场景的快速重构方法，首先建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库；以闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系为参考，建立各元器件的标准三维模型数据；搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景；建立带电更换隔离刀闸作业场景中横担、隔离刀闸的视觉测量坐标系，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，重构隔离刀闸引流线三维模型，测量带电更换隔离刀闸作业现场中各个横担、隔离刀闸的实际位姿，修正、完善建立的带电更换隔离刀闸标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。本方法构建的带电更换隔离刀闸作业场景与真实现场相吻合，便于机器人进行相关作业操作。

Description

一种带电更换隔离刀闸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隔离刀闸作业现场的快速重构方法。
背景技术
目前，我国带电更换隔离刀闸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隔离刀闸作业存在的不足，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隔离刀闸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。带电更换隔离刀闸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，对于拆除隔离刀闸与横担的连接螺栓、紧固引流线与隔离刀闸的连接螺栓等过程来说，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。
要实现带电更换隔离刀闸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隔离刀闸作业现场，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隔离刀闸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隔离刀闸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：
一种带电更换隔离刀闸作业场景的快速重构方法，包括以下步骤：
步骤1、建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库：
带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中数据包括隔离刀闸、横担、杆塔、引流线、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍的相关数据；指定带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中隔离刀闸、横担、杆塔、输电线、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、构建带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库：以闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系为参考，建立隔离刀闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，构建带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库，将建模结果数据存储到带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库中；
步骤3、搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景：将更换隔离刀闸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；
利用带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中的标准相对安装位置参数和元器件标准三维模型，搭建带电更换隔离刀闸作业任务的标准作业现场三维场景；
步骤4、建立带电更换隔离刀闸作业场景中横担、隔离刀闸的视觉测量坐标系，得到齐次变换矩阵：首先将横担、隔离刀闸作为待测元器件，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，重构隔离刀闸引流线以及输电线的三维模型，测量带电更换隔离刀闸作业现场中各个横担、隔离刀闸的实际位姿，修正、完善建立的带电更换隔离刀闸标准作业场景模型，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隔离刀闸标准作业现场参数数据库和带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库，便于对带电更换隔离刀闸场景数据进行分类、存储和读取。
(2)本发明将把带电更换隔离刀闸作业现场重构过程分为带电更换隔离刀闸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、隔离刀闸位姿修正三个部分，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隔离刀闸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隔离刀闸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隔离刀闸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，实现对带电更换隔离刀闸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，可实现对带电更换隔离刀闸作业现场的粗略描述。
(5)针对带电更换隔离刀闸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隔离刀闸作业现场元器件，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为本发明的更换隔离刀闸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为更换隔离刀闸实施例中隔离刀闸标准三维模型图。
图5为更换隔离刀闸实施例中横担标准三维模型图。
图6为更换隔离刀闸实施例中杆塔标准三维模型图。
图7为更换隔离刀闸实施例中拉线式绝缘子标准三维模型图
图8为更换隔离刀闸实施例中标准作业现场三维场景图。
图 9 中的 (a) 和 (b) 分别为电线的中心线上离散点获取和连续化示意图。
图10为重构的电线三维模型示意图。
图11为更换隔离刀闸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作业机器人系统更换隔离刀闸作业场景的快速重构方法，包括以下步骤：
步骤1、建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库。
步骤1.1、建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库，存储作业现场中7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。
带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中数据应至少包括7类元器件的相关数据；7类元器件分别为：隔离刀闸、横担、杆塔、引流线、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍；7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；更换隔离刀闸标准作业场景中横担与杆塔之间标准相对安装位置数据、横担与隔离刀闸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；
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、指定带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中隔离刀闸、横担、杆塔、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系。
带电更换隔离刀闸标准作业现场中包括中隔离刀闸、横担、杆塔、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍各多个，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建立带电更换隔离刀闸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
Figure BDA0001682510270000051
其中，
Figure BDA0001682510270000052
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；
Figure BDA0001682510270000053
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、建立隔离刀闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，构建带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库。结合步骤1系统整体数据库结构如图3。
根据步骤1中带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中信息，需要建立隔离刀闸、横担、杆塔、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隔离刀闸标准三维模型数据库中。
步骤3、对元器件进行分类管理，搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景。
利用步骤1中带电更换隔离刀闸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，搭建带电更换隔离刀闸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隔离刀闸标准作业场景的搭建。包括如下步骤：
3.1、将带电更换隔离刀闸作业任务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、读入隔离刀闸、横担、杆塔、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，搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景。
带电更换隔离刀闸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隔离刀闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍6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
Figure BDA0001682510270000061
；带电更换隔离刀闸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
Figure BDA0001682510270000068
确定元器件间的相对位姿关系，完成带电更换隔离刀闸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、建立带电更换隔离刀闸作业场景中横担、隔离刀闸的视觉测量坐标系wr_obj(i)，得到齐次变换矩阵
Figure BDA0001682510270000062
。
首先确定带电更换隔离刀闸作业任务场景中对位姿数据精度有要求的元器件包括横担、隔离刀闸，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
Figure BDA0001682510270000063
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，重构隔离刀闸引流线三维模型，测量带电更换隔离刀闸作业现场中各个横担、隔离刀闸的实际位姿，修正、完善步骤3 中建立的带电更换隔离刀闸标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。
由于步骤3中建立的带电更换隔离刀闸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隔离刀闸引流线三维模型的重构和横担、隔离刀闸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
Figure BDA0001682510270000064
，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
Figure BDA0001682510270000065
，其中
Figure BDA0001682510270000066
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，
Figure BDA0001682510270000067
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
Figure BDA0001682510270000072
；
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
Figure BDA0001682510270000073
；
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
Figure BDA0001682510270000074
；
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
Figure BDA0001682510270000075
。
5.2、针对每一根更换隔离刀闸引流线和输电线，利用双目相机测量带电更换隔离刀闸作业现场中其中心线轨迹，重构隔离刀闸引流线和输电线三维模型。主要包括以下步骤：
5.2.1、调取步骤1建立的带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库，确定当前带电更换隔离刀闸作业现场中引流线和输电线的横截面外径；
同一规格的隔离刀闸引流线和输电线横截面几何尺寸相同且为圆形，只要测量出隔离刀闸引流线或输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(引流线和输电线)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：
Figure BDA0001682510270000071
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。
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
Figure BDA0001682510270000082
，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 9 中的 (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 9 中的 (b) ；
5.2.8、利用步骤5.2.1中获取的直径数据，确定圆形横截面的尺寸，通过等截面曲线拉伸算法计算得到实际现场中线的三维模型数据，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10。
5.3、利用双目相机测量信息，修正带电更换隔离刀闸标准作业场景中各个横担、隔离刀闸位姿数据，完成场景的重构，具体包括以下步骤：
5.3.1、将隔离刀闸、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、拉线式绝缘子以及抱箍多；可靠元器件集合中包括隔离刀闸引流线多、输电线多。
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隔离刀闸和横担，依次根据双目相机测量结果，修正其在带电更换隔离刀闸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
Figure BDA0001682510270000083
。
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
Figure BDA0001682510270000084
，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
Figure BDA0001682510270000085
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
Figure BDA0001682510270000086
，可推到出：
Figure BDA0001682510270000081
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
Figure BDA0001682510270000093
，按照
Figure BDA0001682510270000094
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杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍，依据步骤1中定义的
Figure BDA0001682510270000095
矩阵，更新其以可靠元器件集合各元器件的新位姿参数
Figure BDA0001682510270000096
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
Figure BDA0001682510270000097
：
Figure BDA0001682510270000091
5.3.4、针对随从元器件集合中的每一个杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍，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
Figure BDA0001682510270000098
，得到优化的随从零件k的最终位姿矩阵为
Figure BDA0001682510270000099
。
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：
Figure BDA0001682510270000092
完成计算，得到与真实现场吻合的带电更换隔离刀闸重构场景。
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配输电线路中隔离刀闸、杆塔、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隔离刀闸作业任务的现场重构作为具体实施例进行详细说明。
步骤1、建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库。
步骤1.1、建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库，存储作业现场中7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配电线路带电更换隔离刀闸作业任务的现场重构，具体包括的元器件为：杆塔1根、横担2个、隔离刀闸3个、拉线式绝缘子6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1-22，元器件与对应的全局编号如表1所示。存储数据还包括各个元器件的标准外形尺寸数据以及它们之间的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
Figure BDA0001682510270000101
1.2、指定带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中隔离刀闸、横担、杆塔、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，隔离刀闸、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7。图4中隔离刀闸原点坐标系位置确定在隔离刀闸基座的上端面对角点处，z轴方向垂直于基座平面，x、y轴方向分别平行于隔离刀闸基座的两垂直边；图5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6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7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、建立带电更换隔离刀闸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
Figure BDA0001682510270000111
本实施例某电网10KV配输电线路带电更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，数据单位默认为毫米(mm)、千克(kg)、牛顿(N)、秒(s)。横担1与杆塔的标准相对安装位置数据的齐次变换矩阵记为
Figure BDA0001682510270000116
，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1原点坐标系wobj(2)相对于杆塔原点坐标系wobj(1)，x、y、 z方向偏移距离分别为0mm、0mm、13500mm，可得：
Figure BDA0001682510270000112
横担2与横担1的齐次变换矩阵记为
Figure BDA0001682510270000117
，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2原点坐标系wobj(3)相对于横担1原点坐标系wobj(2)，x、y、z方向偏移距离分别为0mm、0mm、1450mm，可得：
Figure BDA0001682510270000113
隔离刀闸1与横担1的齐次变换矩阵记为
Figure BDA0001682510270000118
，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，隔离刀闸1原点坐标系wobj(4)相对于横担1 原点坐标系wobj(2)，x、y、z方向偏移距离分别为-160mm、700mm、75mm，可得：
Figure BDA0001682510270000114
拉线式绝缘1与横担2的齐次变换矩阵为：
Figure BDA0001682510270000115
其它具有相对安装位置关系的元器件间做相同处理，得到对应的
Figure BDA0001682510270000121
，不再赘述。
步骤2、建立隔离刀闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍的标准三维模型数据，构建带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸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为隔离刀闸标准三维模型数据的可视化结果；图5为横担标准三维模型数据的可视化结果；图6为杆塔标准三维模型数据的可视化结果；图7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隔离刀闸标准三维模型数据库中。
步骤3、对元器件进行分类管理，搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，利用步骤1中带电更换隔离刀闸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，搭建带电更换隔离刀闸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隔离刀闸标准作业场景的搭建。
3.1、将带电更换隔离刀闸作业任务现场中元器件分为可靠器件、活动元器件和随从元器件三类。
本实施例某电网10KV配输电线路带电更换隔离刀闸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、读入隔离刀闸、横担、杆塔、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，搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景。
本实施例某电网10KV配输电线路带电更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，以带电更换隔离刀闸作业任务来构建作业场景，从步骤2中建立的元器件的标准三维模型数据库中提取相对的三维模型数据，具体元器件包括1根杆塔、2个横担、3个隔离刀闸、 6个拉线式绝缘子、1个抱箍，全局索引号分别为表1中1～13，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。
根据建立的带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中标准相对安装位置数据
Figure BDA0001682510270000122
和带电更换隔离刀闸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1～13号元器件的标准三维模型数据，并根据
Figure BDA0001682510270000123
确定元器件间的相对位姿关系，即可完成更换隔离刀闸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2即横担1，由步骤1.3中建立的
Figure BDA0001682510270000133
可确定元器件2 在重构场景中的位姿；读入元器件3即横担2，由步骤1.3中建立的
Figure BDA0001682510270000134
可确定元器件3 在重构场景中的位姿；读入元器件4即隔离刀闸1，由步骤1.3中建立的
Figure BDA0001682510270000135
可确定元器件4在重构场景中的位姿；读入元器件7即拉线式绝缘子1，由步骤1.3中建立的
Figure BDA0001682510270000136
可确定元器件7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配输电线路更换隔离刀闸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、建立带电更换隔离刀闸作业场景中横担、隔离刀闸的视觉测量坐标系wr_obj(i)，得到齐次变换矩阵
Figure BDA0001682510270000137
。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸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：2根横担、3个隔离刀闸。 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
Figure BDA0001682510270000138
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
Figure BDA0001682510270000131
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4即隔离刀闸1，其
Figure BDA0001682510270000132
表示wobj(4)相对于wr_obj(4)没有姿态变化，在x、y、z方向的偏移距离分别为-320mm、-75mm和0mm。
部分元器件wr_obj(i)的选择结果如图4-7，图4隔离刀闸wr_obj(i)方向与原点坐标系 wobj(i)相同，原点位置位于隔离刀闸基座上端面绝缘子圆心处；图5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6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7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，重构隔离刀闸引流线三维模型，测量带电更换隔离刀闸作业现场中各个横担、隔离刀闸的实际位姿，修正、完善步骤3 中建立的带电更换隔离刀闸标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，本步骤包括以下子步骤：
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
Figure BDA0001682510270000141
，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
Figure BDA0001682510270000142
。其中
Figure BDA0001682510270000143
为元器件i测量坐标系wr_boj(i)相对机械臂基座的位姿变换矩阵，
Figure BDA0001682510270000144
为元器件i测量坐标系 wr_boj(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
Figure BDA0001682510270000145
；
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
Figure BDA0001682510270000146
；
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
Figure BDA0001682510270000147
；
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
Figure BDA0001682510270000148
。
5.2、针对每一根更换隔离刀闸引流线和输电线，利用双目相机测量带电更换隔离刀闸作业现场中其中心线轨迹，重构隔离刀闸引流线和输电线三维模型。主要包括以下步骤：
5.2.1、调取步骤1建立的标准作业现场参数数据库，确定当前作业场景中电线(引流线、输电线)的横截面外径，本实施例中，6根引流线的外径均为16mm，3根输电线的外径为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 9 中的 (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 9 中的 (b) ；
5.2.8、利用步骤5.2.1中获取的直径数据，确定圆形横截面的尺寸，通过等截面曲线拉伸算法计算得到实际现场中线的三维模型数据，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，重构结果示意图如图10。
5.3、利用双目相机测量信息，修正带电更换隔离刀闸标准作业场景中各个横担、隔离刀闸位姿数据，完成场景的重构，具体包括以下步骤：
5.3.1、将隔离刀闸、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、拉线式绝缘子以及抱箍多；可靠元器件集合中包括隔离刀闸引流线多、输电线多。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，将3个隔离刀闸、2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、6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、活动元器件集合中的每一个隔离刀闸和横担，依次根据双目相机测量结果，修正其在带电更换隔离刀闸标准作业场景中的实际位姿，并加入可靠元器件集合。
假设此时活动元器件为隔离刀闸1，标注其为c_obj，全局编号为n＝4，通过双目相机测量结果修正c_obj隔离刀闸1三维模型原点坐标系wobj(4)相对于机械臂基座坐标系的位姿变换矩阵
Figure BDA0001682510270000152
。
根据双目相机测量结果，可得c_obj隔离刀闸1测量坐标系wr_obj(4)到相机坐标系的变换矩阵
Figure BDA0001682510270000153
，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
Figure BDA0001682510270000155
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
Figure BDA0001682510270000154
，可推导出：
Figure BDA0001682510270000151
用上述计算结果更新c_obj隔离刀闸1相对机械臂基座的位置
Figure BDA0001682510270000156
，按照
Figure BDA0001682510270000157
指定的位姿关系，调整重构场景中c_obj隔离刀闸1的位姿；调整完成后将c_obj隔离刀闸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、拉线式绝缘子以及抱箍，依据步骤1中定义的
Figure BDA0001682510270000163
矩阵，更新其以可靠元器件集合各元器件的新位姿参数
Figure BDA0001682510270000164
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拉线式绝缘子1，则k＝7；则拉线式绝缘子1以可靠元器件集合中横担2新位姿
Figure BDA0001682510270000165
为参考时(注：横担2的全局标号为3，假设横担2已经完成基于双目相机测量的位姿修正)的新位姿为：
Figure BDA0001682510270000161
5.3.5、针对随从元器件集合中的每一个杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍，加权平均步骤5.3.3中得到的位姿矩阵
Figure BDA0001682510270000166
，得到优化的随从零件k的最终位姿矩阵为
Figure BDA0001682510270000167
。
本实施例某电网10KV配输电线路更换隔离刀闸作业任务的现场重构中，如针对随从元器件集合中拉线式绝缘子1，则k＝7。可靠元器件集合中与跌落式熔断器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)，共2个元器件，则随从元器件中隔离刀闸1(k＝7)相对于机械臂基座坐标系的最终位姿矩阵为：
Figure BDA0001682510270000162
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隔离刀闸重构现场，如图11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 (3)

1.一种带电更换隔离刀闸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、建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库：
带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中数据包括隔离刀闸、横担、杆塔、引流线、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍的相关数据；指定带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中隔离刀闸、横担、杆塔、输电线、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系；建立两元器件i、j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
Figure FDA0003440236490000011
其中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)；
步骤2、构建带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库：以隔离刀闸、横担、杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍的原点坐标系为参考，建立各元器件的标准三维模型数据，构建带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库，将建模结果数据存储到带电更换隔离刀闸标准三维模型数据库中；
步骤3、搭建带电更换隔离刀闸标准作业场景：将更换隔离刀闸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；
利用带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中的标准相对安装位置参数和元器件标准三维模型，搭建带电更换隔离刀闸作业任务的标准作业现场三维场景；
步骤4、建立带电更换隔离刀闸作业场景中横担、隔离刀闸的视觉测量坐标系，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、隔离刀闸作为待测元器件，指定待测元器件的测量坐标系wr_obj(i)；用齐次变换矩阵来记录原点坐标系wobj(i)相对于测量坐标系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，重构隔离刀闸引流线和输电线三维模型，测量带电更换隔离刀闸作业现场中各个横担、隔离刀闸的实际位姿，修正、完善建立的带电更换隔离刀闸标准作业场景模型，得到与实际现场吻合的重构场景，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
Figure FDA0003440236490000012
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
Figure FDA0003440236490000013
其中
Figure FDA0003440236490000021
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，
Figure FDA0003440236490000022
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
Figure FDA0003440236490000023
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
Figure FDA0003440236490000024
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
Figure FDA0003440236490000025
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
Figure FDA0003440236490000026
5.2、针对每一根更换隔离刀闸引流线和输电线，利用双目相机测量带电更换隔离刀闸作业现场中其中心线轨迹，重构隔离刀闸引流线和输电线三维模型；
具体包括以下步骤：
5.2.1、调取带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库，确定当前作业现场中电线的横截面外径；
5.2.2、标定双目相机，利用匹配算法实现测距；
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：
Figure FDA0003440236490000027
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；
5.2.6、利用方程
Figure FDA0003440236490000028
将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)；
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中获取的直径数据，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；
5.3、利用双目相机测量信息，修正带电更换隔离刀闸标准作业场景中各个横担、隔离刀闸位姿数据，完成场景的重构；具体包括以下步骤：
5.3.1、将隔离刀闸、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隔离刀闸和横担，依次根据双目相机测量结果，修正其在带电更换隔离刀闸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
Figure FDA0003440236490000031
可得编号n的元器件相对机械臂基座的位置
Figure FDA0003440236490000032
5.3.3、针对随从元器件集合中的每一个杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍，依据步骤1中定义的矩阵
Figure FDA0003440236490000033
更新其以可靠元器件集合各元器件的新位姿参数
Figure FDA0003440236490000034
为参考时，相对机械臂基座坐标系的新的位姿矩阵
Figure FDA0003440236490000035
Figure FDA0003440236490000036
5.3.4、针对随从元器件集合中的每一个杆塔、拉线式绝缘子以及抱箍，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，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：
Figure FDA0003440236490000037
完成计算，得到与真实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隔离刀闸作业场景的快速重构方法，其特征在于，步骤1建立带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库，具体包括以下步骤：
步骤1.1、建立带电更换隔离刀闸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、指定带电更换隔离刀闸标准作业现场参数数据库中隔离刀闸、横担、杆塔、输电线、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建立带电更换隔离刀闸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
Figure FDA0003440236490000041
其中，
Figure FDA0003440236490000042
为一个3×3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；
Figure FDA0003440236490000043
为一个3×1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1所述的一种带电更换隔离刀闸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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