CN109985846A - 一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，本发明公开了一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，针对激光雷达在工作过程中，当激光点落在物体边缘时，激光射线会在不同深度的物体上反射不同的光线，导致混合像素点的产生，从而使激光雷达的测距精度下降的问题，设计了一种用于激光雷达标定的栅形标定板，标定时选取标定板上三个面的交点作为特征点，基于模型完成激光雷达标定，避免了混合像素点的干扰。

Description

一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法

技术领域

本发明涉及电力机器人技术领域，尤其涉及一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法。

背景技术

自然环境中在线运行的绝缘子，易受到空气中SO2、氮氧化物以及颗粒性尘埃等的影响，在表面形成污秽沉积。当遇到潮湿天气时，绝缘子串表面的污秽沉积会吸收空气中的水分，导致污秽中的电解质溶解。由于电解质的浓度增加，使绝缘子串绝缘水平下降，泄漏电流增大，严重时可能发生闪络事故。由于污闪跳闸后的重合闸成功率很低，绝缘子污闪容易发展成大面积、长时间的恶性停电事故，因此污闪的危害性极大，是影响电网设备安全运行的主要隐患。

由于人工带电水冲洗存在劳动强度大、危险性高、作业效率低等局限性，近年来，随着机器人技术的发展，研制一种新型的可替代人工完成变电站带电水冲洗作业的智能机器人越来越受到相关领域专家和学者的高度重视。

带电水冲洗机器人在进入变电站作业区域进行清污作业时，需要机器人能够通过自身的视觉系统找到绝缘子串，首先要完成的便是视觉系统的标定。激光雷达由于具备高精度、抗干扰能力强等优点，广泛应用于各个领域。然而，在激光雷达工作过程中，当激光点落在物体边缘时，激光射线会在不同深度的物体上反射回不同光线，导致混合像素点的产生，从而使激光雷达的测距精度下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，解决了激光雷达测距精度下降的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，包括以下步骤：

步骤1：建立激光雷达系统坐标系；

步骤2：对激光雷达进行建模；

步骤3：进行激光雷达的标定。

进一步，所述的步骤1具体为：

通过激光雷达系统获得的信息为深度信息ρ、偏航角和步进电机的俯仰转角η，记为极坐标(ρ，η)，而单线激光雷达测得的单个数据点的空间坐标为直角坐标(x，y，z)，因此需要将激光雷达系统获取的极坐标向三维直角坐标进行变换，以步进电机输出轴为x轴，水平向右方向为正方向，z轴垂直于系统基座向上，y轴位于激光扫描扇面的中线所在的平面，垂直于x-z平面向前，xyz满足右手坐标系法则。

进一步，所述的步骤2具体为：

步骤2.1：依照下式对激光雷达进行建模：

其中，r为步进电机转轴到激光雷达光心的垂直距离，α为激光雷达转动的初始位置与y轴负方向的夹角，ρ激光雷达扫描到与x轴垂直时的射线，ω为步进电机转轴到激光雷达光心的连线与激光雷达扫描射线之间的夹角，ρ₁为任意一条激光射线，θ为激光雷达的俯仰角，θ＝180-η-α；其中ρ，η是已知量，而r，α，ω为未知量；

步骤2.2：为得到由(ρ，η)到(x，y，z)的映射关系，进而得到激光雷达采集数据的空间坐标，计算出r，α，ω的值，即对r，α，ω进行标定。

进一步，所述的步骤2具体为：

步骤3.1：将栅形标定板(栅格标定板)垂直于地面放置在激光雷达前方，该标定板由10个10cm×50cm的矩形铝板排列组成，相邻两块举行板间成90°夹角，而最外侧的矩形板与相邻板成135°夹角，上下两侧分别放置一块矩形挡板，标定时选取三个面的交点作为特征点，根据几何关系：

由此得到目标函数方程：

步骤3.2：通过Levenberg-Marquet算法对此目标函数进行最小化，求得r，α，ω，同时也可求出d，β，完成激光雷达的标定。

本发明的有益效果是：

本发明提供的变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，以基于空间向量的三维坐标系转换模型为基础，解决了激光雷达测距精度下降的问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的激光雷达系统及模型示意图；

图2为本发明实施例提供的激光雷达标定时的俯视图；

图3为本发明实施例提供的激光雷达标定时的截面图；

图4为本发明实施例提供的栅形标定板示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，所述的激光雷达为单线激光雷达。

所述的激光雷达标定方法包括以下步骤：

步骤一、建立激光雷达系统坐标系；

步骤二、对激光雷达进行建模；

步骤三、进行激光雷达的标定。

其中，步骤1具体为：

如图1至图3所示，通过激光雷达系统获得的信息为深度信息ρ、偏航角和步进电机的俯仰转角η，记为极坐标(ρ，η)，而单线激光雷达测得的单个数据点的空间坐标为直角坐标(x，y，z)，因此需要将激光雷达系统获取的极坐标向三维直角坐标进行变换。以步进电机输出轴为x轴，水平向右方向为正方向，z轴垂直于系统基座向上，y轴位于激光扫描扇面的中线所在的平面，垂直于x-z平面向前，xyz满足右手坐标系法则。

步骤2具体为：

步骤2.1：通过下式对激光雷达进行建模：

其中，r为步进电机转轴到激光雷达光心的垂直距离，α为激光雷达转动的初始位置与y轴负方向的夹角，ρ激光雷达扫描到与x轴垂直时的射线，ω为步进电机转轴到激光雷达光心的连线与激光雷达扫描射线之间的夹角，ρ₁为任意一条激光射线；θ为激光雷达的俯仰角，θ＝180-η-α；其中ρ，η是已知量，而r，α，ω为未知量；

步骤2.2：为得到由(ρ，η)到(x，y，z)的映射关系，进而得到激光雷达采集数据的空间坐标，计算出r，α，ω的值，即对r，α，ω进行标定。

步骤3具体为：

步骤3.1：如图4所示，将栅形标定板(也可以叫栅格标定板)垂直于地面放置在激光雷达前方，该标定板由10个10cm×50cm的矩形铝板排列组成，相邻两块举行板间成90°夹角，而最外侧的矩形板与相邻板成135°夹角，上下两侧分别放置一块矩形挡板，标定时选取三个面的交点作为特征点，根据几何关系：

由此得到目标函数方程：

步骤3.2：通过Levenberg-Marquet算法对此目标函数进行最小化，求得r，α，ω，同时也可求出d，β，从而完成激光雷达的标定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立激光雷达系统坐标系；

步骤2：对激光雷达进行建模；

步骤3：进行激光雷达的标定。

2.根据权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，其特征在于：所述的步骤1具体为：

通过激光雷达系统获得的信息为深度信息ρ、偏航角和步进电机的俯仰转角η，记为极坐标而单线激光雷达测得的单个数据点的空间坐标为直角坐标(x，y，z)，因此需要将激光雷达系统获取的极坐标向三维直角坐标进行变换，以步进电机输出轴为x轴，水平向右方向为正方向，z轴垂直于系统基座向上，y轴位于激光扫描扇面的中线所在的平面，垂直于x-z平面向前，xyz满足右手坐标系法则。

3.根据权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，其特征在于：所述的步骤2具体为：

步骤2.1：依照下式对激光雷达进行建模：

其中，r为步进电机转轴到激光雷达光心的垂直距离，α为激光雷达转动的初始位置与y轴负方向的夹角，ρ激光雷达扫描到与x轴垂直时的射线，ω为步进电机转轴到激光雷达光心的连线与激光雷达扫描射线之间的夹角，ρ₁为任意一条激光射线，θ为激光雷达的俯仰角，θ＝180-η-α；其中ρ，η是已知量，而r，α，ω为未知量；

步骤2.2：为得到由到(x，y，z)的映射关系，进而得到激光雷达采集数据的空间坐标，计算出r，α，ω的值，即对r，α，ω进行标定。

4.根据权利要求1所述的一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法，其特征在于：所述的步骤2具体为：

步骤3.1：将栅形标定板(栅格标定板)垂直于地面放置在激光雷达前方，该标定板由10个10cm×50cm的矩形铝板排列组成，相邻两块举行板间成90°夹角，而最外侧的矩形板与相邻板成135°夹角，上下两侧分别放置一块矩形挡板，标定时选取三个面的交点作为特征点，根据几何关系：

由此得到目标函数方程：

步骤3.2：通过Levenberg-Marquet算法对此目标函数进行最小化，求得r，α，ω，同时也可求出d，β，从而完成激光雷达的标定。