CN110154026A - 铁路牵引变电所操作机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路牵引变电所操作机器人控制系统及控制方法，可解决人工完成对牵引变电所室内配电柜上设备进行操作，劳动强度大和操作风险大的技术问题。包括磁导引AGV和安装在磁导引AGV上的控制柜，控制柜上设置工业相机总成、操作平台升降总成、操作平台横移总成、机械手总成、传感器总成；通过AGV小车的移动和升降装置的升降，工业相机总成可以拍摄到配电柜整体图片；通过图像处理和识别，确定要操作的电气开关和小车以及机械手的相对位置，调整机械手位置使其正对要操作的开关，从而控制机械手完成对开关的操作。本发明实现从“有人”到“无人”的跨越性转变，提升了巡检的精度和数据收集的准确率，同时也缩短了故障从发生到发展再到造成事故的判断周期。

Description

铁路牵引变电所操作机器人控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种铁路牵引变电所操作机器人控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国的铁路和电力系统自动化技术的快速发展，牵引变电所的数量不断增加，牵引变电所作为牵引供电系统中变换电压、传输电能的枢纽，承担着极其重要的任务，牵引变电所稳定运行直接影响铁路系统的稳定性、可靠性以及抵抗事故的能力。目前牵引变电所正在朝着无人值守的方向发展，对无人值守的牵引变电所内电力设备进行操作对于保证牵引变电所稳定运行具有重要的作用。目前，国内大多数牵引变电所内的电力设备进行操作时还是采用传统的人工操作。人工操作会出现以下几方面问题：

(1)操作人员采用手动对电力设备上装置进行操作，但是随着牵引变电所的数量和功能不断增加，变电所内需要操作的设备仪器种类繁多、种类各异，很容易由于操作人员的工作经验、责任心、业务水平、精神状态等诸多因素影响制约发生误操作和漏操作的情况，为重大设备事故埋下隐患。而且操作人员需要操作的电力设备多，也会导致劳动强度大、工作效率低等问题，这些问题会直接影响牵引变电所稳定运行和铁路的正常工作。

(2)操作人员对电力设备上的空开、旋钮、按钮等装置进行手动操作时，由于有的电力设备安装在高压室内，操作人员在手动操作时会存在安全风险。

发明内容

本发明提出的一种铁路牵引变电所操作机器人控制系统及控制方法，可解决人工完成对牵引变电所室内配电柜上设备进行操作，劳动强度大和操作风险大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种铁路牵引变电所操作机器人控制系统，包括有操作机器人：

所述操作机器人包括磁导引AGV和安装在磁导引AGV上的控制柜，所述控制柜上设置工业相机总成、操作平台升降总成、操作平台横移总成、机械手总成、传感器总成；

所述控制柜内还设置工业平板电脑和可编程逻辑控制器；

所述操作平台升降总成、操作平台横移总成、机械手总成的驱动机构分别与可编程逻辑控制器连接；传感器总成与可编程逻辑控制器直接连接；

所述磁导引AGV、工业相机总成、可编程逻辑控制器均与工业平板电脑连接；

其中，传感器总成用于测量控制柜与配电柜之间距离，测量磁导引AGV与配电柜之间的夹角，测量操作平台横移总成与配电柜之间距离，并发送给工业平板电脑，从而控制操作机械手向前移动固定距离完成操作；

工业相机总成用于拍摄配电柜上待操作设备的位置图片并发送给工业平板电脑，工业平板电脑对所述图片进行图像处理和分析，计算出操作机械手与待操作设备间的距离差值，从而控制操作机械手定位到待操作设备处。

进一步的，还包括信息中心，信息中心包括有工业控制计算机、分别与工业控制计算机连接的中心显示屏和中心无线路由器；所述中心无线路由器通过操作无线路由器与工业平板电脑通信连接。

进一步的，所述工业相机总成包括有近景相机和远景相机；

所述近景相机安装在操作平台横移总成上；

所述远景相机固定在操作平台升降总成上；

所述近景相机和远景相机分别与工业平板电脑通信连接。

进一步的，所述传感器总成包括有固定激光位移传感器和移动激光位移传感器；

所述固定激光位移传感器安装在控制柜外侧上；

所述移动激光位移传感器安装在操作平台横移总成上；

所述固定激光位移传感器和移动激光位移传感器分别与可编程逻辑控制器直接连接。

另一方面本发明还公开一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，基于上述的铁路牵引变电所操作机器人控制系统，包括以下步骤：

磁导引AGV启动，到达地标卡标记位置；

通过传感器总成测量磁导引AGV与配电柜之间的夹角，判断磁导引AGV是否平行于待操作控制柜，如果不平行则调整磁导引AGV角度使其与控制柜平行；

通过工业相机总成拍摄配电柜上待操作设备的位置图片并发送给工业平板电脑，工业平板电脑对所述图片进行图像处理和分析，计算出操作机械手与待操作设备间的距离差值，从而控制操作机械手定位到待操作设备处，按压按钮操作。

进一步的，所述通过传感器总成测量磁导引AGV与配电柜之间的夹角的具体步骤如下：

(一)、基于操作机器人建立空间坐标系，在空间坐标系下对机械手总成、传感器总成、工业相机总成的初始位置坐标进行确定；

空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴定义如下：

Z轴：过磁导引AGV中心点并垂直于其顶部，Z轴起始点为Z轴和磁导引AGV顶部的交点，规定向上为Z轴正方向；

Y轴：过Z轴起始点并垂直于Z轴，平行于操作平台横移总成水平移动方向，规定向左为Y轴正方向；

原点：Y轴和Z轴的交点为原点；

X轴：根据右手定则，X轴过原点并平行于磁导引AGV，磁导引AGV(12)前进方向为X轴正方向；

(三)、为按钮机械手、空开机械手、旋钮机械手分别建立直线坐标系，分别用V1轴、V2轴、V3轴表示，这三个轴都平行于Y轴；

固定激光位移传感器位置固定不动，此时中心坐标S₁为(x_S10，y_S10，z_S10)，测得的距离为a₁；

移动激光位移传感器随着操作平台横移总成沿Y轴移动距离y，此时中心S₂坐标为(x_S20，y_S20+y，z_S20)，测得的距离为a₂；

假设磁导引AGV与配电柜之间有夹角θ，S₁代表固定激光位移传感器初始位置，S₂和S₂′分别代表移动激光位移传感器初始位置和当前位置，则夹角θ的计算公式如(1.1)和(1.2)；

式中：

E＝a₁-[a₂+y-(y_S10-y_S20)]

F＝x_S10-x_S20

计算出夹角θ后，工业平板电脑将夹角θ数据发送给磁导引AGV，磁导引AGV旋转θ使得磁导引AGV和配电柜相互平行。

进一步的，所述通过工业相机总成拍摄配电柜上待操作设备的位置图片并发送给工业平板电脑，工业平板电脑对所述图片进行图像处理和分析，计算出操作机械手与待操作设备间的距离差值；

包括：

工业平板电脑对远景相机拍摄的配电柜图片进行图像处理，得出待操作按钮中心的像素坐标和图片中心像素坐标，从而计算出待操作按钮中心G₀和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的距离差值，再通过坐标转换得到待操作按钮中心G₀和按钮机械手中心Q₁在X轴和Z轴方向上的距离差值，然后在X轴方向上移动磁导引AGV以及在Z轴方向上提升操作平台升降总成，达到按钮机械手在XZ平面坐标系下粗定位的目的；

按钮机械手完成粗定位后，操作平台横移总成向前移动直到移动激光位移传感器测得与配电柜间距离为d₃时停下，根据操作任务的不同改变d₃的距离，操作平台横移总成向前移动缩短近景相机和配电柜之间的距离，使得近景相机拍摄待操作按钮的图片分辨率更高，从而进行图像处理得到的按钮中心坐标精度更高，达到按钮机械手精定位的目的。

进一步的，所述计算出待操作按钮中心G₀和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的距离差值，再通过坐标转换得到待操作按钮中心G₀和按钮机械手中心Q₁在X轴和Z轴方向上的距离差值，步骤如下：

第一步：操作平台升降总成提升高度h后，远景相机中心P₁坐标(x_P10，y_P10，z_P10+h)，固定激光位移传感器测得离配电柜的距离为d₁以及中心S₁坐标(x_S10，y_S10，z_S10)，得出远景相机离配电柜的距离为d₂，d₂计算公式如公式1.3所示，其中远景相机中心P₁和固定激光位移传感器中心S₁在XY平面坐标系中位置关系；

d₂＝d₁+y_S10-y_P10\*MERGEFORMAT(1.3)；

第二步：假设远景相机的最高分辨率为M×N，远景相机拍摄的图片实际长度L和远景相机离配电柜之间的距离d₂关系为L∶d₂＝1∶1，图片的实际高度为H与实际长度L之间的关系为L∶H＝M∶N；在图像坐标系中X轴方向上单位像素代表的实际距离为I_x，Z轴方向上单位像素代表的实际距离为I_z，I_x和I_z，的计算公式如(1.4)所示；

第三步：由于远景相机在拍摄图片的时候，远景相机中心不是正对着待操作按钮中心，而且待操作按钮有一定厚度t，导致图像识别到的按钮中心与实际按钮中心有偏移误差，需要进行误差补偿；具体步骤如下：

假设平面A是待操作按钮表面，平面B是配电柜表面，平面A和平面B之间距离为按钮厚度t，点P₁是远景相机中心，点P₁＇是P₁在平面B上的垂直投影点，点P₁到平面B距离为d₂，G₀是待操作按钮实际中心，G₁是图像识别找到的待操作按钮中心，G₂是G₀在平面B上的垂直投影点，计算的偏移误差就是计算线段G₁G₂的距离，G₁G₂与水平方向上的夹角为α，根据相似三角形G₀G₁G₂相似于P₁G₁P₁＇可得出G₁G₂的距离，则水平方向的距离误差为G₁G₂cosα，竖直方向上的距离误差为G₁G₂sinα，计算公式如(1.5)、(1.6)所示；

为了计算平面B上各点间实际距离，通过调用已写好的图像算法对远景相机拍摄的图片进行图像处理，从而得到各点像素坐标；由于空间坐标系的Z轴正方向是竖直向上的，为了使图像坐标系里Z轴和空间坐标系里Z轴正方向一致，重新构建图像坐标系使得图像坐标系里的Z轴向上以及X轴向右；

具体为图像识别找到的按钮中心G₁点的像素坐标为(x₁,z₁)，按钮实际中心G₀在平面B上投影点G₂的像素坐标为(x₂,z₂)，远景相机中心P₁在平面B上投影点P₁＇的像素坐标为(M/2，N/2)，G₁点和P₁＇点之间的像素坐标差(R,S)，按钮实际中心G₀和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的移动量为L₁和H₁，图像坐标系中各点间实际距离计算公式如(1.7)至(1.12)所示；

图像识别后水平方向上的实际距离误差：

图像识别后竖直方向上的实际距离误差：

磁导引AGV(12)在X轴方向上移动量L₁为：

操作平台升降总成在Z轴方向上移动量H₁为：

第四步：已知操作平台横移总成沿Y轴移动了距离y，按钮机械手沿V1轴移动了距离v₁，操作平台升降总成提升了高度h，此时按钮机械手中心Q₁坐标为(x_Q10,y_Q10+y+v₁,z_Q10+h)，远景相机中心P₁坐标(x_P10,y_P10,z_P10+h)，按钮机械手中心Q₁和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿着X轴和Z轴方向上的实际距离差值x_P10-x_Q10和z_P10-z_Q10；

具体为：

1)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀在沿着X轴方向上的移动量为X₁，计算公式如(1.13)；

X₁＝L₁+x_P10-x_Q10\*MERGEFORMAT(1.13)

2)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀在沿着Z轴方向上的移动量为Z₁，计算公式如(1.14)所示；

Z₁＝H₁+z_P10-z_Q10\*MERGEFORMAT(1.14)

则操作机器人控制磁导引AGV和操作平台升降总成分别在X轴和Z轴的方向上移动数值为X₁和Z₁，使得按钮机械手在XZ平面坐标系下完成粗定位。

进一步的，所述按钮机械手完成粗定位后，操作平台横移总成向前移动直到移动激光位移传感器测得与配电柜间距离为d₃时停下，根据操作任务的不同改变d₃的距离，操作平台横移总成向前移动缩短近景相机和配电柜之间的距离，使得近景相机拍摄待操作按钮的图片分辨率更高，从而进行图像处理得到的按钮中心坐标精度更高，达到按钮机械手精定位的目的；

具体包括：

精定位处理过程和粗定位处理过程相同，精定位时近景相机中心P₂距离配电柜表面距离为d₄，图像处理后会得出按钮中心G₀和近景相机P₂中心在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的移动差值L₂和H₂，再通过坐标转换得到按钮中心G₀和按钮机械手中心Q₁在X轴和Z轴方向上的移动量X₂和Z₂；

1)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀沿着X轴方向上的移动量为X₂，计算公式如(1.15)；

X₂＝L₂+x_P20-x_Q10\*MERGEFORMAT(1.15)；

2)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀在沿着Z轴方向上的移动量为Z₂，计算公式如(1.16)所示，

Z₂＝H₂+z_P20-z_Q10\*MERGEFORMAT(1.16)；

操作机器人再次控制磁导引AGV和操作平台升降总成分别在X轴和Z轴的方向上移动数值为X₂和Z₂，使得按钮机械手在XZ平面坐标系下完成精定位。

进一步的，还包括，所述按钮机械手完成精定位后，按钮机械手沿着V1轴向前移动距离d₅使其接触按钮表面，Q₁和Q₁＇分别代表按钮机械手中心的初始位置和当前位置，已知按钮机械手在初始位置沿V1轴移动了距离v₁，得当前位置的按钮机械手中心Q₁＇和移动激光位移传感器中心S₂沿Y轴方向上距离差为y_Q10+v₁-y_S20，移动激光位移传感器中心S₂与配电柜表面距离为d₃，按钮头部的厚度为t，d₅计算公式如(1.17)所示，

d₅＝d₃-(y_Q10+v₁-y_S20)-t

\*MERGEFORMAT(1.17)；

在进行按压按钮操作之前，近景相机需要再次拍摄按钮图片并发送给工业平板电脑进行确认，工业平板电脑判断按钮机械手定位到的这个按钮是不是正确的，如果确定是需要操作的按钮，按钮机械手将向前移动距离d₆进行按压按钮操作，移动的距离d₆为按钮导通的行程，如果不是正确的将返回远景相机拍照流程进行再一次的粗定位和精定位；

操作机器人所有的伺服电机完成退回原点操作，结束按压按钮操作任务并为下一次自动操作做准备。

由上述技术方案可知，本发明的铁路牵引变电所操作机器人控制系统及控制方法，设置机器人的机械结构都架设于AGV小车上方，AGV小车采取的是差速转弯，使得机器人在狭小的过道中可以对电气柜进行检测；机器人的主升降架部分采取的是一种二级提升装置，使操作平台上的摄像头和操作手可以竖直上升到最高的位置(2.1米)，下降到最低的位置(0.4米)，整个机器人可以全工作面(从上到下)的对电气柜进行巡检；通过AGV小车的移动和升降装置的升降，摄像头可以对整个拍摄到整幅控制柜的图像；通过图像处理和识别，确定要操作的电气开关和小车以及机械手的相对位置，调整机械手位置使其正对要操作的开关。操作平台向控制柜面板方向伸出，机械手从操作平台上伸出接触开关，完成对开关的操作。

本发明的电气柜巡检机器人旨在实现从“有人”到“无人”的跨越性转变，在电力行业新旧管理体系和方法交替的时期，机器人技术的引入，可以在技术层面直接对巡检工作进行干预，提升了巡检的精度和数据收集的准确率，同时也缩短了故障从发生到发展再到造成事故的判断周期。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明操作机器人空间坐标系示意图；

图4是本发明操作机器人的三视图(4a是主视图，4b是左视图，4c是俯视图)；

图5是本发明操作机器人直线坐标系；

图6是本发明操作机器人硬件相对位置图；

图7是本发明操作机器人操作按钮的流程图；

图8是本发明磁导引AGV与配电柜相对位置图；

图9是本发明远景相机和固定激光位移传感器的XY平面示意图；

图10是本发明按钮中心点位置误差分析图；

图11是本发明图像坐标系中各点相对位置图；

图12是本发明粗定位XY平面示意图；

图13是本发明粗定位YZ平面示意图；

图14是本发明精定位XY平面示意图；

图15是本发明精定位YZ平面示意图；

图16是本发明按钮机械手向前移动时XY平面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述的铁路牵引变电所操作机器人控制系统，铁路牵引变电所操作机器人控制系统，包括有操作机器人1、信息中心2；

操作机器人1包括工业相机总成11、磁导引AGV12、安装在磁导引AGV12上的控制柜13、操作平台升降总成14、操作平台横移总成15、机械手总成16、传感器总成17；

控制柜13内设置有工业平板电脑132、可编程逻辑控制器134、操作无线路由器133；

操作平台升降总成14、操作平台横移总成15、机械手总成16的驱动机构与可编程逻辑控制器134连接；传感器总成17与可编程逻辑控制器134直接连接；

磁导引AGV12、工业相机总成11、可编程逻辑控制器134、操作无线路由器133均与工业平板电脑132连接；

机械手总成16安装在操作平台上；近景相机111和移动激光位移传感器172安装在操作平台横移总成15上；远景相机112固定在操作平台升降总成14上；固定激光位移传感器171安装在控制柜13外侧上；

信息中心2包括有工业控制计算机22、分别与工业控制计算机22连接的中心显示屏23以及中心无线路由器21；操作无线路由器133和中心无线路由器21采用无线通信连接；

机械手总成16包括有按钮机械手161、空开机械手162、旋钮机械手163；

工业相机总成11包括有近景相机111、远景相机112；

传感器总成17包括有固定激光位移传感器171、移动激光位移传感器172；

铁路牵引变电所操作机器人控制系统的操作方法，包括以下步骤：

(一)空间坐标系的建立

操作机器人1要完成操作的关键是要控制机械手移动到指定的位置，为了实现机械手能够精确的到达待操作按钮、空开、旋钮的位置，需要进行空间坐标系的建立，在操作机器人1上建立空间坐标系后如图3所示，操作机器人1的三视图如图4(a、b、c)所示。在空间坐标系下对机械手总成16、传感器总成17、工业相机总成11的初始位置坐标进行确定，自动操作时利用图像识别技术进行坐标转换，实现机械手准确定位到待操作按钮、空开、旋钮的位置处并进行操作。

空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴定义如下：

Z轴：过磁导引AGV12中心点并垂直于其顶部，Z轴起始点为Z轴和磁导引AGV12顶部的交点，规定向上为Z轴正方向。

Y轴：过Z轴起始点并垂直于Z轴，平行于操作平台横移总成15水平移动方向，规定向左为Y轴正方向。

原点：Y轴和Z轴的交点为原点。

X轴：根据右手定则，X轴过原点并平行于磁导引AGV12，磁导引AGV12前进方向为X轴正方向。

(二)直线坐标系的建立

在空间坐标系下操作平台横移总成15在Y轴方向上移动，因为在自动操作时机械手要在操作平台横移总成15上进行二次移动，因此需要为按钮机械手161、空开机械手162、旋钮机械手163分别建立直线坐标系，分别用V1轴、V2轴、V3轴表示，这三个轴都平行于Y轴，操作机器人1直线坐标系如图5所示。

(三)硬件初始中心坐标

操作机器人1上的各种硬件的相对位置如图6所示，在空间坐标系下对操作机器人1上的硬件如工业相机、激光位移传感器、机械手进行初始中心坐标的确定，首先将六台伺服电机全部进行回原点，在原点状态下得到硬件的初始中心坐标。

原点状态下，安装在操作平台升降总成14上的远景相机112中心P₁坐标为(x_P10,y_P10,z_P10)，安装在操作平台横移总成15上的近景相机111中心P₂坐标为(x_P20,y_P20,z_P20)，安装在控制柜13上的固定激光位移传感器171中心S₁坐标为(x_S10,y_S10,z_S10)，安装在操作平台横移总成15上的移动激光位移传感器172中心S₂坐标为(x_S20,y_S20,z_S20)，按钮机械手161中心Q₁坐标为(x_Q10,y_Q10,z_Q10)，空开机械手162中心Q₂坐标为(x_Q20,y_Q20,z_Q20)，旋钮机械手163中心Q₃坐标为(x_Q30,y_Q30,z_Q30)，这些硬件在操作机器人1上的相对位置如图6所示。

自动操作过程中，远景相机112只沿着Z轴移动，中心P₁坐标为(x_P10,y_P10,z_P10+z)；近景相机111只沿着Y轴、Z轴移动，中心P₂坐标为(x_P20,y_P20+y,z_P20+z)；固定激光位移传感器171位置固定不动，中心S₁坐标为(x_S10,y_S10,z_S10)；移动激光位移传感器172只沿着Y轴、Z轴移动，中心S₂坐标为(x_S20,y_S20+y,z_S20+z)；按钮机械手161只沿着V1轴、Y轴、Z轴移动，中心Q₁坐标为(x_Q10,y_Q10+y+v₁,z_Q10+z)，空开机械手162只沿着V2轴、Y轴、Z轴移动，中心Q₂坐标为(x_Q20,y_Q20+y+v₂,z_Q20+z)；旋钮机械手163只沿着V3轴、Y轴、Z轴移动以及V3轴转动，中心Q₃坐标为(x_Q30,y_Q30+y+v₃,z_Q30+z)。

(四)操作按钮流程设计

按钮操作、空开操作、旋钮操作的操作步骤大致相同，只是这三个元器件的结构不同所以在最后执行动作方面有所区别，下面以操作按钮为例对操作机器人1如何实现每一步动作进行分析说明，操作机器人1操作按钮的流程图如图7所示。

操作机器人1在对配电柜上的按钮进行操作的时候，需要进行多次逻辑判断和图像识别，包括判断磁导引AGV12是否与配电柜平行，图像处理进行按钮位置的粗定位和精定位、发送精定位后的按钮图片给信息中心进行确认判断等步骤，从而使按钮机械手161能够准确的移动到按钮的位置完成操作。

下面对流程图里这些步骤进行理论分析和设计：

(1)磁导引AGV12移动至目标配电柜：在工业平板电脑132的任务选择界面里选择需要操作的配电柜站号以及对哪个按钮进行操作后，工业平板电脑132将配电柜站号发送给磁导引AGV12，磁导引AGV12通过铺设在磁条下面的RFID标签确定配电柜的位置并准确停下。

(2)判断磁导引AGV12是否平行于配电柜：磁导引AGV12在配电柜面前停下后需要判断磁导引AGV12是否与配电柜平行，如果不平行会影响按钮机械手161对按钮的操作。因此，需要进行磁导引AGV12位置调整，通过两个激光位移传感器测得的距离可以计算出磁导引AGV12与配电柜之间的夹角，再将计算得到的角度发送给磁导引AGV12使其旋转相应角度与配电柜平行。

固定激光位移传感器171位置固定不动，此时中心坐标S₁为(x_S10,y_S10,z_S10)，测得的距离为a₁；移动激光位移传感器172随着操作平台横移总成15沿Y轴移动距离y，此时中心S₂坐标为(x_S20,y_S20+y,z_S20)，测得的距离为a₂。假设磁导引AGV12与配电柜之间有夹角θ，S₁代表固定激光位移传感器171初始位置，S₂和S₂＇分别代表移动激光位移传感器172初始位置和当前位置，磁导引AGV12和配电柜之间的相对位置如图8所示。夹角θ的计算公式如(1.1)和(1.2)所示。

式中：

E＝a₁-[a₂+y-(y_S10-y_S20)]

F＝x_S10-x_S20

计算出夹角θ后，工业平板电脑132将夹角θ数据发送给磁导引AGV12，磁导引AGV12旋转θ使得磁导引AGV12和配电柜相互平行。

(3)操作平台升降总成14提升到指定高度h：当磁导引AGV12旋转到与配电柜平行后，安装在操作平台升降总成14上的远景相机112需要拍摄到待操作按钮图片进行粗定位，由于配电柜比较高而且远景相机112受安装位置限制离配电柜不是很远，因此不能将配电柜整体拍摄下来，需要将操作平台升降总成14提升到一定高度h，保证在粗定位的时候能够拍摄到待操作按钮。

(4)按钮机械手161进行粗定位：因为远景相机112与配电柜的距离远，拍摄的图片分辨率不够，导致经过图像处理后得到的按钮中心坐标精度不够，因此作为按钮机械手161粗定位。

工业平板电脑132对远景相机112拍摄的配电柜图片进行图像处理，得出待操作按钮中心的像素坐标和图片中心像素坐标，从而计算出待操作按钮中心G₀和远景相机112中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的距离差值，再通过坐标转换得到待操作按钮中心G₀和按钮机械手161中心Q₁在X轴和Z轴方向上的距离差值，然后在X轴方向上移动磁导引AGV12以及在Z轴方向上提升操作平台升降总成14，达到按钮机械手161在XZ平面坐标系下粗定位的目的。距离差值计算步骤如下：

第一步：操作平台升降总成14提升高度h后，远景相机112中心P₁坐标(x_P10,y_P10,z_P10+h)，固定激光位移传感器171测得离配电柜的距离为d₁以及中心S₁坐标(x_S10,y_S10,z_S10)，得出远景相机112离配电柜的距离为d₂，d₂计算公式如(1.3)所示，其中远景相机112中心P₁和固定激光位移传感器171中心S₁在XY平面坐标系中位置关系如图9所示。

d₂＝d₁+y_S10-y_P10\*MERGEFORMAT(1.3)

第二步：远景相机112的最高分辨率为M×N，远景相机112拍摄的图片实际长度L和远景相机112离配电柜之间的距离d₂关系为L:d₂＝1:1，图片的实际高度为H与实际长度L之间的关系为L:H＝M:N。在图像坐标系中X轴方向上单位像素代表的实际距离为I_x，Z轴方向上单位像素代表的实际距离为I_z，I_x和I_z的计算公式如(1.4)所示。

第三步：由于远景相机112在拍摄图片的时候，远景相机112中心不是正对着待操作按钮中心，而且待操作按钮有一定厚度t，导致图像识别到的按钮中心与实际按钮中心有偏移误差，需要进行误差补偿。

按钮中心点位置误差分析如图10所示，平面A是待操作按钮表面，平面B是配电柜表面，平面A和平面B之间距离为按钮厚度t，点P₁是远景相机112中心，点P₁＇是P₁在平面B上的垂直投影点，点P₁到平面B距离为d₂，G₀是待操作按钮实际中心，G₁是图像识别找到的待操作按钮中心，G₂是G₀在平面B上的垂直投影点，计算的偏移误差就是计算线段G₁G₂的距离，G₁G₂与水平方向上的夹角为α，根据相似三角形G₀G₁G₂相似于P₁G₁P₁＇可得出G₁G₂的距离，则水平方向的距离误差为G₁G₂cosα，竖直方向上的距离误差为G₁G₂sinα，计算公式如(1.5)、(1.6)所示。

为了计算平面B上各点间实际距离，通过调用已写好的图像算法对远景相机112拍摄的图片进行图像处理，从而得到各点像素坐标。由于空间坐标系的Z轴正方向是竖直向上的，为了使图像坐标系里Z轴和空间坐标系里Z轴正方向一致，重新构建图像坐标系使得图像坐标系里的Z轴向上以及X轴向右。

图像识别找到的按钮中心G₁点的像素坐标为(x₁,z₁)，按钮实际中心G₀在平面B上投影点G₂的像素坐标为(x₂,z₂)，远景相机112中心P₁在平面B上投影点P₁＇的像素坐标为(M/2，N/2)，G₁点和P₁＇点之间的像素坐标差(R,S)，按钮实际中心G₀和远景相机112中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的移动量为L₁和H₁，图像坐标系中各点相对位置如图11所示，各点间实际距离计算公式如(1.7)至(1.12)所示。

图像识别后水平方向上的实际距离误差：

图像识别后竖直方向上的实际距离误差：

磁导引AGV12在X轴方向上移动量L₁为：

操作平台升降总成14在Z轴方向上移动量H₁为：

第四步：已知操作平台横移总成15沿Y轴移动了距离y，按钮机械手161沿V1轴移动了距离v₁，操作平台升降总成14向上提升了高度h，此时按钮机械手161中心Q₁坐标为(x_Q10,y_Q10+y+v₁,z_Q10+h)，远景相机112中心坐P₁标(x_P10,y_P10,z_P10+h)，按钮机械手161中心Q₁和远景相机112中心P₁在空间坐标系下沿着X轴和Z轴方向上的实际距离差值x_P10-x_Q10和z_P10-z_Q10。

1)按钮机械手161中心Q₁和按钮中心G₀在沿着X轴方向上的移动量为X₁，计算公式如(1.13)，这两者在XY平面坐标系中的位置关系如图12所示。

X₁＝L₁+x_P10-x_Q10\*MERGEFORMAT(1.13)

2)按钮机械手161中心Q₁和按钮中心G₀在沿着Z轴方向上的移动量为Z₁，计算公式如(1.14)所示，这两者在YZ平面坐标系中的位置关系如图13所示。

Z₁＝H₁+z_P10-z_Q10\*MERGEFORMAT(1.14)

操作机器人1控制磁导引AGV12和操作平台升降总成14分别在X轴和Z轴的方向上移动数值为X₁和Z₁，使得按钮机械手161在XZ平面坐标系下完成粗定位。

(5)按钮机械手161完成粗定位后，操作平台横移总成15向前移动直到移动激光位移传感器172测得与配电柜间距离为d₃时停下，根据操作任务的不同改变d₃的距离，操作平台横移总成15向前移动的目的是缩短近景相机111和配电柜之间的距离，使得近景相机111拍摄待操作按钮的图片分辨率更高，从而进行图像处理时得到的按钮中心坐标精度更高，达到按钮机械手161精定位的目的。

(6)按钮机械手161进行精定位：精定位处理过程和粗定位处理过程相同，这里就不重复叙述了。精定位时近景相机111中心P₂距离配电柜表面距离为d₄，图像处理后会得出按钮中心G₀和近景相机111中心P₂在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的移动差值L₂和H₂，再通过坐标转换得到按钮中心G₀和按钮机械手161中心Q₁在X轴和Z轴方向上的移动量X₂和Z₂。

1)按钮机械手161中心Q₁和按钮中心G₀沿着X轴方向上的移动量为X₂，计算公式如(1.15)，这两者在XY平面坐标系中的位置关系如图14所示。

X₂＝L₂+x_P20-x_Q10\*MERGEFORMAT(1.15)

2)按钮机械手161中心Q₁和按钮中心G₀在沿着Z轴方向上的移动量为Z₂，计算公式如(1.16)所示，这两者在YZ平面坐标系中的位置关系如图15所示。

Z₂＝H₂+z_P20-z_Q10\*MERGEFORMAT(1.16)

操作机器人1再次控制磁导引AGV12和操作平台升降总成14分别在X轴和Z轴的方向上移动数值为X₂和Z₂，使得按钮机械手161在XZ平面坐标系下完成精定位。

(7)按钮机械手161完成精定位后，按钮机械手161沿着V1轴向前移动距离d₅使其接触按钮表面，Q₁和Q₁＇分别代表按钮机械手161中心的初始位置和当前位置，已知按钮机械手161在初始位置沿V1轴移动了距离v₁，可得当前位置的按钮机械手161中心Q₁＇和移动激光位移传感器172中心S₂沿Y轴方向上距离差为y_Q10+v₁-y_S20，移动激光位移传感器172中心S₂与配电柜表面距离为d₃，按钮头部的厚度为t，d₅计算公式如(1.17)所示，此时按钮机械手161中心Q₁＇和按钮中心G₀在XY平面坐标系下位置关系如图16所示。

d₅＝d₃-(y_Q10+v₁-y_S20)-t

\*MERGEFORMAT(1.17)

在进行按压按钮操作之前，近景相机111需要再次拍摄按钮图片并发送给信息中心进行确认，信息中心判断按钮机械手161定位到的这个按钮是不是正确的，如果确定是需要操作的按钮，按钮机械手161将向前移动距离d₆进行按压按钮操作，移动的距离d₆为按钮导通的行程，经测量导通行程为3mm，过行程为2mm。如果不是正确的将返回远景相机112拍照流程进行再一次的粗定位和精定位。

(8)操作机器人1所有的伺服电机完成回原点操作，结束按压按钮操作任务并为下一次自动操作做准备。

由上可知，本发明实施例的巡检机器人可通过周期性的巡检，记录电气开关的信息和状态，检查设备是否出现运行异常，将巡检信息发送到后台管理系统并按照要求操作指定的电气开关，能够代替人工完成电气控制室室内巡检作业，提高了巡检质量、效率，降低了工人的劳动强度和企业的人力成本，实现变电所电气控制室的“无人化”值守作业。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种铁路牵引变电所操作机器人控制系统，包括有操作机器人(1)，其特征在于：

所述操作机器人(1)包括磁导引AGV(12)和安装在磁导引AGV(12)上的控制柜(13)，所述控制柜(13)上设置工业相机总成(11)、操作平台升降总成(14)、操作平台横移总成(15)、机械手总成(16)、传感器总成(17)；

所述控制柜(13)内还设置工业平板电脑(132)和可编程逻辑控制器(134)；

所述操作平台升降总成(14)、操作平台横移总成(15)、机械手总成(16)的驱动机构分别与可编程逻辑控制器(134)连接；传感器总成(17)与可编程逻辑控制器(134)直接连接；

所述磁导引AGV(12)、工业相机总成(11)、可编程逻辑控制器(134)均与工业平板电脑(132)连接；

其中，传感器总成(17)用于测量控制柜(13)与配电柜之间距离，测量磁导引AGV(12)与配电柜之间的夹角，测量操作平台横移总成(15)与配电柜之间距离，并发送给工业平板电脑(132)，从而控制操作机械手向前移动固定距离完成操作；

工业相机总成(11)用于拍摄配电柜上待操作设备的位置图片并发送给工业平板电脑(132)，工业平板电脑(132)对所述图片进行图像处理和分析，计算出操作机械手与待操作设备间的距离差值，从而控制操作机械手定位到待操作设备处。

2.根据权利要求1所述的铁路牵引变电所操作机器人控制系统，其特征在于：还包括信息中心(2)，信息中心(2)包括有工业控制计算机(22)、分别与工业控制计算机(22)连接的中心显示屏(23)和中心无线路由器(21)；所述中心无线路由器(21)通过操作无线路由器(133)与工业平板电脑(132)通信连接。

3.根据权利要求2所述的铁路牵引变电所操作机器人控制系统，其特征在于：所述工业相机总成(11)包括有近景相机(111)和远景相机(112)；

所述近景相机(111)安装在操作平台横移总成(15)上；

所述远景相机(112)固定在操作平台升降总成(14)上；

所述近景相机(111)和远景相机(112)分别与工业平板电脑(132)通信连接。

4.根据权利要求3所述的铁路牵引变电所操作机器人控制系统，其特征在于：所述传感器总成(17)包括有固定激光位移传感器(171)和移动激光位移传感器(172)；

所述固定激光位移传感器(171)安装在控制柜(13)外侧上；

所述移动激光位移传感器(172)安装在操作平台横移总成(15)上；

所述固定激光位移传感器(171)和移动激光位移传感器(172)分别与可编程逻辑控制器(134)直接连接。

5.一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，其特征在于：基于权利要求3或4所述的铁路牵引变电所操作机器人控制系统，包括以下步骤：

磁导引AGV(12)启动，到达地标卡标记位置；

通过传感器总成(17)测量磁导引AGV(12)与配电柜之间的夹角，判断磁导引AGV(12)是否平行于待操作控制柜，如果不平行则调整磁导引AGV(12)角度使其与控制柜平行；

通过工业相机总成(11)拍摄配电柜上待操作设备的位置图片并发送给工业平板电脑(132)，工业平板电脑(132)对所述图片进行图像处理和分析，计算出操作机械手与待操作设备间的距离差值，从而控制操作机械手定位到待操作设备处，按压按钮操作。

6.根据权利要求5所述的一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，其特征在于：所述通过传感器总成(17)测量磁导引AGV(12)与配电柜之间的夹角的具体步骤如下：

(一)、基于操作机器人(1)建立空间坐标系，在空间坐标系下对机械手总成(16)、传感器总成(17)、工业相机总成(11)的初始位置坐标进行确定；

空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴定义如下：

Z轴：过磁导引AGV(12)中心点并垂直于其顶部，Z轴起始点为Z轴和磁导引AGV(12)顶部的交点，规定向上为Z轴正方向；

Y轴：过Z轴起始点并垂直于Z轴，平行于操作平台横移总成(15)水平移动方向，规定向左为Y轴正方向；

原点：Y轴和Z轴的交点为原点；

X轴：根据右手定则，X轴过原点并平行于磁导引AGV(12)，磁导引AGV(12)前进方向为X轴正方向；

(二)、为按钮机械手、空开机械手、旋钮机械手分别建立直线坐标系，分别用V1轴、V2轴、V3轴表示，这三个轴都平行于Y轴；

固定激光位移传感器(171)位置固定不动，此时中心坐标S₁为(x_S10,y_S10,z_S10)，测得的距离为a₁；

移动激光位移传感器(172)随着操作平台横移总成(15)沿Y轴移动距离y，此时中心S₂坐标为(x_S20,y_S20+y,z_S20)，测得的距离为a₂；

假设磁导引AGV(12)与配电柜之间有夹角θ，S₁代表固定激光位移传感器(171)初始位置，S₂和S₂＇分别代表移动激光位移传感器(172)初始位置和当前位置，则夹角θ的计算公式如(1.1)和(1.2)；

式中：

E＝a₁-[a₂+y-(y_S10-y_S20)]

F＝x_S10-x_S20

计算出夹角θ后，工业平板电脑(132)将夹角θ数据发送给磁导引AGV(12)，磁导引AGV(12)旋转θ使得磁导引AGV(12)和配电柜相互平行。

7.根据权利要求6所述的一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，其特征在于：所述通过工业相机总成(11)拍摄配电柜上待操作设备的位置图片并发送给工业平板电脑(132)，工业平板电脑(132)对所述图片进行图像处理和分析，计算出操作机械手与待操作设备间的距离差值；

包括：

工业平板电脑(132)对远景相机(112)拍摄的配电柜图片进行图像处理，得出待操作按钮中心的像素坐标和图片中心像素坐标，从而计算出待操作按钮中心G₀和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的距离差值，再通过坐标转换得到待操作按钮中心G₀和按钮机械手中心Q₁在X轴和Z轴方向上的距离差值，然后在X轴方向上移动磁导引AGV(12)以及在Z轴方向上提升操作平台升降总成(14)，达到按钮机械手在XZ平面坐标系下粗定位的目的；

按钮机械手完成粗定位后，操作平台横移总成(15)向前移动直到移动激光位移传感器(172)测得与配电柜间距离为d₃时停下，根据操作任务的不同改变d₃的距离，操作平台横移总成(15)向前移动缩短近景相机(111)和配电柜之间的距离，使得近景相机(111)拍摄待操作按钮的图片分辨率更高，从而进行图像处理得到的按钮中心坐标精度更高，达到按钮机械手精定位的目的。

8.根据权利要求7所述的一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，其特征在于：所述计算出待操作按钮中心G₀和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的距离差值，再通过坐标转换得到待操作按钮中心G₀和按钮机械手中心Q₁在X轴和Z轴方向上的距离差值，步骤如下：

第一步：操作平台升降总成(14)提升高度h后，远景相机(112)中心P₁坐标(x_P10,y_P10,z_P10+h)，固定激光位移传感器(171)测得离配电柜的距离为d₁以及中心S₁坐标(x_S10,y_S10,z_S10)，得出远景相机(112)离配电柜的距离为d₂，d₂计算公式如公式1.3所示，其中远景相机(112)中心P₁和固定激光位移传感器(171)中心S₁在XY平面坐标系中位置关系；

d₂＝d₁+y_S10-y_P10\*MERGEFORMAT (1.3)；

第二步：假设远景相机(112)的最高分辨率为M×N，远景相机(112)拍摄的图片实际长度L和远景相机(112)离配电柜之间的距离d₂关系为L:d₂＝1:1，图片的实际高度为H与实际长度L之间的关系为L:H＝M:N；在图像坐标系中X轴方向上单位像素代表的实际距离为I_x，Z轴方向上单位像素代表的实际距离为I_z，I_x和I_z，的计算公式如(1.4)所示；

第三步：由于远景相机在拍摄图片的时候，远景相机中心不是正对着待操作按钮中心，而且待操作按钮有一定厚度t，导致图像识别到的按钮中心与实际按钮中心有偏移误差，需要进行误差补偿；具体步骤如下：

假设平面A是待操作按钮表面，平面B是配电柜表面，平面A和平面B之间距离为按钮厚度t，点P₁是远景相机中心，点P₁＇是P₁在平面B上的垂直投影点，点P₁到平面B距离为d₂，G₀是待操作按钮实际中心，G₁是图像识别找到的待操作按钮中心，G₂是G₀在平面B上的垂直投影点，计算的偏移误差就是计算线段G₁G₂的距离，G₁G₂与水平方向上的夹角为α，根据相似三角形G₀G₁G₂相似于P₁G₁P₁＇可得出G₁G₂的距离，则水平方向的距离误差为G₁G₂cosα，竖直方向上的距离误差为G₁G₂sinα，计算公式如(1.5)、(1.6)所示；

为了计算平面B上各点间实际距离，通过调用已写好的图像算法对远景相机拍摄的图片进行图像处理，从而得到各点像素坐标；由于空间坐标系的Z轴正方向是竖直向上的，为了使图像坐标系里Z轴和空间坐标系里Z轴正方向一致，重新构建图像坐标系使得图像坐标系里的Z轴向上以及X轴向右；

具体为图像识别找到的按钮中心G₁点的像素坐标为(x₁,z₁)，按钮实际中心G₀在平面B上投影点G₂的像素坐标为(x₂,z₂)，远景相机中心P₁在平面B上投影点P₁＇的像素坐标为(M/2，N/2)，G₁点和P₁＇点之间的像素坐标差(R,S)，按钮实际中心G₀和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的移动量为L₁和H₁，图像坐标系中各点间实际距离计算公式如(1.7)至(1.12)所示；

图像识别后水平方向上的实际距离误差：

图像识别后竖直方向上的实际距离误差：

磁导引AGV(12)在X轴方向上移动量L₁为：

操作平台升降总成在Z轴方向上移动量H₁为：

第四步：已知操作平台横移总成沿Y轴移动了距离y，按钮机械手沿V1轴移动了距离v₁，操作平台升降总成提升了高度h，此时按钮机械手中心Q₁坐标为(x_Q10,y_Q10+y+v₁,z_Q10+h)，远景相机中心P₁坐标(x_P10,y_P10,z_P10+h)，按钮机械手中心Q₁和远景相机中心P₁在空间坐标系下沿着X轴和Z轴方向上的实际距离差值x_P10-x_Q10和z_P10-z_Q10；

具体为：

1)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀在沿着X轴方向上的移动量为X₁，计算公式如(1.13)；

X₁＝L₁+x_P10-x_Q10\*MERGEFORMAT (1.13)

2)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀在沿着Z轴方向上的移动量为Z₁，计算公式如(1.14)所示；

Z₁＝H₁+z_P10-z_Q10\*MERGEFORMAT (1.14)

则操作机器人控制磁导引AGV和操作平台升降总成分别在X轴和Z轴的方向上移动数值为X₁和Z₁，使得按钮机械手在XZ平面坐标系下完成粗定位。

9.根据权利要求8所述的一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，其特征在于：所述按钮机械手完成粗定位后，操作平台横移总成(15)向前移动直到移动激光位移传感器(172)测得与配电柜间距离为d₃时停下，根据操作任务的不同改变d₃的距离，操作平台横移总成(15)向前移动缩短近景相机(111)和配电柜之间的距离，使得近景相机(111)拍摄待操作按钮的图片分辨率更高，从而进行图像处理得到的按钮中心坐标精度更高，达到按钮机械手精定位的目的；

具体包括：

精定位处理过程和粗定位处理过程相同，精定位时近景相机中心P₂距离配电柜表面距离为d₄，图像处理后会得出按钮中心G₀和近景相机P₂中心在空间坐标系下沿X轴和Z轴方向上的移动差值L₂和H₂，再通过坐标转换得到按钮中心G₀和按钮机械手中心Q₁在X轴和Z轴方向上的移动量X₂和Z₂；

1)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀沿着X轴方向上的移动量为X₂，计算公式如(1.15)；

X₂＝L₂+x_P20-x_Q10\*MERGEFORMAT (1.15)；

2)按钮机械手中心Q₁和按钮中心G₀在沿着Z轴方向上的移动量为Z₂，计算公式如(1.16)所示，

Z₂＝H₂+z_P20-z_Q10\*MERGEFORMAT (1.16)；

操作机器人再次控制磁导引AGV和操作平台升降总成分别在X轴和Z轴的方向上移动数值为X₂和Z₂，使得按钮机械手在XZ平面坐标系下完成精定位。

10.根据权利要求9所述的一种铁路牵引变电所操作机器人控制方法，其特征在于：还包括，所述按钮机械手完成精定位后，按钮机械手沿着V1轴向前移动距离d₅使其接触按钮表面，Q₁和Q₁＇分别代表按钮机械手中心的初始位置和当前位置，已知按钮机械手在初始位置沿V1轴移动了距离v₁，得当前位置的按钮机械手中心Q₁＇和移动激光位移传感器中心S₂沿Y轴方向上距离差为y_Q10+v₁-y_S20，移动激光位移传感器中心S₂与配电柜表面距离为d₃，按钮头部的厚度为t，d₅计算公式如(1.17)所示，

d₅＝d₃-(y_Q10+v₁-y_S20)-t\*MERGEFORMAT (1.17)；

在进行按压按钮操作之前，近景相机(111)需要再次拍摄按钮图片并发送给工业平板电脑(132)进行确认，工业平板电脑(132)判断按钮机械手定位到的这个按钮是不是正确的，如果确定是需要操作的按钮，按钮机械手将向前移动距离d₆进行按压按钮操作，移动的距离d₆为按钮导通的行程，如果不是正确的将返回远景相机(112)拍照流程进行再一次的粗定位和精定位；

操作机器人(1)所有的伺服电机完成退回原点操作，结束按压按钮操作任务并为下一次自动操作做准备。