CN110421557A - 配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，主要包括三维激光雷达、高清摄像机、数据传输装置、服务器，三维激光雷达与高清摄像机通过数据传输装置与服务器连接；所述服务器用于图像处理、三维重构配网作业场景、对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。还公开了该系统的环境立体感知与安全预警保护方法。本发明通过三维激光雷达和全景相机可以实现全面的环境感知，使得操作人员可以看到完整的立体图像，与近距离操作无异；得到的立体模型能够与机械臂的空间位置进行比较，使得系统能够自主判断工作状态是否安全，避免误操作带来的损失。

Description

配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统及 方法

技术领域

本发明涉及电力机器人领域，特别是涉及一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统及方法。

背景技术

环境感知与避障导航一直以来都是机器人领域中的一个非常重要的研究方向。在机器人执行任务操作时，如何实时感知到障碍物的存在并且可以自主地躲避，这就要求机器人从感知层到理解层最终再到执行层都有一个非常高效的系统作为支撑。配网带电作业机器人因为进行的任务复杂，且工作环境十分复杂危险，需要对周围环境有精确高效的环境感知能力，对于环境中的高压电缆能够自主识别、预警，防止因操作不当造成人身和设备损伤。

目前配网带电作业机器人实现环境感知的方法主要分两种：第一种是将操作员随机器人一起运送至电缆旁边进行操作；第二种是操作员通过监视器等设备，在地面平台对配网带点机器人进行遥操作。但第一种方式环境感知和安全预警完全由操作员进行，人员工作环境存在安全隐患，并且配网作业环境复杂，不确定因素较多；第二种方式中，操作员需要通过监视器观察操作环境，监视器能够获取的信息不够充分，观察过程容易受到天气、光照条件的影响。

因此亟需提供一种新型的配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统及方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统及方法，能够显著提高配网带电作业的安全性和智能化水平。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，主要包括三维激光雷达、高清摄像机、数据传输装置、服务器，三维激光雷达与高清摄像机通过数据传输装置与服务器连接；

所述三维激光雷达与高清摄像机设置在配网带电作业机器人的升降杆上，用于获得配网带电作业现场的三维点云数据和高清图像；

所述服务器用于图像处理、三维重构配网作业场景、对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。

在本发明一个较佳实施例中，所述高清摄像机采用全景相机或双目相机。

在本发明一个较佳实施例中，所述数据传输装置采用光纤传输装置。

在本发明一个较佳实施例中，所述服务器位于操作配网带电作业机器人的地面平台上。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法，包括以下步骤：

S1：利用所述三维激光雷达与高清摄像机获得配网带电作业现场的三维点云数据和全景图像；

S2：将所述三维点云数据和全景图像通过所述数据传输装置传输至所述服务器，进行三维重构，获得配网作业场景的立体模型；

S3：根据作业场景的立体模型、高压电缆位置与机器人的机械臂的模型、姿态进行汇总，判断工作状态是否安全，对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。

在本发明一个较佳实施例中，步骤S2中，三维重构过程采用深度神经网络的语义分割方法，通过大量分好类的图像数据集，训练出可以识别配网作业场景中各种目标物体的深度学习网络，将点云和图像中的像素进行分类，并对应作业场景中的设备、高压电缆，获得配网作业场景的立体模型。

在本发明一个较佳实施例中，步骤S3中，配网带电作业机器人在作业过程中，通过其运动轨迹和作业场景模型之间的碰撞检测计算，判断工作状态是否安全。

进一步的，所述碰撞检测计算采用人工势场法，通过人为赋予目标点q_goal一个假想引力场和障碍物j一个假想斥力场；具体包括以下步骤：

S3.1：障碍物j的斥力场给机械臂提供一个与机械臂连杆i与障碍物的最小距离d_i(j)成正比的斥力U_repi(j)：

其中，Q_j为障碍物j势力场的引力场作用距离，n_i为势力场参数；

目标点的引力场给机械臂提供一个与机械臂末端与目标点的最小距离d_g成正比的引力U_aat(g)：

其中，d_g ^*为距离目标点的阈值距离，ε_i为为势力场参数；

S3.2：叠加势场，构建一个目标点为最小极值点的势场函数；

S3.3：通过梯度下降法可找到一条从初始位置到目标点的路径，实现机械臂的防碰撞路径规划。

本发明的有益效果是：本发明通过三维激光雷达和全景相机可以实现全面的环境感知，使得操作人员可以看到完整的立体图像，与近距离操作无异；图像和点云数据采用语义分割的方法处理，可获得配网作业场景的立体模型，很大程度上减轻天气和光照条件的影响，得到的立体模型能够与机械臂的空间位置进行比较，使得系统能够自主判断工作状态是否安全，避免误操作带来的损失，显著提高配网带电作业的安全性和智能化水平。

附图说明

图1是所述配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统的结构框图；

图2是所述配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法的工作原理图；

附图中各部件的标记如下：1、三维激光雷达，2、高清摄像机，3、升降杆，4、配网带电作业机器人，5、数据传输装置，6、服务器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，主要包括三维激光雷达1、高清摄像机2、数据传输装置5、服务器6，三维激光雷达1与高清摄像机2通过数据传输装置5与服务器6连接。

所述三维激光雷达1与高清摄像机2设置在配网带电作业机器人4的升降杆3上，用于获得配网带电作业现场的三维点云数据和高清图像。优选的，所述高清摄像机2采用全景相机(如图1所示)或双目相机，可获得高清全景图像。将配网带电作业机器人4通过斗臂车举升到作业位置后，通过升降杆3上下运动，实现高度的自动调节，其上的三维激光雷达1和全景相机可无死角对周边环境和作业目标进行扫描。

为实现扫描信息的快速传输，所述数据传输装置采用光纤传输装置。

所述服务器6位于操作配网带电作业机器人4的地面平台上，用于高清全景图像的图像处理、三维重构配网作业场景、对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。

结合图2，一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法，包括以下步骤：

S1：利用所述三维激光雷达与高清摄像机获得配网带电作业现场的三维点云数据和全景图像；

S2：将所述三维点云数据和全景图像通过所述数据传输装置传输至所述服务器，进行三维重构，获得配网作业场景的立体模型；

具体的，三维重构过程采用深度神经网络的语义分割方法，通过大量分好类的图像数据集，训练出可以识别配网作业场景中各种目标物体的深度学习网络，利用该深度学习网络将点云和图像中的像素进行分类，并对应出作业场景中的设备、高压电缆，获得配网作业场景的立体模型。

S3：根据作业场景的立体模型、高压电缆位置与机器人的机械臂的模型、姿态进行汇总，判断工作状态是否安全，对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。当机械臂距离高压电缆较近时，系统会产生安全预警；距离过近时，系统会自主停止机械臂继续运动，防止空气击穿，保证设备安全。

配网带电作业机器人在作业过程中，通过其运动轨迹和作业场景模型之间的碰撞检测计算，判断工作状态是否安全。

进一步的，所述碰撞检测计算采用人工势场法，通过人为赋予目标点q_goal一个假想引力场和障碍物j一个假想斥力场，其中，目标点q_goal为机械臂末端期望到达的笛卡尔工作空间空间点；具体包括以下步骤：

S3.1：为防止与障碍物发生碰撞，障碍物j的斥力场给机械臂提供一个与机械臂连杆i与障碍物的最小距离d_i(j)成正比的斥力U_repi(j)：

其中，Q_j为障碍物j势力场的引力场作用距离，n_i为势力场参数；

目标点的引力场给机械臂提供一个与机械臂末端与目标点的最小距离d_g成正比的引力U_aat(g)：

其中，d_g ^*为距离目标点的阈值距离，ε_i为为势力场参数；

S3.2：叠加势场，构建一个目标点为最小极值点的势场函数；

通过叠加引力场和斥力场，得到势场给机械臂的合力，对于斥力场，只在斥力场的工作区域内有影响，而且越靠近障碍物斥力越大；对于引力场，通过引力场函数，它的极值点就在目标点处。

S3.3：通过梯度下降法可找到一条从初始位置到目标点的路径，实现机械臂的防碰撞路径规划。

本发明的系统将机器人附近的作业环境通过全景相机/双目相机、三维激光雷达，传递到地面的服务器进行图像处理，再经由服务器处理后，解算出机器人与高压电缆的间距，环境内的各个设备类型，也可实时显示在服务器的操作界面上，当距离较近时，系统在界面上对操作人员进行提示，距离进一步缩小时，对机械臂进行急停处理。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，其特征在于，主要包括三维激光雷达、高清摄像机、数据传输装置、服务器，三维激光雷达与高清摄像机通过数据传输装置与服务器连接；

所述三维激光雷达与高清摄像机设置在配网带电作业机器人的升降杆上，用于获得配网带电作业现场的三维点云数据和高清图像；

所述服务器用于图像处理、三维重构配网作业场景、对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。

2.根据权利要求1所述的配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，其特征在于，所述高清摄像机采用全景相机或双目相机。

3.根据权利要求1所述的配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，其特征在于，所述数据传输装置采用光纤传输装置。

4.根据权利要求1所述的配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护系统，其特征在于，所述服务器位于操作配网带电作业机器人的地面平台上。

5.一种配网带电作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法，包括以下步骤：

S1：利用所述三维激光雷达与高清摄像机获得配网带电作业现场的三维点云数据和全景图像；

S2：将所述三维点云数据和全景图像通过所述数据传输装置传输至所述服务器，进行三维重构，获得配网作业场景的立体模型；

S3：根据作业场景的立体模型、高压电缆位置与机器人的机械臂的模型、姿态进行汇总，判断工作状态是否安全，对机器人与作业场景模型之间的碰撞进行预警和机器人动作安全保护停止。

6.根据权利要求5所述的配电网作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法，其特征在于，步骤S2中，三维重构过程采用深度神经网络的语义分割方法，通过大量分好类的图像数据集，训练出可以识别配网作业场景中各种目标物体的深度学习网络，将点云和图像中的像素进行分类，并对应作业场景中的设备、高压电缆，获得配网作业场景的立体模型。

7.根据权利要求5所述的配电网作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法，其特征在于，步骤S3中，配网带电作业机器人在作业过程中，通过其运动轨迹和作业场景模型之间的碰撞检测计算，判断工作状态是否安全。

8.根据权利要求7所述的配电网作业机器人的环境立体感知与安全预警保护方法，其特征在于，所述碰撞检测计算采用人工势场法，通过人为赋予目标点q_goal一个假想引力场和障碍物j一个假想斥力场；具体包括以下步骤：

S3.1：障碍物j的斥力场给机械臂提供一个与机械臂连杆i与障碍物的最小距离d_i(j)成正比的斥力U_repi(j)：

Q_j为障碍物j势力场的引力场作用距离，n_i为势力场参数；

目标点的引力场给机械臂提供一个与机械臂末端与目标点的最小距离d_g成正比的引力U_aat(g)：

d_g ^*为距离目标点的阈值距离，ε_i为为势力场参数；

S3.2：叠加势场，构建一个目标点为最小极值点的势场函数；

S3.3：通过梯度下降法可找到一条从初始位置到目标点的路径，实现机械臂的防碰撞路径规划。