CN112506185B - 一种带电作业6自由度操作平台的控制方法及装置 - Google Patents

一种带电作业6自由度操作平台的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带电作业6自由度操作平台的控制方法及装置，包括3D视觉系统、6自由度平台、操作平台、伺服旋转机构和线缆固定机构，所述3D视觉系统位于所述操作平台顶部，所述6自由度平台位于所述操作平台底部，所述伺服旋转机构位于所述操作平台上，所述线缆固定机构位于所述伺服旋转机构上，以及运用以上装置实现控制的方法。通过操作平台顶部的3D视觉系统收集扫描外部环境，经坐标转换以及图像特征处理确定目标线缆的位置，之后由平台上的控制器设计行进运动路径，控制6自由度平台行进到高压电缆正下方，将线缆插入线缆固定机构中固定，由操作平台上的带电作业设备进行处理。

Description

一种带电作业6自由度操作平台的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电网技术领域，具体涉及一种带电作业6自由度操作平台的控制方法及装置。
背景技术
目前，我国高压带电作业设备普遍使用工业机械臂配操作末端端拾器方式，该设备作业方式距离高压线缆距离比较近，需要高要求的绝缘处理避免电气元件损伤，即使配套加长绝缘杆拉长操作距离，存在绝缘杆强度及负载超重问题以及整体视觉配合节拍问题，没有具有自动选择路径功能和自动进行带电作业功能的操作平台。
如中国专利CN106253129A，公开日2016年12月21日，一种高压电缆巡检机器人，包括摄像机、第一步进电机、机体、电机支架、4个机械臂、锂电池组、电控装置，其特征在于：所述的机体为长方体结构，在机体上设有一个凹槽，在凹槽内安装有锂电池组和电控装置，在机体的左右两侧各安装2个电机支架，左侧的两个电机支架之间的距离和右侧的两个电机支架之间的距离相等，利用四个机械臂在高压电缆上攀爬，可以绕过障碍物，增加了机器人的行动能力。但是其存在工作效率较低，只具备移动功能不具备带电作业功能的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：目前的高压带电作业设备不具有自动移动到作业地点功能以及没有带电作业设备的技术问题。提出了一种可以自动移动到作业地点并且装有带电作业设备的一种带电作业6自由度操作平台的控制方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种带电作业6自由度操作平台的控制方法，包括如下步骤：
S1：通过3D视觉系统对环境进行视觉拍照、投影扫描，识别线缆的空间位置及线缆周边环境，实时进行扫描通过slam算法建立环境信息并导入系统建立仿真环境；
S2：对线缆进行中心位置定位，通过坐标转换将6自由度平台坐标系转化为相机坐标系，并输出线缆中心位置在X轴、Y轴、Z轴、Rx、Ry和Rz方向上的偏移数据；
S3：根据建立的仿真环境建立操作平台的路径轨迹规划输出运动指令程序；
S4：操作平台的控制器根据视觉扫描偏移值及路径轨迹规划信息自动补偿坐标位置及自动进行运动路径规避，达到最终目标点；
S5：操作平台到达最终位置点位高压电缆正下方，并将线缆插入线缆固定机构中固定，由带电作业设备对高压电缆进行处理。通过3D视觉系统将操作平台周围存在的线缆的空间位置及线缆周边环境扫描后将数据导入系统建立起仿真环境，之后通过坐标转换将6自由度的平台坐标系转化为相机坐标系，根据建立起来的坐标系及仿真环境规划操作平台的路径轨迹，控制6自由度平台行进到需要处理的线缆的位置，在行进过程中根据视觉扫描偏移值及路径轨迹规划信息自动补偿坐标位置，并且自动进行运动路径规避，平台到达最终位置点位及需要处理的高压电缆正下方，将线缆插入线缆固定机构中固定，之后使用操作平台上的带电作业设备对高压线缆进行处理。
作为优选，所述步骤S1包括如下步骤：
S11：3D视觉系统所拍摄的环境信息，通过slam算法转化为点阵信息；
S12：通过以太网通讯方式传送至ROS系统；
S13：在ROS系统中建立实时三维模拟环境。根据3D视觉系统拍摄的环境信息通过slam算法将其转化为点阵信息，将点阵信息通过以太网的方式传送至ROS系统，在ROS系统中建立实时三维模拟环境，方便之后操作平台通过模拟环境规划行进路线。
作为优选，所述步骤S12中所述ROS系统为基于linux平台下的机器人ROS系统。基于linux平台下的机器人ROS系统能够更好地根据拍摄的环境信息建立实时三维模拟环境。
作为优选，所述步骤S2包括如下步骤：
S21：对线缆进行中心位置定位，建立6自由度的平台坐标系B；
S22：通过旋转平移将平台坐标系B转化为相机坐标系A；
S23：将平台坐标系B按照Z轴旋转、Y轴旋转、X轴旋转，旋转角度分别为θ、β、α，旋转矩阵为ARB＝Rx(α)Ry(β)Rz(θ)；
S24：通过平移矩阵
Figure BDA0002763399350000021
完成坐标系重合；
S25：得出转换矩阵为：
Figure BDA0002763399350000022
平台坐标系B转化为相机坐标系A的换算公式为：Ap＝ATB·Bp。对线缆进行中心位置定位，根据定位的点建立6自由度的平台坐标系B，通过旋转平移将平台坐标系B转化为相机坐标系A，Z轴、Y轴和X轴的旋转角度分别为θ、β和α，旋转矩阵为ARB＝Rx(α)Ry(β)Rz(θ)，此时旋转完成后平台坐标系与相机坐标系方向相同，再通过平移矩阵/>
Figure BDA0002763399350000031
完成坐标系重合，得出转换矩阵为：/>
Figure BDA0002763399350000032
即平台坐标系B转化为相机坐标系A的换算公式为：Ap＝ATB·Bp。之后根据相机坐标系A输出线缆中心位置在X轴、Y轴、Z轴、Rx、Ry和Rz方向上的偏移数据。
作为优选，所述步骤S3包括如下步骤：
S31：通过深度相机进行数据采集，将采集到的数据分为可见光图像和图像深度信息；
S32：对可见光图像进行预处理，提取图像的基础特征；
S33：将提取出的特征与预训练模型进行特征对比，确定目标物体；
S34：对图像深度信息进行预处理；
S35：将处理后的可见光图像和图像深度信息进行信息整合，确定目标物体的空间位置；
S36：控制6自由度平台向目标位置移动。根据3D视觉系统采集到的信息进行定位路径轨迹规划，通过深度相机进行数据采集，将采集到的数据分为可见光图像和图像深度信息，将两种信息均进行预处理，将处理过的可见光图像进行特征提取后与预训练模型进行特征对比以确定目标物体的空间位置，之后控制6自由度平台向目标位置移动，以完成对线缆目标位置的确定。
一种带电作业6自由度操作平台的控制装置，应用上述方法进行控制，包括3D视觉系统、6自由度平台、操作平台、伺服旋转机构和线缆固定机构，所述3D视觉系统位于所述操作平台顶部，所述6自由度平台位于所述操作平台底部，所述伺服旋转机构位于所述操作平台上，所述线缆固定机构位于所述伺服旋转机构上。一种带电作业6自由度操作平台的控制装置，包括操作平台，操作平台顶部设有由于收集扫描外部环境的3D视觉系统，操作平台底部设有用于移动的6自由度平台，在操作平台上方设有用于固定要处理线缆的线缆固定机构，在操作平台与线缆固定机构之间设有用于转动线缆固定机构的伺服旋转机构，通过以上装置寻找需要处理的线缆，并自动行进到相应电缆的下方，旋转线缆固定机构使其对准相应线缆，之后由操作平台上的带电作业设备对该线缆进行处理。
作为优选，所述操作平台外部设置绝缘层。在操作平台外部设置绝缘层，可以保护操作平台不被误触导电导致操作平台内的电子元件损坏。
作为优选，所述6自由度平台底部设有防滑部。6自由度平台底部设有防滑部防止在移动过程中出现滑到导致操作平台无法工作的情况，增加操作平台行动时的稳定性。
本发明的实质性效果是：通过操作平台顶部的3D视觉系统收集扫描外部环境，经坐标转换以及图像特征处理确定目标线缆的位置，之后由平台上的控制器设计行进运动路径，控制6自由度平台行进到高压电缆正下方，将线缆插入线缆固定机构中固定，由操作平台上的带电作业设备进行处理，即操作平台可以自动移动到作业地点并且装有带电作业设备可以对高压线缆进行处理。
附图说明
图1为本发明控制步骤的流程图。
图2为本发明步骤S3的示意图。
图3为本发明的结构示意图。
其中：1、3D视觉系统，2、6自由度平台，3、操作平台，4、伺服旋转机构，5、线缆固定机构，6、带电作业设备。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
一种带电作业6自由度操作平台的控制装置，如图3所示，包括3D视觉系统1、6自由度平台2、操作平台3、伺服旋转机构4和线缆固定机构5，3D视觉系统1位于操作平台3顶部，6自由度平台2位于操作平台3底部，伺服旋转机构4位于操作平台3上，线缆固定机构5位于伺服旋转机构4上。一种带电作业6自由度操作平台3的控制装置，包括操作平台3，操作平台3外部设置绝缘层。在操作平台3外部设置绝缘层，可以保护操作平台3不被误触导电导致操作平台3内的电子元件损坏。操作平台3顶部设有由于收集扫描外部环境的3D视觉系统1，操作平台3底部设有用于移动的6自由度平台2，6自由度平台2底部设有防滑部。6自由度平台2底部设有防滑部防止在移动过程中出现滑到导致操作平台3无法工作的情况，增加操作平台3行动时的稳定性。在操作平台3上方设有用于固定要处理线缆的线缆固定机构5，在线缆固定机构5旁设有带电作业设备6，该带电作业设备6为现有的对高压电缆进行带电作业的设备，这里不进行过多描述，在操作平台3与线缆固定机构5之间设有用于转动线缆固定机构5的伺服旋转机构4，通过以上装置寻找需要处理的线缆，并自动行进到相应电缆的下方，旋转线缆固定机构5使其对准相应线缆，之后由操作平台3上的带电作业设备6对该线缆进行处理。
一种带电作业6自由度操作平台的控制方法，如图1所示，包括如下步骤：S1：通过3D视觉系统1对环境进行视觉拍照、投影扫描，识别线缆的空间位置及线缆周边环境，实时进行扫描通过slam算法建立环境信息并导入系统建立仿真环境；其中步骤S1包括如下步骤：
S11：3D视觉系统1所拍摄的环境信息，通过slam算法转化为点阵信息；
S12：通过以太网通讯方式传送至ROS系统；
S13：在ROS系统中建立实时三维模拟环境。根据3D视觉系统1拍摄的环境信息通过slam算法将其转化为点阵信息，将点阵信息通过以太网的方式传送至ROS系统，在ROS系统中建立实时三维模拟环境，方便之后操作平台3通过模拟环境规划行进路线。
S2：对线缆进行中心位置定位，通过坐标转换将6自由度的平台坐标系转化为相机坐标系，并输出线缆中心位置在X轴、Y轴、Z轴、Rx、Ry和Rz方向上的偏移数据；如图2所示，其中步骤S2包括如下步骤：
S21：对线缆进行中心位置定位，建立6自由度的平台坐标系B；
S22：通过旋转平移将平台坐标系B转化为相机坐标系A；
S23：将平台坐标系B按照Z轴旋转、Y轴旋转、X轴旋转，旋转角度分别为θ、β、α，旋转矩阵为ARB＝Rx(α)Ry(β)Rz(θ)；
S24：通过平移矩阵
Figure BDA0002763399350000051
完成坐标系重合；
S25：得出转换矩阵为：
Figure BDA0002763399350000052
平台坐标系B转化为相机坐标系A的换算公式为：Ap＝ATB·Bp。对线缆进行中心位置定位，根据定位的点建立6自由度的平台坐标系B，通过旋转平移将平台坐标系B转化为相机坐标系A，Z轴、Y轴和X轴的旋转角度分别为θ、β和α，旋转矩阵为ARB＝Rx(α)Ry(β)Rz(θ)，此时旋转完成后平台坐标系与相机坐标系方向相同，再通过平移矩阵/>
Figure BDA0002763399350000053
完成坐标系重合，得出转换矩阵为：/>
Figure BDA0002763399350000054
即平台坐标系B转化为相机坐标系A的换算公式为：Ap＝ATB·Bp。之后根据相机坐标系A输出线缆中心位置在X轴、Y轴、Z轴、Rx、Ry和Rz方向上的偏移数据。步骤S12中ROS系统为基于linux平台下的机器人ROS系统。基于linux平台下的机器人ROS系统能够更好地根据拍摄的环境信息建立实时三维模拟环境。
S3：根据建立的仿真环境建立操作平台3的路径轨迹规划输出运动指令程序；其中步骤S3包括如下步骤：
S31：通过深度相机进行数据采集，将采集到的数据分为可见光图像和图像深度信息；
S32：对可见光图像进行预处理，提取图像的基础特征；
S33：将提取出的特征与预训练模型进行特征对比，确定目标物体；
S34：对图像深度信息进行预处理；
S35：将处理后的可见光图像和图像深度信息进行信息整合，确定目标物体的空间位置；
S36：控制6自由度平台向目标位置移动。根据3D视觉系统1采集到的信息进行定位路径轨迹规划，通过深度相机进行数据采集，将采集到的数据分为可见光图像和图像深度信息，将两种信息均进行预处理，将处理过的可见光图像进行特征提取后与预训练模型进行特征对比以确定目标物体的空间位置，之后控制6自由度平台向目标位置移动，以完成对线缆目标位置的确定。
S4：操作平台3的控制器根据视觉扫描偏移值及路径轨迹规划信息自动补偿坐标位置及自动进行运动路径规避，达到最终目标点；
S5：操作平台3到达最终位置点位高压电缆正下方，并将线缆插入线缆固定机构5中固定，由带电作业设备6对高压电缆进行处理。通过3D视觉系统1将操作平台3周围存在的线缆的空间位置及线缆周边环境扫描后将数据导入系统建立起仿真环境，之后通过坐标转换将6自由度的平台坐标系转化为相机坐标系，根据建立起来的坐标系及仿真环境规划操作平台3的路径轨迹，控制6自由度平台2行进到需要处理的线缆的位置，在行进过程中根据视觉扫描偏移值及路径轨迹规划信息自动补偿坐标位置，并且自动进行运动路径规避，平台到达最终位置点位及需要处理的高压电缆正下方，将线缆插入线缆固定机构5中固定，之后使用操作平台3上的带电作业设备6对高压线缆进行处理。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带电作业六自由度操作平台的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过3D视觉系统(1)对环境进行视觉拍照、投影扫描，识别线缆的空间位置及线缆周边环境，实时进行扫描通过slam算法建立环境信息并导入系统建立仿真环境；步骤S1包括如下步骤：
S11：3D视觉所拍摄的环境信息，通过slam算法转化为点阵信息；
S12：通过以太网通讯方式传送至ROS系统；
S13：在ROS系统中建立实时三维模拟环境；
S2：对线缆进行中心位置定位，通过坐标转换将6自由度平台坐标系转化为相机坐标系，并输出线缆中心位置在X轴、Y轴、Z轴、Rx、Ry和Rz方向上的偏移数据；步骤S2包括如下步骤：
S21：对线缆进行中心位置定位，建立6自由度的平台坐标系B；
S22：通过旋转平移将平台坐标系B转化为相机坐标系A；
S23：将平台坐标系B按照Z轴旋转、Y轴旋转、X轴旋转，旋转角度分别为θ、β、α，旋转矩阵为ARB＝Rx(α)Ry(β)Rz(θ)；
S24：通过平移矩阵
Figure FDA0004085016580000011
完成坐标系重合；
S25：得出转换矩阵为：
Figure FDA0004085016580000012
平台坐标系B转化为相机坐标系A的换算公式为：
Figure FDA0004085016580000013
S3：根据建立的仿真环境建立平台的路径轨迹规划输出运动指令程序；步骤S3包括如下步骤：
S31：通过深度相机进行数据采集，将采集到的数据分为可见光图像和图像深度信息；
S32：对可见光图像进行预处理，提取图像的基础特征；
S33：将提取出的特征与预训练模型进行特征对比，确定目标物体；
S34：对图像深度信息进行预处理；
S35：将处理后的可见光图像和图像深度信息进行信息整合，确定目标物体的空间位置；
S36：控制6自由度平台向目标位置移动；
S4：平台控制器根据视觉扫描偏移值及路径轨迹规划信息自动补偿坐标位置及自动进行运动路径规避，达到最终目标点；
S5：平台到达最终位置点位高压电缆正下方，并将线缆插入线缆固定机构(5)中固定，由带电作业设备(6)对高压电缆进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种带电作业六自由度操作平台的控制方法，其特征在于，所述步骤S12中所述ROS系统为基于linux平台下的机器人ROS系统。
3.一种带电作业六自由度操作平台的控制装置，应用如权利要求1或2所述的一种带电作业六自由度操作平台的控制方法进行控制，其特征在于，包括3D视觉系统(1)、6自由度平台(2)、操作平台(3)、伺服旋转机构(4)和线缆固定机构(5)，所述3D视觉系统(1)位于所述操作平台(3)顶部，所述6自由度平台(2)位于所述操作平台(3)底部，所述伺服旋转机构(4)位于所述操作平台(3)上，所述线缆固定机构(5)位于所述伺服旋转机构(4)上。
4.根据权利要求3所述的一种带电作业六自由度操作平台的控制装置，其特征在于，所述操作平台(3)外部设置绝缘层。
5.根据权利要求3所述的一种带电作业六自由度操作平台的控制装置，其特征在于，所述6自由度平台(2)底部设有防滑部。
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