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        基于雙目視覺的支柱絕緣子目標(biāo)識別與定位研究

        2021-07-29 09:51:54樊紹勝
        電力學(xué)報 2021年2期
        關(guān)鍵詞:支柱絕緣子標(biāo)定

        朱 航,樊紹勝,黎 天

        (長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,長沙 410000)

        0 概述

        支柱絕緣子是變電站中的重要設(shè)備,絕緣子污穢和破損是影響其運行性能的主要因素。受鹽霧和海風(fēng)影響,沿海地區(qū)支柱絕緣子性能下降尤為普遍、嚴(yán)重,因沿面放電和破損所導(dǎo)致的絕緣子失效和絕緣子斷裂事故時常發(fā)生,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行[1]。目前變電站大都需要停電進行支柱絕緣子人工清洗,作業(yè)人員根據(jù)線路電壓等級調(diào)整與絕緣子間的距離,通過長度較長的絕緣桿清掃絕緣子,作業(yè)勞動強度大、繁瑣,且具有危險性[2]。

        為保障電網(wǎng)作業(yè)人員的安全、減輕其作業(yè)負(fù)擔(dān),需要研發(fā)一種適應(yīng)變電站高電場強度環(huán)境的帶電作業(yè)清洗機器人,解決人工絕緣子清掃停電問題,保證變電站供電的穩(wěn)定性。而帶電作業(yè)機器人的清洗與探傷工作能夠順利進行的關(guān)鍵在于機器人立體視覺系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,它作為機器人視覺伺服控制的基礎(chǔ),通過視覺傳感器獲取變電站環(huán)境信息,對絕緣子進行捕捉與定位。

        本文主要對清洗機器人雙目視覺系統(tǒng)進行介紹,通過YOLOv4-tiny深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法對所采集圖像中的支柱絕緣子與法蘭進行目標(biāo)檢測,利用深度相機獲取目標(biāo)絕緣子深度信息,并基于立體匹配,進行空間目標(biāo)點的三維重建實驗,實現(xiàn)對待清洗絕緣子的識別與定位。后續(xù)在對絕緣子抓取清洗的過程中,通過采用ROI輪廓提取方法,結(jié)合絕緣子觀測模型實現(xiàn)對絕緣子盤傘裙傾斜角檢測,便于調(diào)整機械臂末端干冰噴頭傾角,對絕緣子盤凹壑進行細(xì)節(jié)清洗。

        1 清洗機器人雙目視覺系統(tǒng)

        變電站絕緣子清洗機器人整體構(gòu)成如圖1所示,包括履帶式底盤、絕緣剪叉升降機構(gòu)、兩軸移動平臺、電氣控制系統(tǒng)、干冰清洗機模組、五軸作業(yè)機械臂組件和末端旋洗作業(yè)模塊。

        圖1 絕緣子清洗機器人總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Insulator cleaning robot overall structure

        絕緣子清洗機器人如圖2所示,由作業(yè)平臺和履帶式升降平臺組成,履帶式升降平臺包括履帶式底盤和絕緣升降機構(gòu)兩部分,履帶式底盤攜帶4個液壓支腿,保證機器人在作業(yè)時的穩(wěn)定性和安全性。升降平臺高度最高可延展至5.1 m,如圖3所示。作業(yè)平臺包括兩軸移動平臺、搭載于兩軸移動平臺上的機械臂、末端清洗機構(gòu)、干冰清洗模組和電氣控制系統(tǒng)。機器人可通過作業(yè)平臺對絕緣子進行作業(yè)。

        圖2 絕緣子清洗機器人實體圖Fig.2 Physical view of insulator cleaning robot

        圖3 清洗機器人升降機構(gòu)伸展Fig.3 Cleaning robot lifting mechanism extension

        1.1 機器人視覺伺服系統(tǒng)

        雙目視覺伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是獲取變電站及其周圍環(huán)境的信息[3],視覺伺服系統(tǒng)示意圖如圖4所示,清洗機器人機械臂通過搭載攝像頭獲取環(huán)境信息,識別出待清洗的目標(biāo)絕緣子,對絕緣子進行捕捉與定位,通過轉(zhuǎn)換得到機械臂與作業(yè)對象絕緣子的位姿關(guān)系。后續(xù)運用多自由度機械臂系統(tǒng)的伸縮、旋轉(zhuǎn)、橫移、縱移等基本控制,將機械臂末端自主送入作業(yè)空間,實現(xiàn)對支柱絕緣子的自主識別與定位清洗工作。

        圖4 機器人視覺伺服系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of robot visual servo system

        1.2 雙目視覺系統(tǒng)成像模型

        雙目視覺系統(tǒng)成像模型是指,絕緣子清洗機器人利用攝像機在不同時刻拍攝同一場景的多幀圖像,并基于視差原理恢復(fù)出物體三維幾何信息,重建對象及周圍場景的三維形狀與位置。該模型的重點在于通過計算對應(yīng)點的位置偏差來獲取實際目標(biāo)幾何信息[4],如圖5所示。

        圖5 雙目立體成像模型Fig.5 Binocular stereo imaging model

        在實際應(yīng)用中,當(dāng)左右兩個攝像機在同一時刻觀測空間某物體的同一目標(biāo)點P在相機坐標(biāo)系下坐標(biāo)為(x1,y1,z1),分別在左攝像機與右攝像機上獲取點P的圖像,對應(yīng)圖像坐標(biāo)為Pl=(xl,yl),Pr=(xr,yr)。則特征點P的圖像坐標(biāo)Y坐標(biāo)相同。其中,設(shè)相機焦距為f,記B為兩攝像頭的投影中心的間距[5];存在yl=yr=y,由三角幾何關(guān)系可得式(1):

        xl與xr兩點對同一目標(biāo)點P而言,可由其視差位移關(guān)系d=xl-xr,計算特征點P在相機坐標(biāo)系中坐標(biāo)x。上述關(guān)系滿足如式(2):

        1.3 傳感器成像模型及坐標(biāo)系建立

        依據(jù)矩陣運算原理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,記空間中存在某特征點P,P點在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)Pw=(Xw,Yw,Zw),而點P對應(yīng)在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Pc=(Xc,Yc,Zc),傳感器成像系統(tǒng)坐標(biāo)關(guān)系[6]如圖6所示。

        圖6 成像系統(tǒng)坐標(biāo)系Fig.6 Imaging system coordinate system

        依據(jù)數(shù)學(xué)矩陣運算原理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,計算P在兩個坐標(biāo)系中坐標(biāo)關(guān)系變換,如下式:

        式中,旋轉(zhuǎn)矩陣R為3×3的正交矩陣,t為3×1的平移向量,OT=[0 0 0]T,設(shè)P點在相機傳感器成像平面上的像點p的坐標(biāo)為(x,y),圖像物理坐標(biāo)系的原點是相機光軸與圖像平面的交點,f表示相機焦距,根據(jù)針孔相機成像原理[7]有:

        1.4 傳感器相機標(biāo)定

        在機器視覺應(yīng)用中,要確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系,需建立相機成像的幾何模型,這些幾何模型參數(shù)就是相機參數(shù)。所以進行攝像機標(biāo)定的目的是求出相機的內(nèi)、外參數(shù),以及畸變參數(shù)[8]。

        本次傳感器標(biāo)定以傳感器Intel RealSense D435I深度相機作為雙目立體系統(tǒng)的攝像機進行圖像采集,使用Opencv編程方法對相機進行標(biāo)定。實驗標(biāo)定板規(guī)格如圖7,采用10×7黑白方格組成,方格邊長為25 mm×25 mm,標(biāo)定板角點數(shù)量為9×6個。為了保證程序準(zhǔn)確計算圖像畸變,相機需要從不同角度獲取標(biāo)定板圖像,實驗在采集了25張照片后自動結(jié)束標(biāo)定,相機標(biāo)定實驗及相機內(nèi)外參數(shù)結(jié)果如圖8、圖9所示。

        圖7 10×7黑白方格標(biāo)定板Fig.7 10×7 black and white square calibration board

        圖8 相機標(biāo)定實驗Fig.8 Camera calibration experiment

        圖9 相機內(nèi)外參數(shù)結(jié)果圖Fig.9 Camera internal and external parameter results

        2 支柱絕緣子目標(biāo)檢測

        目標(biāo)檢測是計算機視覺領(lǐng)域的基本任務(wù)之一,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,深度學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展迅速,由于其龐大的數(shù)據(jù)量積累和強大的計算能力?;谏疃壬窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在目標(biāo)檢測技術(shù)研究等領(lǐng)域取得突破性進展。本節(jié)將基于YOLOv4-tiny模型,采用K-Means++聚類算法設(shè)定預(yù)測框,對絕緣子清洗機器人在變電站清洗作業(yè)過程中實時采集到的圖像進行絕緣子盤及法蘭的目標(biāo)檢測。

        2.1 YOLOv4-tiny算法模型

        YOLOv4-tiny是最新的YOLO輕量級網(wǎng)絡(luò),其骨干網(wǎng)絡(luò)主要包括下采樣CBL結(jié)構(gòu)和CSP結(jié)構(gòu)。特征提取網(wǎng)絡(luò)CSPDarknet 53-tiny,采用CSPnet結(jié)構(gòu)輸入416×416×3的圖像,通過主干特征提取網(wǎng)絡(luò)得到26×26×256、13×13×512兩個有效特征層,然后傳入加強特征提取網(wǎng)絡(luò)中進行FPN特征金字塔構(gòu)建[9]。FPN會將13×13×512有效特征層卷積后進行上采樣與26×26×256有效特征層堆疊,輸出層形成預(yù)測特征的YOLO head。YOLOv4-tiny算法其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

        圖10 YOLOv4-tiny網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 YOLOv4-tiny Network Structure

        其中,Convolutional由一個卷積層、批標(biāo)準(zhǔn)化BN層以及Leaky Relu激活函數(shù)構(gòu)成[10]。LeakyRelu給所有負(fù)值賦予一個非零斜率,以避免神經(jīng)元的失活現(xiàn)象,其函數(shù)表達式如下:

        BN層可降低不同樣本間值域的差異性,避免梯度消失和梯度爆炸的問題,同時減少參數(shù)或其初始值尺度的依賴性,提高網(wǎng)絡(luò)范化能力。下采樣CBL結(jié)構(gòu)中,每個卷積核大小為3×3,步長為2,主要對圖像進行下采樣處理。CSP結(jié)構(gòu)將基礎(chǔ)層的特征映射劃分為兩部分,通過跨層連接,增強卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力[11],在減少了計算量的同時可以保證準(zhǔn)確率,相較于之前的輕量網(wǎng)絡(luò),在mAP和fps上都有巨大的提升。

        YOLO的核心思想是根據(jù)特征提取網(wǎng)絡(luò)輸出特征圖的大小,將輸入圖像劃分為S×S個網(wǎng)格,每個格子作為先驗錨框的局部坐標(biāo),在格子內(nèi)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的坐標(biāo)偏移量、物體置信度和類別置信度對每個錨框分別進行擬合,最后經(jīng)過非極大值抑制篩選后,得到檢測的邊界框坐標(biāo)和類別[12]。其置信度損失函數(shù)如式(6):

        該算法使用特征金字塔網(wǎng)絡(luò)提取不同尺度的特征圖,進而提高目標(biāo)檢測速度。使用了13×13和26×26兩種不同比例尺的feature map來預(yù)測檢測結(jié)果[14]。作者本次使用YOLOv4-tiny深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型對支柱絕緣子與法蘭進行訓(xùn)練,并對待清洗絕緣子目標(biāo)進行檢測。

        2.2 數(shù)據(jù)集的制作及識別實驗結(jié)果

        本次實驗的樣本集僅針對變電站支柱絕緣子與法蘭,數(shù)據(jù)采集自湖南省帶電作業(yè)中心。為了達到更優(yōu)的檢測效果,本次研究使用旋轉(zhuǎn)、縮放、翻轉(zhuǎn)及亮度和對比度調(diào)整等方法對訓(xùn)練的樣本進行擴充,增加樣本多樣性。在不同角度、不同距離、不同時間對不同的支柱絕緣子與法蘭的樣本進行采集,自制數(shù)據(jù)集共950張。使用YOLOv4-tiny模型進行訓(xùn)練,隨機選取其中800張用于訓(xùn)練,剩余150張用于結(jié)果測試。實驗在實驗室的臺式電腦上進行,具體基本硬件信息和系統(tǒng)信息如表1所示。

        表1 算法實驗的訓(xùn)練環(huán)境Tab.1 The training environment of algorithm experiment

        訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置如下:使用darknet53.conv.74預(yù)訓(xùn)練權(quán)重對標(biāo)注好的數(shù)據(jù)集進行訓(xùn)練,設(shè)定學(xué)習(xí)率為0.001,批量樣本數(shù)設(shè)定為32,在經(jīng)過150個epoch后且Loss值趨于穩(wěn)定后停止訓(xùn)練,訓(xùn)練結(jié)果如表2所示。

        表2 樣本測試精度表Tab.2 Sample test precision table

        將訓(xùn)練后生成的權(quán)重文件以及訓(xùn)練用的配置文件提取出來,在控制程序中對訓(xùn)練好的模型進行加載。最終識別訓(xùn)練結(jié)果如圖11所示。表2中的準(zhǔn)確率是指在測試結(jié)果中,檢測出的所有目標(biāo)里包含真正目標(biāo)的比例;而召回率則是檢測出的真正目標(biāo)占所有真正目標(biāo)的比例[15]。由測試精度表(表2)可以看出算法對絕緣子盤以及法蘭的檢測率符合機器人的使用需求。

        圖11 網(wǎng)絡(luò)識別訓(xùn)練結(jié)果Fig.11 Network recognition training results

        3 絕緣子目標(biāo)定位

        3.1 深度信息提取與立體匹配

        為實現(xiàn)對支柱絕緣子串的自主識別與清洗工作,基于雙目視覺的目標(biāo)定位就顯得尤為重要。絕緣子清洗機器人的機械臂通過搭載深度攝像頭獲取環(huán)境信息,對絕緣子進行捕捉與定位,通過轉(zhuǎn)換得到機械臂與作業(yè)對象絕緣子的位姿關(guān)系。

        本次視覺傳感器采用Intel Real Sense D435I深度相機,相機的捕捉最遠距離可達10 m。其原理是雙目立體視覺,深度相機利用結(jié)構(gòu)光(Structured Light)技術(shù)來測量距離。與灰度圖像中像素點存儲亮度值不同,其像素點存儲的是該點到相機的深度值[16]。深度圖像是包含與視點的場景對象表面的距離有關(guān)的信息的圖像或圖像通道。對目標(biāo)絕緣子深度信息進行采集,所采集的RGB圖與深度圖如圖12所示。

        圖12 絕緣子深度圖與RBG圖Fig.12 Insulator depth diagram and RBG diagram

        本次研究在前述工作的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了雙目攝像機的參數(shù)標(biāo)定,并且實現(xiàn)了目標(biāo)物體的識別,確定了攝像機采集圖片中的目標(biāo)區(qū)域。后續(xù)我們期望將深度相機左右兩攝像機采集到的圖像上的特征點一一對應(yīng)地進行立體匹配。通過立體匹配對左、右攝像機采集圖像中的目標(biāo)物體上的點對進行搜索,得到對應(yīng)的視差后進行三維重建,進而得到目標(biāo)點的位置信息。

        目標(biāo)物體定位是為了確定搜索圖像中目標(biāo)絕緣子的位置坐標(biāo),所以在此選擇物體的形心坐標(biāo)實現(xiàn)對物體的定位?;谕鈽O線約束、視差連續(xù)性約束、唯一性約束等極線約束準(zhǔn)則對采集到的圖像對進行立體校正,通過立體匹配找到該像素點對應(yīng)的左、右攝像機獲取圖像中對應(yīng)像素點。

        首先基于絕緣子模板圖像利用Canny邊緣檢測算子[17]提取目標(biāo)絕緣子輪廓邊緣如圖13(a)。

        圖13 支柱絕緣子定位點提取Fig.13 Support insulator anchor point extraction

        對絕緣子邊緣進行提取后,通過Open CV計算輪廓矩的方法計算支柱絕緣子輪廓中心,得到絕緣子輪廓矩的輪廓中心像素坐標(biāo)(u,v),例如在圖13(b)中,提取出形心坐標(biāo)為(130,146)。之后通過選擇提取極值點特征進行目標(biāo)點的三維重建。

        3.2 空間點三維重建實驗

        通過之前的相機標(biāo)定,已經(jīng)建立了空間某點P在世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)P1=(X1,Y1,Z1)與其像點的圖像坐標(biāo)(u,v)之間存在關(guān)系見式(8)。

        本文主要使用最小二乘法進行空間點重建,三維重建主要是研究如何根據(jù)二維信息計算出三維信息,具體為根據(jù)匹配點對信息得到該點在空間中的位置信息。其原理圖如圖14所示。

        圖14 三維點重建原理圖Fig.14 Three-dimensional point reconstruction schematic diagram

        此時假設(shè)目標(biāo)絕緣子的形心點在左右攝像機圖像中的坐標(biāo)分別為(ul,vl),和(ur,vr),絕緣子形心點的世界坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1),則有左右相機的成像函數(shù)分別為:

        絕緣子形心在左、右相機系中像素坐標(biāo)(ul,vl),(ur,vr)已知,代入式(7)、式(8)中消去Zcl和Zcr。在機器人視覺系統(tǒng)中,雙目相機投影矩陣Ml與Mr由相機標(biāo)定參數(shù)已知,其中mlij與mrij分別代表左、右相機參數(shù)矩陣第i行第j列,存在矩陣關(guān)系A(chǔ) X=B,其中矩陣A、B表達式如式(11)所示。

        通過X=A-1B,求解出P點的在三維空間中重建的坐標(biāo)值(X1,Y1,Z1),即為目標(biāo)絕緣子形心點三維坐標(biāo)。如圖15所示,選取絕緣子5個目標(biāo)點進行實驗,對三維點重建精度進行驗證,然后將計算出的目標(biāo)點與相機中心的實際深度距離與目標(biāo)測量距離進行對比,目標(biāo)點三維重建實驗結(jié)果如表3所示。

        圖15 絕緣子目標(biāo)點重建Fig.15 Insulator target point reconstruction

        表3 目標(biāo)點三維重建實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of 3D reconstruction of target points

        對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析,重建得到的實際距離與理論距離的最大誤差為0.96 cm,最小誤差為0.41 cm,平均誤差0.73 cm。由此結(jié)果可知,重建精度能夠滿足抓取需要。后續(xù)對多自由度機械臂進行控制時,可將機械臂末端自主送入定位點區(qū)域,完成機械臂對支柱絕緣子串的自主抓取任務(wù)。

        4 絕緣子細(xì)節(jié)信息提取

        目前,已通過相機完成了對目標(biāo)絕緣子的識別與定位工作,為實現(xiàn)伺服系統(tǒng)中機械臂對于絕緣子盤更加精準(zhǔn)的夾持控制,引導(dǎo)位于作業(yè)末端的干冰噴嘴調(diào)整清洗角度對絕緣子盤凹壑部位進行精準(zhǔn)清洗,還需對局部的絕緣子盤傘裙以及傾角等細(xì)節(jié)信息進行檢測。

        采用ROI區(qū)域方法對絕緣子盤輪廓進行提取,建立絕緣子觀測模型,對絕緣子盤傘裙邊傾斜角進行檢測,通過視覺算法對獲取的現(xiàn)場圖像信息進行處理,通過轉(zhuǎn)換獲得機器人的作業(yè)機械手與作業(yè)對象絕緣子之間的相對位姿關(guān)系,完成精準(zhǔn)清洗任務(wù)。

        4.1 絕緣子盤ROI區(qū)域提取

        為了減少圖像處理需要計算像素的數(shù)量與復(fù)雜背景對絕緣子目標(biāo)信息提取的影響,首先利用Open CV數(shù)字圖像處理技術(shù),通過對目標(biāo)圖像進行色彩轉(zhuǎn)換以及對H、S、V設(shè)置不同閾值,利用cv.bitwise()函數(shù),將每一片絕緣子ROI區(qū)域提取出來。對攝像頭采集回的圖像進行處理,考慮到在對原圖像平滑去噪的同時能更好地保留支柱絕緣子的邊緣細(xì)節(jié),故選擇采用雙邊濾波進行圖像去噪。雙邊濾波器計算公式如下:

        式中,i、j為模板窗口其他系數(shù)坐標(biāo),k、l為模板窗口的中心點坐標(biāo)。

        ROI區(qū)域雙邊濾波結(jié)果如圖16所示,由于支柱絕緣子結(jié)構(gòu)復(fù)雜且表面材質(zhì)的特殊性,易受光照影響出現(xiàn)陰影過重或過曝等情況,為了使清洗過程中拍攝的絕緣子目標(biāo)更易識別,使用Gamma校正圖像增強技術(shù)使目標(biāo)變得更清晰,Gamma校正的公式如式(13)所示。

        圖16 ROI區(qū)域雙邊濾波結(jié)果Fig.16 Bilateral filtering results in ROI region

        式中,s為輸出圖像像素灰度,r為原圖像像素灰度,γ為Gamma調(diào)節(jié)系數(shù)。當(dāng)γ<1時,圖像整體灰度值提升,原圖像暗處部分對比度增加,亮處對比度減少,當(dāng)γ>1時則完全相反,整體灰度值下降。因此最終采用γ=0.5的Gamma校正對絕緣子圖像信息進行增強處理,處理結(jié)果如圖17所示。

        圖17 γ=0.5的Gamma校正Fig.17 Gamma correction forγ=0.5

        4.2 絕緣子盤傘裙邊信息提取及傾角檢測

        為實現(xiàn)引導(dǎo)位于作業(yè)末端的干冰噴嘴調(diào)整清洗角度對絕緣子盤凹壑部位進行精準(zhǔn)清洗,還需對局部的絕緣子盤傘裙傾角進行檢測。準(zhǔn)確地對絕緣子盤傘裙圖像進行分析,需要將單個絕緣傘裙圖像與背景準(zhǔn)確分割出來。

        采用OTSU算法選取二值化閾值,根據(jù)灰度值將圖像分為前景部分和背景部分[18]。再對所得到的二值化圖像取最大連通域并進行開運算,其結(jié)果如圖18(a)所示。之后對二值化的絕緣子盤圖像提取輪廓,并在原圖像中繪制,如圖18(b)所示。

        圖18 絕緣子傘裙輪廓提取Fig.18 Insulator skirt contour extraction

        在得到具體絕緣子傘裙輪廓信息的基礎(chǔ)上,將所有檢測出的絕緣子盤傘裙邊中線相連,即可視為整串絕緣子的垂直中線。建立絕緣子盤的視覺觀測模型,如圖19所示。

        在圖19中,假設(shè)當(dāng)前視覺系統(tǒng)的觀測角度為θ,絕緣子盤長軸長度為d。通過對絕緣子盤傘裙邊緣的識別、擬合,可推導(dǎo)出橢圓方程,完成對傘裙觀測角信息的計算。

        圖19 絕緣子觀測模型Fig.19 Insulator observation model

        首先對絕緣子傘裙邊緣進行提取,刪除其中較短的傘裙邊輪廓,再對剩余的輪廓進行最小二乘法橢圓擬合。擬合準(zhǔn)則為:使得輪廓中所有點到擬合出的橢圓距離平方和最小。待擬合橢圓的方程為x2+A x y+B y2+C x+D y+E=0,根據(jù)擬合準(zhǔn)則,需確定5個參數(shù)A、B、C、D、E使得式(14)函數(shù)值取最小值。

        通過對上式求解,可完成對絕緣子傘裙邊橢圓的擬合。如圖20所示,為采用最小二乘法橢圓擬合對絕緣子盤傘裙邊的擬合結(jié)果。

        圖20 絕緣子盤圖像傘裙邊擬合結(jié)果Fig.20 Fitting result of insulator plate image umbrella skirt

        由絕緣子觀測模型,確定長軸為傘裙邊位置,長度為d,且絕緣子盤短軸長度為d·cosθ。通過長短軸關(guān)系計算出觀測角θ。根據(jù)檢測到的絕緣子傘裙邊傾角,引導(dǎo)位于作業(yè)末端的干冰噴嘴,通過調(diào)整其清洗角度,可實現(xiàn)對絕緣子盤凹壑部位的準(zhǔn)確清洗。

        5 結(jié)論

        本文針對當(dāng)前變電站支柱絕緣子清洗存在的問題,設(shè)計了一種可適應(yīng)變電站的高電場強度環(huán)境的變電支柱絕緣子綜合作業(yè)機器人,可完成對變電站支柱絕緣子的清洗工作。

        基于帶電清洗機器人視覺伺服系統(tǒng),使用YOLOv4-tiny深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)了對支柱絕緣子與法蘭目標(biāo)的識別,通過立體匹配對左、右攝像機采集圖像中的目標(biāo)物體上的點對進行搜索,對絕緣子目標(biāo)點進行三維重建實驗,實驗結(jié)果表明,目標(biāo)點定位精度滿足機械臂抓取需要。另外,為實現(xiàn)機械臂對絕緣子盤精準(zhǔn)的夾持控制及作業(yè)末端的干冰噴嘴準(zhǔn)確清洗任務(wù),建立了絕緣子視覺觀測模型,獲取相機觀測角,通過ROI區(qū)域?qū)^緣子盤輪廓進行提取,利用最小二乘法對絕緣子傘裙邊進行橢圓擬合,可實現(xiàn)對絕緣子盤傘裙邊的檢測。

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