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        面向柔性導(dǎo)線涂覆作業(yè)的機(jī)器人視覺檢測與定位方法

        2023-12-20 14:27:28饒成龍宋屹峰趙娟平王俊彭
        機(jī)床與液壓 2023年23期
        關(guān)鍵詞:涂覆攝像機(jī)標(biāo)定

        饒成龍,宋屹峰,趙娟平,王俊彭

        (1.沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧沈陽 110142;2.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧沈陽 110016;3.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧沈陽 110169)

        0 前言

        隨著社會(huì)的快速發(fā)展,電力能源的使用愈加頻繁,配電網(wǎng)線路快速增長。以端側(cè)線路為例,架空裸導(dǎo)線是發(fā)電端到達(dá)用戶端的通道,其應(yīng)用與居民生活緊密相關(guān)。架空裸導(dǎo)線沒有絕緣外皮保護(hù),極易出現(xiàn)氧化腐蝕現(xiàn)象,在人群密集區(qū)域容易發(fā)生電力安全事故,缺乏對突發(fā)事件的防御能力,對人民群眾的人身安全具有較大危害[1-5]。因此,對裸導(dǎo)線進(jìn)行絕緣化處理具有極大的現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。

        較早裸導(dǎo)線絕緣化技術(shù)是直接通過人工配備防護(hù)工具來進(jìn)行不停電作業(yè),這種作業(yè)方式危險(xiǎn)性極大,直接影響到作業(yè)人員的生命安全。同時(shí),人工作業(yè)人力成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低以及面臨高空高壓的危險(xiǎn)環(huán)境[8-10],難以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備絕緣化大面積普及。

        故此,架空裸導(dǎo)線絕緣化作業(yè)任務(wù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生,代替人工完成裸導(dǎo)線絕緣化的工作。華北電力大學(xué)研制了一款10 kV架空線絕緣修復(fù)機(jī)器人[11-12],能對絕緣導(dǎo)線破損處包裹新的絕緣皮,完成線路修復(fù)。西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)了用于架空裸露導(dǎo)線的自動(dòng)絕緣包裹機(jī)器人[13],能有效地對架空裸露導(dǎo)線包裹,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行與帶電操作。

        目前利用電力機(jī)器人對裸導(dǎo)線絕緣化作業(yè)存在著涂覆不均勻現(xiàn)象,在質(zhì)量上難以管控。而當(dāng)下,視覺已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)器人的研究[14-18],具體包括視覺引導(dǎo)[19]、越障[20]、障礙物識(shí)別定位[21]。

        美國伊利諾伊大學(xué)提出了一種智能檢測框架,基于安裝雙目視覺傳感器的塔監(jiān)測圖像數(shù)據(jù),檢測柔性線路植被侵占情況,有效避免了植被與電力線路的接觸[22]。上海交通大學(xué)利用一種實(shí)時(shí)在線維護(hù)操作機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)戶外柔性電纜的識(shí)別與定位,自動(dòng)完成電纜的剝皮、切割與電氣檢查等任務(wù)[23]。沈陽自動(dòng)化研究所使用了一種基于視覺的電力線路機(jī)器人斷線檢測方法,可有效識(shí)別柔性導(dǎo)線上的線路斷股和障礙物,完成故障線路的檢測[24]。

        以上研究都是將柔性線路當(dāng)作了剛性環(huán)境處理,而忽略了其本身所具有的柔性特性。由于機(jī)器人在作業(yè)過程中會(huì)引起線路變形,從而導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生偏差,影響了機(jī)器人工作狀態(tài)。

        針對以上問題,本文作者提出一種面向柔性導(dǎo)線涂覆作業(yè)的機(jī)器人視覺檢測與定位方法,在考慮配電網(wǎng)線路因柔性變形的影響下,實(shí)現(xiàn)觀察臂對涂覆機(jī)器人的實(shí)時(shí)跟蹤與定位,從而觀察涂覆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及柔性導(dǎo)線的涂覆情況。根據(jù)涂覆機(jī)器人位置的改變實(shí)時(shí)調(diào)整觀察臂位姿狀態(tài),有效觀察涂覆機(jī)器人涂覆導(dǎo)線的狀態(tài),以調(diào)整自身位姿,從而具備外部環(huán)境的適應(yīng)能力。

        1 涂覆機(jī)器人模型及運(yùn)動(dòng)原理

        1.1 涂覆機(jī)器人系統(tǒng)

        如圖1所示,帶電作業(yè)涂覆機(jī)器人系統(tǒng)主要由涂覆機(jī)器人、觀察臂以及單目攝像機(jī)組成。涂覆機(jī)器人對電纜進(jìn)行涂覆,完成裸導(dǎo)線絕緣化工作;觀察臂具有6個(gè)自由度,協(xié)助涂覆機(jī)器人掛線以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨涂覆機(jī)器人運(yùn)動(dòng);觀察臂自身攜帶的單目攝像機(jī)可精準(zhǔn)定位涂覆機(jī)器人,對涂覆機(jī)器人的涂覆狀態(tài)進(jìn)行有效的評(píng)估。

        1.2 機(jī)器人上線流程

        為了讓涂覆機(jī)器人能夠安全到達(dá)柔性配電線進(jìn)行涂覆作業(yè),需要完成以下操作來實(shí)現(xiàn)涂覆機(jī)器人的安全掛線:

        (1)首先將觀察臂與涂覆機(jī)器人放在絕緣斗臂車的工作平臺(tái)上,然后利用絕緣斗臂車的升降機(jī)構(gòu)把涂覆機(jī)器人與觀察臂放到柔性配電線的水平安全距離。

        (2)利用觀察臂自身所攜帶的夾爪將涂覆機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu)(掛鉤)掛在配電線上,利用升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)將涂覆機(jī)器人上升到配電線,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛線。

        (3)找準(zhǔn)限位孔,將配電線卡在涂覆機(jī)器人的限位孔中,根據(jù)柔性配電線的直徑,調(diào)整限位孔大小,完成進(jìn)線過程。

        涂覆機(jī)器人上線流程如圖2所示。

        圖2 涂覆機(jī)器人上線

        1.3 涂覆運(yùn)動(dòng)過程

        涂覆機(jī)器人行走會(huì)致使柔性配電線發(fā)生形變,改變?nèi)嵝耘潆娋€在水平位置的位姿,影響涂覆機(jī)器人作業(yè)的涂覆距離以及涂覆的狀態(tài)。因此,采用視覺定位涂覆位置點(diǎn)和跟隨涂覆機(jī)器人,有效調(diào)整觀察臂的位姿,從而觀測柔性配電線形變對涂覆狀態(tài)的影響。如圖3所示,其涂覆運(yùn)動(dòng)具體如下:

        圖3 涂覆機(jī)器人涂覆運(yùn)動(dòng)

        (1)利用觀察臂對涂覆機(jī)器人的初始狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定,儲(chǔ)存初始狀態(tài)信息。

        (2)涂覆機(jī)器人前進(jìn)過程中噴涂裝置自動(dòng)出料,為配電線涂覆,實(shí)現(xiàn)裸導(dǎo)線絕緣化。

        (3)根據(jù)配電線的涂覆狀態(tài),利用觀察臂對涂覆的情況進(jìn)行目標(biāo)定位。

        涂覆機(jī)器人在柔性配電線上行走,攝像機(jī)對獲取的圖像實(shí)時(shí)更新,不斷確定空間中新的位置點(diǎn),確定配電線涂覆位置點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)控配電網(wǎng)線路的涂覆狀態(tài)。

        2 基于柔索環(huán)境下的視覺定位原理

        涂覆機(jī)器人以一定的速度沿柔性配電網(wǎng)線路前進(jìn),觀察臂識(shí)別涂覆位置點(diǎn),實(shí)時(shí)定位并跟隨運(yùn)動(dòng)。如圖4所示,整個(gè)視覺定位系統(tǒng)包括感知子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)兩大部分。感知子系統(tǒng)主要是觀察臂對涂覆位置點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,通過相機(jī)標(biāo)定對涂覆位置點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤。控制子系統(tǒng)根據(jù)涂覆位置點(diǎn)的位置信息,與期望的位置信息進(jìn)行比較,通過PID視覺伺服控制器快速控制系統(tǒng)穩(wěn)定,利用圖像雅可比將圖像信息差值轉(zhuǎn)化為觀察臂末端的速度。再利用觀察臂雅可比矩陣將末端速度轉(zhuǎn)化為各個(gè)關(guān)節(jié)速度,通過觀察臂的伺服控制器將各關(guān)節(jié)角度信息傳輸?shù)接^察臂本體,讓觀察臂實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)。其中,該系統(tǒng)利用了閉環(huán)控制,保證運(yùn)動(dòng)控制的精準(zhǔn)性。

        圖4 系統(tǒng)控制框圖

        2.1 手眼成像模型

        圖5所示為攝像機(jī)與標(biāo)定板的模型,包括攝像機(jī)、目標(biāo)標(biāo)定板以及攝像機(jī)成像平面。a為機(jī)器人未工作時(shí)柔性電纜的初始狀態(tài),b為機(jī)器人涂覆作業(yè)時(shí)柔性電纜發(fā)生形變的狀態(tài)。其中{OL}為標(biāo)定板與箱體接觸平面的參考坐標(biāo)系,{OC}為攝像機(jī)坐標(biāo)系,{XOY}為圖像物理坐標(biāo)系,{Of}為圖像像素坐標(biāo)系。P為標(biāo)定板在攝像機(jī)坐標(biāo)系上面一點(diǎn),其在圖像物理坐標(biāo)系和圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為P1(X1,Y1)和Pf1(u1,v1)。根據(jù)中心透視投影關(guān)系模型,可得

        圖5 手眼成像模型

        (1)

        (2)

        式中:(u0,v0)是{XOY}坐標(biāo)系原點(diǎn)在{Of}坐標(biāo)系下的中心點(diǎn);fx、fy、u0、v0為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù);R、T為攝像機(jī)的外部參數(shù)。

        2.2 柔索環(huán)境下的視覺定位

        2.2.1 特征提取

        對目標(biāo)點(diǎn)位置進(jìn)行有效定位與跟蹤,則有如下的處理過程:

        涂覆機(jī)器人沿著裸導(dǎo)線進(jìn)行作業(yè),觀察臂所攜帶的攝像機(jī)采集視野中的圖像,計(jì)算每張圖像所對應(yīng)的攝像機(jī)外部參數(shù)矩陣。同時(shí),每一次圖像采集并記錄其對應(yīng)觀察臂末端的位姿矩陣。通過圖像處理來計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的位置信息,其處理過程如下:

        (1)首先對采集的彩色圖像進(jìn)行預(yù)處理,利用圖像灰度化,減弱背景環(huán)境對標(biāo)定板的影響。

        (2)對標(biāo)定板進(jìn)行角點(diǎn)提取。首先對標(biāo)定板角點(diǎn)進(jìn)行粗提取,確定角點(diǎn)處于可提取的范圍之內(nèi);然后對粗提取的角點(diǎn)進(jìn)行精提取,保證提取的精度;最后,遍歷標(biāo)定板,提取全部角點(diǎn)。

        (3)對提取的角點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。利用OpenCV的solvePnP函數(shù)對提取的角點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定,對標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行羅德里格斯轉(zhuǎn)換,計(jì)算基于攝像機(jī)坐標(biāo)系下的R與T。

        2.2.2 圖像雅可比矩陣

        (3)

        由公式可知

        (4)

        對u求導(dǎo)則有

        (5)

        將式(3)代入式(5)可得:

        (6)

        (7)

        (8)

        其中:Ji為圖像雅可比矩陣:

        (9)

        因此觀察臂末端速度可為

        (10)

        其中:e為圖像物理坐標(biāo)系下當(dāng)前位置與期望位置的圖像特征差。

        2.2.3 觀察臂雅可比矩陣

        由觀察臂末端速度可知觀察臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),但所輸入到關(guān)節(jié)的變量為關(guān)節(jié)速度變量,因此需要將物理世界坐標(biāo)系下的末端速度轉(zhuǎn)化為觀察臂的關(guān)節(jié)速度。

        (11)

        其中:Jr為觀察臂雅可比矩陣。

        (12)

        利用觀察臂的位置信息來求解自身的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,從而獲取各個(gè)關(guān)節(jié)的角度信息。

        2.3 基于PID方法的伺服控制器位姿調(diào)整

        圖6 攝像機(jī)位姿調(diào)整

        (13)

        式中:Kp為比例控制參數(shù);Ki為積分控制參數(shù);Kd為微分控制參數(shù)。

        圖像空間中攝像機(jī)隨著標(biāo)定板的移動(dòng),其視野中標(biāo)定板位姿偏差可如圖6所示。其中定義標(biāo)定板相對于攝像機(jī)的縱向中心線偏移角度為θk,標(biāo)定板相對于攝像機(jī)的橫向中心線偏移角度設(shè)定為λk,標(biāo)定板相對于攝像機(jī)的橫向中心線偏移距離設(shè)定為γk,[θkλkγk]T定義圖像空間中特征變化,[ε1ε2ε3]T為圖像空間中特征變化的極限值。當(dāng)涂覆機(jī)器人工作時(shí),觀察臂亦跟隨運(yùn)動(dòng),不斷調(diào)整自身位姿,使標(biāo)定板處于攝像機(jī)范圍內(nèi)。如圖6(a)所示,首先調(diào)整攝像機(jī)在縱向的偏角θk,當(dāng)θk<ε1時(shí),如圖6(b)所示,調(diào)整攝像機(jī)在橫向的偏角λk;θk<ε1且λk<ε2時(shí),如圖6(c)所示,調(diào)整攝像機(jī)在橫向的平移γk;θk<ε1且λk<ε2且γk<ε3時(shí),如圖6(d)所示,為攝像機(jī)對準(zhǔn)標(biāo)定板,完成標(biāo)定板的實(shí)時(shí)定位,即與配電線進(jìn)行了實(shí)時(shí)定位。

        3 實(shí)驗(yàn)研究

        3.1 實(shí)驗(yàn)場景搭建

        為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的面向柔性導(dǎo)線涂覆作業(yè)的機(jī)器人視覺檢測與定位的準(zhǔn)確性以及有效實(shí)施的可能性,在實(shí)驗(yàn)室搭建配電線的實(shí)驗(yàn)場景,如圖7所示。

        圖7 實(shí)驗(yàn)室場景

        3.2 實(shí)驗(yàn)測試

        在實(shí)驗(yàn)中讓觀察臂能準(zhǔn)確定位與跟隨到涂覆機(jī)器人,保證攝像機(jī)能夠跟蹤圖像平面中的特征點(diǎn),從而引導(dǎo)觀察臂末端執(zhí)行器在空間中移動(dòng),以實(shí)現(xiàn)柔性導(dǎo)線下對機(jī)器人的定位與跟蹤。觀察臂在檢測與定位涂覆機(jī)器人的過程中,會(huì)因?yàn)橥扛矙C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以及攝像機(jī)視野范圍的變化,從而丟失目標(biāo),故而在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對觀察臂的工作區(qū)間有所限制,從而確保觀察臂對機(jī)器人的實(shí)時(shí)跟蹤。其中觀察臂在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中所調(diào)整的偏角θk、λk可在[-45°,45°]之間變化,橫向偏移距離γk的變化范圍為[-320,320]pixel。實(shí)驗(yàn)中所允許ε1、ε2的偏角誤差范圍為[-1°,1°],ε3的偏距誤差范圍為[-20,20]pixel。

        圖8展示了涂覆機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在運(yùn)行過程中,觀察臂對運(yùn)動(dòng)中的涂覆機(jī)器人進(jìn)行了定位與跟蹤。

        圖8 涂覆機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

        觀察臂對初始位置進(jìn)行初始化標(biāo)定之后,然后跟蹤涂覆機(jī)器人。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證可知,涂覆機(jī)器人沿柔性裸導(dǎo)線前進(jìn)涂覆,觀察臂對動(dòng)態(tài)的標(biāo)定板進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與定位,不斷調(diào)整自身位姿,與涂覆機(jī)器人保持一定的狀態(tài)。當(dāng)觀察臂攜帶的攝像機(jī)正對標(biāo)定板時(shí),此時(shí)對涂覆機(jī)器人的檢測與跟蹤效果最佳。

        3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        圖9展示了觀察臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)模塊參數(shù)的變化。圖9(a)為觀察臂所攜帶的攝像機(jī)觀測到涂覆機(jī)器人的位置誤差,通過攝像機(jī)前一幀圖像的空間位置與后一幀圖像的空間位置進(jìn)行求差值得到。隨著空間中位置差值的減小,觀察臂逐漸跟蹤到涂覆機(jī)器人并正對著標(biāo)定板;圖9(b)為觀察臂的各個(gè)關(guān)節(jié)速度,利用觀察臂末端速度經(jīng)觀察臂雅可比矩陣轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)速度;圖9(c)為觀察臂實(shí)時(shí)運(yùn)行跟蹤涂覆機(jī)器人所產(chǎn)生的軌跡。

        圖9 觀察臂實(shí)時(shí)的參數(shù)變化

        此實(shí)驗(yàn)主要采用的方法是涂覆機(jī)器人在不同速度下利用觀察臂對涂覆機(jī)器人的檢測與定位。同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中光照強(qiáng)度會(huì)影響觀察臂對機(jī)器人涂覆狀態(tài)的觀測效果,故采用了在光照比較合適的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對涂覆機(jī)器人的定位與跟蹤。

        表1中,針對涂覆機(jī)器人在不同速度下,利用觀察臂在不同偏距、偏角下調(diào)整觀察臂位姿來檢測跟蹤涂覆機(jī)器人。

        表1 觀察臂跟蹤時(shí)間

        在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中選取一組觀測效果較好的數(shù)據(jù),當(dāng)涂覆機(jī)器人速度處于0.04~0.06 m/s,檢測與定位狀態(tài)最好,觀察臂能夠快速檢測并跟蹤涂覆機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。此時(shí)偏角與偏距較大時(shí)(|θk|>25°,|λk|>25°,|γk|>200 pixel),觀察臂需要超過3.5 s來調(diào)整自身位置,實(shí)現(xiàn)柔索下機(jī)器人的檢測與跟隨;當(dāng)偏角與偏距較小時(shí)(|θk|<10°,|λk|<10°,|γk|<80 pixel),觀察臂只需在2.5 s內(nèi)即可調(diào)整自身位姿,實(shí)現(xiàn)柔索下機(jī)器人的檢測與跟隨。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于視覺定位跟蹤的方法是可行的,能夠有效地實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置的定位。

        4 結(jié)論

        針對柔索環(huán)境下涂覆機(jī)器人運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致柔索發(fā)生變形致使目標(biāo)發(fā)生變化,提出一種面向柔性導(dǎo)線涂覆作業(yè)的機(jī)器人視覺檢測與定位方法。圖像處理方法簡潔有效,特征點(diǎn)提取準(zhǔn)確,減少了每次圖像處理的計(jì)算量。綜合考慮了柔性導(dǎo)線位置與姿態(tài)對涂覆機(jī)器人姿態(tài)影響,利用PID方法對觀察臂姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性控制,實(shí)現(xiàn)觀察臂對涂覆機(jī)器人的實(shí)時(shí)跟蹤與定位,具有很強(qiáng)的工程可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了視覺定位跟蹤的準(zhǔn)確性與可行性。

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