基于视觉定位的带电作业锁杆无线遥控操作技术

吴潮建 王嘉源 钱嘉栋 何旭东 赵陈钢 石峥峥

关键词：视觉定位;带电作业锁杆;无线遥控;智能相机;像素网格划分

电力系统的安全平稳运行对保障人们生产生活、推动国民经济发展具有不可估量的作用。电网规模和分布式电源数量的不断增加，冰雪、地震等灾害的逐年增多，对电力系统安全及可靠性产生重大影响。一旦电力系统出现故障，在导致严重经济损失的同时，还容易发生机械、交通等事故，给生活秩序和社会安全带来巨大风险，因此加强电网维护尤为关键。停电检修是最安全可靠的维护手段，但由于人们对电能质量的高要求，以及出于对工业生产、系统部件使用寿命等多方面的考虑，带电作业日益兴起，它是指在供电情况下，实现高压设备的检修、零件更换等操作，当前大部分均由人工完成。锁杆是带电作业中用于锁紧导线，完成引线搭接、切断和更换的常用工具，该项作业不仅具有较高的危险系数，劳动强度也非常大，为此需要研究有效的带电作业锁杆远程控制技术，防止人工操作不当引发的事故，提升作业安全性及效率。

该课题引起很多相关专家学者的重视，如闫冬等人，使用层次深度强化学习实现带电作业锁杆无线遥控操作，该技术的避障导航成功率高达90%，但受外界环境干扰较大;刘旭等人使用无线通信技术实现带电作业锁杆无线遥控操作，该技术的定位效率较高，但与目标位置的偏差相对较大。

机器人能很好地避免主观情绪，且精度高、安全性稳定。视觉定位可将采集的目标信息转换为图像坐标，并进一步获取实际坐标数据。本文将视觉定位与机器人相结合，提出基于视觉定位的带电作业锁杆无线遥控操作技术，通过定位锁杆位置，利用空问鼠标输入机械手机器人控制命令，以无线遥控操作锁杆实现高危带电作业。

1基于视觉定位的带电作业锁杆无线遥控操作技术

1.1视觉定位原理

1.1.1视觉工作流程

将KUKA机械手作为机器手臂，Vision-HAWK智能相机作为摄像头，通过两者相互协作实现带电作业锁杆定位和操作，下述为具体执行流程：利用智能相机获取带电作业锁杆图像;通过Visionscape软件分析及处理获取的图像;所得图像的详细位置可使用像素网格划分完成定位计

M表示图像点的像素坐标，使用齐次坐标描述它和上述p之间的联系，具体为：

式中，K表示内参数矩阵。世界坐标系和摄像机坐标系问的转化方式为：

式中，R表示两者之间的旋转变换用;T表示平移变换。对于空间点，真实和像素坐标的联系可通过式（5）和式（6）获得，具体表示如下：

式中，M表示透视变换矩阵，M表示内部参数;M2表示外部参数;x描述齐次坐标。需使用Visionscape软件实现上述换算步骤，经对应设定获取带电作业锁杆采集图像的真实坐标结果，并将其输送到机械手，以准确定位及操作带电作业锁杆。

1.2无线遥控操作技术

选择空间鼠标当作对机械手控制命令进行输入的设备，控制带电作业锁杆运动，以及路径规划，从而实现带电作业锁杆无线遥控操作。自由度用描述，它包含于空间鼠标内，该鼠标相当于速度型输入工具，且和监控计算机串口相连，使用网络传输控制命令，使其到达机械手控制器，可实现对机械手6个自由度的分别操控。

根据上小节获得的带电作业锁杆采集图像的真实坐标结果，以及机械手的原理，获得锁杆末端驱动矩阵，用△T描述，计算过程如公式（8）所示：

式中，增益系数用K，描述，对其进行调整可实现锁杆运动量变化阈值的修正，维持机械手平稳运动。空间鼠标实现带电作业锁杆无线遥控操作的结构图用图1描述。

表示增量值，表示控制量用，两者之间能进行转化，机械手关节角的控制量可通过正运动学获得，依据视觉定位返回的带电作业锁杆真实位置，操作者可使用空间鼠标完成锁杆姿态的实时修正。在进行带电作业时，会受到外界环境等多种因素的影响，操作者难以精准遥控锁杆，因此使用下述过程完成其路径规划。

（1）将立体视觉获取的带电作业锁杆真实位置作为依据，利用空间鼠标将锁杆移至操作点中心线上方2～4mm位置。将机械手在起始点的位姿，使用新生成的空间鼠标按键记录为P1。以直线或者圆弧插补作为机械手运动的插补形式。

（2）使机械手运动至接下来需要作业的中心线上方，并将机械手位姿记录为P2，对插补形式进行设置。

（3）循环执行过程（1）、（2），记录到Pi，停止条件为产生锁杆运动路径。

（4）将过程（3）中生成的路径下载至机械手控制器，提前实施锁杆运动路径，依据立体视觉反馈的锁杆真实位置，对路径中具有较大偏差的位置进行调整。

（5）机械手控制器对调整后的锁杆运动路径进行运作，以实现锁杆自动完成带电作业过程。

2仿真测试与分析

使用MATLAB仿真软件搭建视觉定位的带电作业锁杆遥操作现场作业环境，操作者通过对空间鼠标的命令输入，引导机械手控制锁杆运动，以验证本文技术的无线遥控操作性能。

在带电作业过程中，以某一采集图像的20个点坐标作为测试对象，验证其在真实空间中的坐标转换精度，结果用图2描述。分析图2可以看出，将图像坐标转换为相应的真实空间坐标时，18号测量点获得的空间转换误差处于最低数值，约为0.28mm，18号测量点的空间转换误差最大，在1.6mm左右，20个测试对象的平均误差大致为0.8 mm。综合这些数据表明，本文技术的空间坐标转换误差相对较低，可获得较精确的带电作业锁杆真实位置信息。

通过计算本文技术使用前后的定位区域中心和实际操作中心之间的像素距离，测试本文技术对20张采集图像的定位效果，结果用图3描述。分析图3可得，本文技术使用前的定位区域中心和实际操作中心之间的像素距离波动较大，最大距离与最小距离相差18左右;本文技术使用后的像素距离变化平稳，无显著起伏。因此表明，本文技术能有效降低锁杆操作点和实际位置的偏差，具有较理想的带电作业锁杆定位效果，可极大地提升后续无线遥控操作精度。

以0.5m/s的速度引导机械手控制锁杆沿设定路径运动，起点和终点位置相同，实际运动轨迹和设定路径的对比结果用图4描述。从图4可以看出，通过无线遥控操作，引导机械手控制锁杆运动的轨迹和设定路径基本一致，只有兩处出现较小偏差，其余点均分布在设定路线上。因此可得，本文技术的带电作业锁杆无线遥控操作性能具有明显优势。

使用本文技术进行带电作业锁杆无线遥控操作所得横向偏差与纵向偏差结果用图5描述。分析图5可以发现，通过本文技术完成带电作业锁杆无线遥控操作时，横向偏差与纵向偏差均在标准值附近波动，并在达到一定时间后呈现明显的下降趋势，两者的最低值分别为-0.5mm、200mm。因此表明，本文技术具有较优异的带电作业锁杆无线遥控操作精度。

3结论

本文提出了基于视觉定位的带电作业锁杆无线遥控操作技术，将视觉定位与机器人遥控操作相结合，实现锁杆远程控制。该技术能够精准定位锁杆真实位置，且对锁杆的遥控操作偏差较小。通过该技术代替人工带电作业方式可极大地提高作业质量和安全，对保证电力系统平稳运行具有关键作用。