用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其步骤为：S1：自动搜索螺栓的位置，即以引流线的走向来进行螺栓的搜索；S2：对螺栓进行识别。本发明能够高效搜索螺栓、精确识别度高、进而提高输电线路螺栓紧固工作效率。
【专利说明】
用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及到电力系统输电线路自动化作业设备领域，特指一种适用于输电 线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的发展，保证电力系统安全稳定运行变得越来越重要，如何加强电 网日常维护，防患于未然，以及出现问题时的及时抢修，构建电力系统安全防御框架、应对 各种挑战，成为亟待解决的问题。顺应构建智能电网的需求，自动化作业设备逐渐被使用， 其中带电作业机器人应运而生。
[0003] 输电线路螺栓紧固机器人是带电作业机器人的一种，但是由于现有的螺栓紧固机 器人一般都是通过视频传输再现现场，再通过人工操作才能完成螺栓紧固工作，对工作人 员操作熟练度要求较高，效率十分低下。这是由于现有技术中缺乏高效、准确率高以及基于 视觉的输电线路螺栓检测方法，大部分带电作业机器人无法完成输电线路上螺栓的自动搜 索与识别，部分带电作业机器人即使具备视频传输功能，也无法通过视觉来自动定位螺栓， 必须加入人工干预，因此严重阻碍了带电作业领域自动化的发展。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种能够高效搜索螺栓、精确识别度高、进而提高输电线路螺栓紧固工作效率的用于输电线 路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其步骤为：
[0007] S1:自动搜索螺栓的位置，即以引流线的走向来进行螺栓的搜索；
[0008] S2:对螺栓进行识别。
[0009] 作为本发明方法的进一步改进:所述步骤S1的流程为：
[0010] S101:判断引流线的空间位置；
[0011] S102:将引流线的走向规划为螺栓搜索的路径；
[0012] S103:控制螺栓紧固作业执行器沿着该规划路径向上进行螺栓的搜索。
[0013] 作为本发明方法的进一步改进:在步骤S101中，当上述引流线出现在螺栓紧固末 端执行器所配备的摄像头视野中的时候，对螺栓紧固末端执行器进行微调。
[0014] 作为本发明方法的进一步改进:所述微调的过程为:通过测量引流线在图像中两 端点宽度匕^的对比来判断此时引流线与对卡装置是否有偏移;若L0L2,那么引流线离U 端较近，离L2端较远，此时调整关节13以靠近远端、远离近端的原则慢慢旋转，直至满足条 件;若1^<1^，则执行相反方向的微调直至满足条件U&L2。
[0015] 作为本发明方法的进一步改进:所述步骤S2包括:先对采集到的图像进行预处理， 在获取螺栓的边缘图像之后，再进行螺栓的识别。
[0016] 作为本发明方法的进一步改进:所述步骤S2的具体流程为：
[0017] S201 :螺栓六边直线组的提取；
[0018]首先，在Hough空间中找到投票值最高的峰值点peak，以该峰值点peak所在角度区 域为基准，取前后60°区域以及当前区域，然后求每个区域中的两个最大值，由此将获得一 组六边信息;接下来取整个Hough空间中的第二大峰值所在角度区域，再按照上述方法求三 个区域中的六个峰值，以此类推，求取多组六边形信息，然后统计每组六个峰值点投票的总 和，取投票总和最尚的一组六边彳目息为最终确定的六边形彳目息；
[0019] S202:六边形中心拟合；
[0020] 得到Hough空间中的六个峰值点peak对应于图像空间中的六条线，即六边形的六 条边，接下来计算六条边的两两交点，由此可以得到12个点;然后将这12个点任取三个点为 一组，组成一个三角形，求三角形任意两条边的中垂线，并计算两条中垂线的交点，即为六 边形中心可能存在的位置;12个点任取3个点的有220种组合，将这220个组合各自形成的三 角形按照上述步骤计算中垂线交点，进行中心点的判断。
[0021] 作为本发明方法的进一步改进:通过计算出来的中垂线交点位置经过四舍五入后 是一个准确的像素点，此时在该位置及其邻域采用高斯方块来进行累加，得到累加矩阵。
[0022] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0023] 1、本发明的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，能够真正实现自 动化作业，用机器代替人工来完成高危带电作业工作，将人工从高危带电作业中解放出来； 本发明能够大幅度地提高螺栓紧固机器人的工作效率，减少人力物力的投入。
[0024] 2、本发明的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，能够对高压输电 线路上的螺栓进行搜索与识别，以高精度、高识别率定位螺栓，并能够稳定地配合完成从上 位机发来的各条指令动作以完成螺栓紧固工作。
[0025] 3、本发明的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，原理简单、运行 平稳，精准可靠，能广泛地应用于高压带电作业的自动化推广中，提高高压带电作业的效 率。
【附图说明】
[0026]图1是本发明在具体应用实例中的原理示意图。
[0027] 图2是本发明在具体应用实例中摄像头微调的原理示意图。
[0028] 图3是本发明在具体应用实例中螺栓搜索的流程示意图。
[0029] 图4是本发明在具体应用实例中螺栓识别的流程示意图。
[0030] 图5是本发明在具体应用实例中进行Hough变换空间的示意图。
[0031 ]图6是本发明在具体应用实例中进行六边直线组选取的示意图。
[0032] 图7是本发明在具体应用实例中进行六边形中心点计算的示意图
[0033] 图8是本发明在具体应用实例中进行六边形中心拟合投票策略的示意图。
[0034] 图9是本发明在具体应用实例中螺栓紧固作业机器人的结构示意图。
[0035] 图10是本发明在具体应用实例中螺栓紧固作业末端执行器的结构示意图。
[0036] 图11是本发明在具体应用实例中所采用5X5高斯方块模板的示意图。
【具体实施方式】
[0037] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0038] 如图1、图2和图9所示，本发明的方法主要应用于输电线路螺栓紧固机器人，该机 器人一般包括机器人本体和螺栓紧固作业执行器。其中机器人本体包括箱体，该箱体具备 可以在导线96上行走的行走轮94,安装在行走轮一侧的锁紧夹95能锁紧导线96以保证机器 人在线上平稳的移动。
[0039] 螺栓紧固作业执行器包括多自由度机械臂和螺栓紧固末端执行器，其中多自由度 机械臂由3个关节构成，多关节组合协同工作，可以带动螺栓作业末端执行器到任意位置。 如图10所示，螺栓紧固末端执行器包括旋转电机、对向伸缩电机、2个扳手套筒和2个近焦摄 像头。输电线路螺栓紧固机器人通过多自由度机械臂连接螺栓紧固末端执行器，配合带电 作业机器人机体发来的各类指令，即可完成指定工作。2个近焦摄像头安装于扳手套筒的后 端中央位置，螺栓紧固末端执行器的两个扳手套筒由旋转电机驱动旋转，由对向伸缩电机 驱动对向移动，在定位、微调完成后，即螺栓出现在图像正中央的时候，伸缩电机驱动套筒 头对卡入螺栓11，旋转电机驱动扳手套筒旋转完成螺栓11的紧固工作。
[0040] -般来说，在具体应用时，螺栓紧固带电作业装置的螺栓紧固末端执行器中，2个 摄像头为近焦摄像头，在获取清晰度较高的近距离目标图像的同时，可将无关的复杂背景 一定程度的虚化，为后期螺栓11搜索、识别工作提供有利条件。2个近焦摄像头安装于扳手 套筒的后端中央位置，在定位、微调完成后，即螺栓11出现在图像正中央的时候，旋转电机 驱动套筒头对卡入螺栓11，对向伸缩电机驱动扳手套筒旋转完成螺栓11的紧固工作。
[0041 ]本发明的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，能够自动搜索、识 别引流板上的螺栓，其步骤为：
[0042] S1:自动搜索螺栓11的位置，即以引流线12的走向来进行螺栓11的搜索；
[0043] 上述方式是通过对引流线位置的初步判断来实现的。由于引流板与引流线12连接 的部分近似于直线，那么测得这条直线的空间位置以及其走向，就可以将该直线走向作为 螺栓11搜索的预测路径。这样的搜索策略在减小系统的复杂度的同时，也提高了螺栓11搜 索的准确性。
[0044] S2:对螺栓11进行识别。
[0045] 在具体应用实例中，步骤S1的具体流程为：
[0046] S101:判断引流线12的空间位置；
[0047] S102:将引流线12的走向规划为螺栓11搜索的路径；
[0048] S103:控制螺栓紧固作业执行器沿着该规划路径向上进行螺栓11的搜索。
[0049] 参见图2,在上述过程中，当引流线12出现在螺栓紧固作业执行器所配备的摄像头 视野中时，通过测量引流线12在图像中两端点宽度(I^Ls)对比来判断此时引流线12与对卡 装置是否发生倾斜，然后进行相应微小调整，使得引流线12位于螺栓紧固末端执行器正中 央而不倾斜，避免后续搜索螺栓11时发生碰撞。
[0050] 即，当引流线12出现在螺栓紧固作业执行器所配备的摄像头视野中时，微调作业 末端，使引流线12呈现在螺栓紧固末端执行器的摄像头中央，保存此时编码电机所记录的 位置；即，保存了此时引流线12上一点( X1，yi)相对于机器人本体的位置;然后调整机械臂， 使螺栓紧固末端执行器分别再卡入引流线12上的另外两点（^，72)、（13,73)的位置。然后， 再计算两两之间的斜率：
[0053] 由于靠近引流板部分的引流线12近似为一条直线，若上面求得的两个斜率满足条 件|k12-k13|〈e，其中e为一个很小的正数，可以认为这三点近似共线，那么可以判断此时所 取的三个点位于上述近似为直线的那部分引流线12上。若不满足条件| k12_k131〈￡，则判断 机械臂所测得的点位于引流线12下端较为弯曲的部分，此时机械臂将带动螺栓紧固末端执 行器继续取点，并且，接下来所取的点较上一次取的点位置偏上，以加速趋向接近引流板部 分的引流线12,避免盲目取点。直到满足条件| k12_k131 ，则可以拟合出这部分引流线12相 对于机器人本体的位置及其走向，并将其作为螺栓紧固末端执行器搜索螺栓的运动参考路 径，以此来搜索引流板12上的螺栓11。
[0054] 由上可知，当上述引流线12出现在螺栓紧固末端执行器所配备的摄像头视野中的 时候，本发明中微调作业末端的策略如下：
[0055] 通过测量引流线12在图像中两端点宽度(UU的对比来判断此时引流线12与对 卡装置是否有偏移，如图2所示。若LAL2,那么引流线离U端较近，离L 2端较远，此时调整关 节13以靠近远端、远离近端的原则慢慢旋转，直至满足条件若则执行相反方 向的微调直至满足条件。
[0056] 如图4所示，在具体应用实例中，上述步骤S2包括:先对采集到的图像进行预处理， 在获取螺栓11的边缘图像之后，再进行螺栓11的识别。详细流程为：
[0057] S201 :螺栓11六边直线组的提取。
[0058]针对六边形三组对边倾角两两相差60°的特征，改进Hough变换中峰之点选取策 略:首先，在Hough空间中找到投票值最高的peak(峰值点），以该peak所在角度区域为基准， 取前后60°区域以及当前区域，然后求每个区域中的两个最大值，由此将获得一组六边信 息，如图5所示。接下来取整个Hough空间中的第二大峰值所在角度区域，再按照上述方法求 三个区域中的六个峰值，以此类推，求取多组六边形信息，然后统计每组六个峰值点投票的 总和，取投票总和最高的一组六边信息为最终确定的六边形信息，如图6所示的第二组直线 组。
[0059] S202:六边形中心拟合。
[0060] 得到Hough空间中的六个peaks对应于图像空间中的六条线，即六边形的六条边， 接下来计算六条边的两两交点，由此可以得到12个点，如图7中(a)所示。然后将这12个点任 取三个点为一组，组成一个三角形，求三角形任意两条边的中垂线，并计算两条中垂线的交 点，即为六边形中心可能存在的位置，如图7中的（b)所示。12个点任取3个点的有220种组 合，将这220个组合各自形成的三角形按照上述步骤计算中垂线交点。
[0061]在具体应用时，计算出来的中垂线交点位置经过四舍五入后会是一个准确的像素 点，例如，中垂线交点为(52,33)，倘若仅仅在投票空间中的（52,33)像素位置加一，那么倘 若由误差形成的中垂线交点(53,34)则会被认为是另一个中心，降低了最后投票的准确性。 故本发明进一步采用高斯方块来进行累加，累加结果如图8所示。也就是说:若算出来的中 垂线交点为（52,33)，那么在累加矩阵(初始化为全零矩阵）中，以（52,33)为中心的一个小 正方形区域，加一个大小相等的高斯方块，例如在50~54,31~35这个方块区域叠加上如图 所示矩阵，即，
[0062] A(x,y)=A(x,y)+G(i,j)
[0063] 其中，A ( x , y )为累加矩阵中以点（x , y )为中心，与模板G大小一致的部分；
，为一个二维高斯模板，?为相应的方差，?越大，模板越扩 散，〇越小，模板越集中，应根据模板的大小来决定〇的取值。如图11所示，为大小为5X5的高 斯方块模板。
[0064] 采用本发明的上述方法就可以减小微小误差带来的中心累加误差，突出交点集中 的位置，便于中心点的判断。
[0065] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护 范围。
【主权项】
1. 一种用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其特征在于，步骤为： Sl:自动搜索螺栓的位置，即以引流线的走向来进行螺栓的搜索； S2:对螺栓进行识别。2. 根据权利要求1所述的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其特征 在于，所述步骤Sl的流程为： SlOl:判断引流线的空间位置； S102:将引流线的走向规划为螺栓搜索的路径； S103:控制螺栓紧固作业执行器沿着该规划路径向上进行螺栓的搜索。3. 根据权利要求2所述的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其特征 在于，在步骤SlOl中，当上述引流线出现在螺栓紧固末端执行器所配备的摄像头视野中的 时候，对螺栓紧固末端执行器进行微调。4. 根据权利要求3所述的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其特征 在于，所述微调的过程为:通过测量引流线在图像中两端点宽度U、L 2的对比来判断此时引 流线与对卡装置是否有偏移;若Li>L2,那么引流线离L 1端较近，离L2端较远，此时调整关节 13以靠近远端、远离近端的原则慢慢旋转，直至满足条件LPL 2^LKL2，则执行相反方向 的微调直至满足条件L1^Lh5. 根据权利要求1~4中任意一项所述的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识 别方法，其特征在于，所述步骤S2包括:先对采集到的图像进行预处理，在获取螺栓的边缘 图像之后，再进行螺栓的识别。6. 根据权利要求5所述的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其特征 在于，所述步骤S2的具体流程为： S201 :螺栓六边直线组的提取； 首先，在Hough空间中找到投票值最高的峰值点peak，以该峰值点peak所在角度区域为 基准，取前后60°区域以及当前区域，然后求每个区域中的两个最大值，由此将获得一组六 边信息;接下来取整个Hough空间中的第二大峰值所在角度区域，再按照上述方法求三个区 域中的六个峰值，以此类推，求取多组六边形信息，然后统计每组六个峰值点投票的总和， 取投票总和最高的一组六边信息为最终确定的六边形信息； S202:六边形中心拟合； 得到Hough空间中的六个峰值点peak对应于图像空间中的六条线，即六边形的六条边， 接下来计算六条边的两两交点，由此可以得到12个点;然后将这12个点任取三个点为一组， 组成一个三角形，求三角形任意两条边的中垂线，并计算两条中垂线的交点，即为六边形中 心可能存在的位置;12个点任取3个点的有220种组合，将这220个组合各自形成的三角形按 照上述步骤计算中垂线交点，进行中心点的判断。7. 根据权利要求6所述的用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓搜索识别方法，其特征 在于，通过计算出来的中垂线交点位置经过四舍五入后是一个准确的像素点，此时在该位 置及其邻域采用高斯方块来进行累加，得到累加矩阵。
【文档编号】G06T7/00GK105931233SQ201610242982
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】樊绍胜, 杨迪, 李若云, 甘彬
【申请人】长沙理工大学