基于激光技术的线路跌落开关自动更换控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器视觉领域，尤其涉及一种基于激光技术的线路跌落开关自动更换 控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 传统的电力设备维修需要人工近距离接触设备，这样不仅威胁施工人员的人身安 全，且效率低下。随着人工智能、机器视觉等相关技术的发展，各种高危环境中的作业已开 始由机器人替代，高压输电线路的设备维护亦可以利用机器人完成。
[0003] 跌落开关是高压输电线路中必不可少的器件，当线路中的电流过大，跌落开关中 的熔丝将会因电流过大而发热熔断，以达到保护线路的目的。通常，跌落开关熔断后需要人 工更换维护，这样不仅效率低下，而且施工人员在在高压带电线路上施工存在安全隐患。人 工智能、机器视觉等技术可使机器人具有人类的部分智能，可使机器人代替施工人员在危 险的环境中高效、快速地完成施工任务。但是，针对更换高压输电线路中跌落开关的智能机 器人控制系统的相关研宄尚存在空白。
[0004] 由于通常使用的跌落开关螺栓顶端的外径与螺栓孔的内径相差极小，因此即使螺 栓与螺栓孔的位置相差Imm时也不能成功固定跌落开关。因此，利用机器视觉、人工智能等 技术更换跌落开关时，需要准确将跌落开关上的螺栓孔与固定支架上的螺栓孔对齐，并且 将螺栓准确的伸入到螺栓固定孔中才能顺利完成更换跌落开关的任务。
[0005] 另外，在使用机器视觉、人工智能等技术固定跌落开关整个操作过程中需要根据 摄像机获取的图像计算出当前螺栓的位置及其相对倾斜方向，以便及时调整机械臂抓取的 螺栓的位姿及位置。螺栓在摄像机中所表现出的灰度特征与周围的环境中其他高压电设 施极为相似，且摄像机所呈现出的螺栓将有可能丢掉其自身螺纹所体现出的特有的纹理信 息，这就增加了跟踪定位螺栓的难度。
[0006] 经过以上分析，智能电力设备机器人控制系统在控制更换跌落开关时存在以下问 题：
[0007] (1)机械臂夹取的螺栓在摄像机捕获的图像中所表现出灰度与周围的其他电力设 备、支架等极为相似，这使控制系统不宜实现目标跟踪。
[0008] (2)螺栓在摄像机获取的图像中相对较小，将会丢失自身螺纹形成的纹理信息，增 加了控制系统跟踪定位螺栓的难度。
[0009] (3)螺栓的外径与螺栓孔内径极为接近，不易准确控制螺栓伸入到螺栓孔径中。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一种基于双目视觉的高压线路跌落 开关自动更换控制系统及控制方法，该控制系统能够实现精确控制机械臂自动更换高压输 电线路中的跌落开关，避免了施工人员直接在高压带电线路上施工带来的危险。
[0011] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种基于激光技术的线路跌落开关自动更换控制系统，包括：
[0013] 机器人控制单元：用于接收数据处理中心的数据并向机械臂控制单元发送控制命 令；
[0014] 机械臂控制单元：用于控制机器人的机械臂通过旋紧或旋出带有标识的螺栓更换 跌落开关；
[0015] 激光定位模块：用于获取机械臂前端的三维点云信息并将三维点云信息传送至数 据处理中心；
[0016] 目标跟踪模块：用于利用获取的点云数据实时计算当前感兴趣目标的移动位置；
[0017] 数据处理中心：用于对激光定位模块采集到的三维点云信息进行处理，根据三维 点云信息跟踪机械臂移动的位置以及需要更换的跌落开关的位置；
[0018] 所述机器人控制单元分别与数据处理中心和机械臂控制单元连接，所述数据处理 中心与激光定位模块、目标跟踪模块分别连接，所述激光定位模块与目标跟踪模块连接，所 述机械臂控制单元控制机器人机械臂完成更换跌落操作。
[0019] 所述带有标识的螺栓两端添加螺纹的纹理信息。
[0020] 所述螺纹的纹理信息为在所述带有标识的螺栓两端之间添加粗细及间隔不同的 条纹，或其他具有颜色信息的纹理。
[0021] -种高压线路跌落开关自动更换控制系统的控制方法，包括跌落开关拆卸控制方 法和跌落开关安装控制方法；
[0022] 所述跌落开关拆卸控制方法为：激光定位模块获取三维点云信息；确定机械臂、 设备抓取位置以及螺栓拆卸位置的三维坐标，并计算出左、右机械臂移动到设备抓取点、螺 栓拆卸点的移动向量，根据移动向量控制机械臂移动，拆卸螺栓；
[0023] 所述跌落开关安装控制方法为：确定待安装设备的抓取位置、螺栓的顶端及尾端 的三维坐标，分别通过坐标相减计算夹取设备和夹取螺栓的机械臂的移动向量，控制机械 臂将螺栓放入螺栓孔径中，安装设备。
[0024] 所述跌落开关拆卸控制方法具体为：
[0025] 步骤一：激光定位模块获取三维点云信息；
[0026] 步骤二：分别计算步机械臂、设备抓取位置以及螺栓拆卸位置的三维坐标，通过坐 标相减计算出左、右机械臂移动到设备抓取点、螺栓拆卸点的移动向量；
[0027] 步骤三：根据移动向量控制机械臂将螺栓脱离螺栓孔，拆卸设备。
[0028] 所述跌落开关安装控制方法具体为：
[0029] 步骤一：通过激光定位模块确定待安装设备的抓取位置、螺栓的顶端及尾端的三 维坐标；
[0030] 步骤二：计算夹取设备机械臂的移动向量，控制机械臂移动；
[0031] 移动过程中，实时跟踪设备当前位置的三维坐标，重新生成移动向量后引导机械 臂的下一步移动方式，直至将设备移动到指定位置；
[0032] 步骤三：通过坐标相减计算夹取螺栓机械臂的移动向量，控制机械臂移动；
[0033] 移动过程中，实时跟踪螺栓螺栓两端当前位置的三维坐标，根据螺栓两端的三维 坐标计算螺栓当前的位姿及当前的移动向量；根据计算结果控制机械臂不断调整螺栓位姿 及移动方式，直至将螺栓移动到指定位置；
[0034] 步骤四：控制机械臂将螺栓放入螺栓孔径中，安装设备。
[0035] 所述步骤三中根据螺栓两端的三维坐标计算螺栓当前位姿的方法为：
[0036] 通过激光定位模块确定螺栓两端位置的三维坐标分别为（X1, Y1, Z1)、（x2, y2, Z2)， 根据三维坐标及螺栓长度计算螺栓的位姿。
[0037] 所述根据三维坐标及螺栓长度计算螺栓的位姿的方法为：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 其中（X1, Y1, Z1)为螺栓顶端的三维坐标，（x2, y2, Z2)为螺栓尾端的三维坐标；L为 螺栓长度，α，β，γ分别为螺栓相对于X、Y、Z三个坐标轴正方向的偏角。
[0043] 本发明的有益效果：
[0044] 1、利用本发明的控制系统及控制方法，可以实现自动精确控制机械臂更换高压输 电线路中的跌落开关，利用目标跟踪模块跟踪定位带有标识信息的螺栓位置，进而控制机 械臂准确的识别螺栓位置并通过旋进或旋出螺栓实现跌落开关的自动更换。
[0045] 2、通过将螺栓顶端设置成锥形，便于将螺栓顶端深入到螺栓孔，即使螺栓的定位 存在几毫米的差别，仍能通过控制系统将螺栓深入到螺栓固定孔内，降低了将螺栓深入到 螺栓孔的难度。
[0046] 3、由于激光定位模块所获取到的螺栓极有可能丢失螺栓的螺纹所表现出的纹理 信息，因此在颜色标记的中间添加纹理信息。由此，摄像机所捕获到螺栓将体现出明显的颜 色信息与纹理信息，有利于螺栓的定位与跟踪。
【附图说明】
[0047] 图1为本发明系统结构示意图；
[0048] 图2为本发明机械臂结构示意图；
[0049] 图3为本发明螺栓顶端的加工示意图；
[0050] 图4为本发明螺栓两端标记示意图；
[0051] 图5为本发明螺栓纹理标记示意图；
[0052] 其中，1.机器人控制单元，2.机械臂控制单元，3.数据处理中心，4.激光定位模 块，5.目标跟踪模块，7.跌落开关，8.机械臂，9.带有标识信息的螺栓。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0054] 如图1-2所示，基于激光技术的线路跌落开关自动更换控制系统，其特征是，包 括：
[0055] 机器人控制单元1 :用于接收数据处理中心的数据并向机械臂控制单元发送控制 命令；
[0056] 机械臂控制单元2 :用于控制机器人的机械臂8通过旋紧或旋出带有标识信息的 螺栓9更换跌落开关7 ;
[0057] 激光定位模块4 :用于获取机械臂8前端的三维点云信息并将所述信息传送至数 据处理中心；
[0058] 目标跟踪模块5 :利用激光定位模块采集