基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置及方法与流程

本发明涉及无人值守变电站倒闸操作技术领域，具体是一种基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置及方法。

背景技术：

无人值守变电站遇到简单的倒闸操作，需要技术人员赶往现场操作、费时费力。郊区变电站分布广，需要维护工作量大，但是大多数只是简单的倒闸操作，维护人员赶往变电站路途时间大大超过倒闸操作时间。无人值守变电站采用人工定期巡检的方式去现场勘查、排除故障和分合闸操作，其运维难度大、劳动生产率低，引入倒闸操作机器人，不仅可以解决以上难题还可以提高操作安全性、创造更高的效益。相关的电力部门迫切需要完成远程倒闸操作机器人的研制，在不改变现有设备的基础上实现远程倒闸操作、节省人力物力、降低企业运行和管理成本。目前市场上没有同类产品。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置及方法，能够精确自动识别开关柜的操作孔位置，完成倒闸操作任务。

本发明采取的技术方案为：

基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置，包括：安装在行走小车上的xyz三轴平台，所述行走小车的支架上设有工业相机、背景灯，xyz三轴平台的z轴上安装有倒闸操作机构、激光发射器，所述倒闸操作机构、激光发射器相对位置固定且随着z轴移动；

该装置还包括设置在开关柜的操作孔附近的条形码。

基于机器视觉的开关柜自动倒闸方法，包括以下步骤：

步骤1：行走小车移动到需要操作的开关柜位置，xyz三轴平台处于原位。

步骤2：打开背景灯，工业相机摄取并识别条形码，确认需要操作的开关柜间隔；同时工业相机摄取开关柜的操作孔的图像，并识别操作孔在图像中的位置，计算操作孔中心在图像中的像素坐标值。

步骤3：关闭背景灯，打开激光发射器，工业相机摄取图像，识别激光发射器发射的激光点在图像中的位置，计算该激光点在图像中的像素坐标值。

步骤4：将工业相机摄取的操作孔图像和激光点图像合并，由于这两幅图像在同一距离、同一位置拍摄，因此图像处理算法获得的操作孔像素坐标和激光点像素坐标，即为控制xyz三轴平台运动的原始数据。

步骤5：由于安装在z轴上的倒闸操作机构、激光发射器相对位置固定，根据工业相机获得的图像，经过图像处理算法得到的激光点像素坐标值与操作孔的像素坐标值，经过坐标标定，能够得到实际xy坐标值，控制x、y轴运动到操作位置，倒闸操作机构对准操作孔插入孔中完成倒闸操作。

本发明一种基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置及方法，技术效果如下：

1）：行走小车允许±10mm位置误差和车身主轴线与开关柜面板±5°的不平行误差；开始操作前，小车在需要操作的开关柜前停止，xyz轴位于原位。

2）：打开光源，工业相机识别开关间隔上的条形码，再次确认需要操作的开关柜。同时工业相机识别开关柜工作状态，断路器断开时允许进行倒闸操作；否则退回原位。

3）：打开光源，工业相机摄取操作孔图像，识别操作孔在图像中的位置，计算操作孔中心在图像中的像素坐标值。

4）：关闭光源，打开激光发射器，工业相机摄取图像，识别激光点在图像中的位置，计算该激光点在图像中的像素坐标值。

5）：将工业相机摄取的操作孔图像和激光点图像合并，由于这两幅图像在同一距离、同一位置拍摄，因此图像处理获得的操作孔和激光点像素坐标就是控制xyz轴运动的原始数据。根据工艺相机获得的图像经过图像处理算法得到的激光点与操作孔的像素坐标值，经过坐标标定可以得到实际xy坐标值，控制xy轴运动到操作位置；操作装置对准操作孔时，误差小于±0.5mm，满足倒闸操作需求。

6）：激光点与倒闸操作装置位置相对固定，从而确保操作孔与倒闸操作装置相对位置，操作装置根据相对位置进行移动，从而对准操作孔可以完成倒闸操作。

附图说明

图1为开关柜的操作孔、条形码位置设置示意图。

图2（1）为操作孔、激光点位置示意图；

图2（2）为激光点、条形码位置示意图。

图3（1）为倒闸操作机构、激光发射器俯视安装示意图；

图3（2）为倒闸操作机构、激光发射器主视安装示意图.

图4为本发明倒闸装置结构示意图。

图5为本发明倒闸流程图。

具体实施方式

如图1、图2（1）、图2（2）、图3（1）、图3（2）、图4所示。基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置，包括：安装在行走小车1上的xyz三轴平台2，所述行走小车1的支架3上设有工业相机4、背景灯5，xyz三轴平台2的z轴上安装有倒闸操作机构6、激光发射器7，所述倒闸操作机构6、激光发射器7相对位置固定且随着z轴移动。

所述开关柜为kyn开关柜，kyn开关柜为铠装式手车开关柜，主要用于发电厂、中小型发电机送电、工矿企事业配电及电业系统的二次变电所的受电、送电及大型高压电动机起动等。实行控制保护、监测之用。

如图4所示，xyz三轴平台2采用龙门结构，x轴为水平方向，y轴为垂直方向，x轴可以随着y轴上下运动；z轴安装在x轴滑块上，倒闸操作机构6安装在z轴上，因此倒闸操作机构6可以实现水平方向、垂直方向和前后运动。

工业相机4采用大恒有限公司型号为mer-132-30uc-l，镜头型号为m2514-mp。

背景灯5采用大恒有限公司环形光源。

倒闸操作机构6包括定扭矩电动扳手，倒闸操作时，事先设定好扭矩最大值，保证即使出现异常情况时，倒闸操作机构6也不会损坏kyn开关柜。

激光发射器7为不可见光激光模组，功率100mw，近红外点状激光头780nm，带支架3。

该装置还包括粘贴在开关柜的操作孔8附近的条形码9。

如图5所示，基于机器视觉的开关柜自动倒闸方法，包括以下步骤：

步骤1：行走小车1移动到需要操作的开关柜位置，允许±10mm位置误差和行走小车车身主轴线与开关柜面板±5°的不平行误差。开始操作前，行走小车1在需要操作的开关柜前停止，xyz三轴平台2位于原位。

步骤2：打开背景灯5，工业相机4摄取并识别条形码9，确认需要操作的开关柜间隔；同时工业相机4摄取开关柜的操作孔8的图像，并识别操作孔8在图像中的位置，计算操作孔8中心在图像中的像素坐标值。具体是通过vc++及opencv编写上位机代码，计算出操作孔8的像素坐标值。

步骤3：关闭背景灯5，打开激光发射器7，工业相机4摄取图像，识别激光发射器7发射的激光点在图像中的位置，计算该激光点在图像中的像素坐标值，如图2（2）激光点①所示位置。具体是通过vc++及opencv编写上位机代码，计算出激光点的像素坐标值。

步骤4：将工业相机4摄取的操作孔8图像和激光点图像合并。由于这两幅图像在同一距离、同一位置拍摄，两幅图像的像素大小完成一致，分别计算操作孔8和激光点坐标值，这样处理的结果与将两幅图像看做一幅图像，计算出的两个目标点操作孔和激光点的坐标值完全一致。因此图像处理算法获得的操作孔像素坐标和激光点像素坐标，即为控制xyz三轴平台2运动的原始数据。

步骤5：由于安装在z轴上的倒闸操作机构6、激光发射器7相对位置固定，根据工业相机4获得的图像，经过图像处理算法得到的激光点像素坐标值与操作孔的像素坐标值，经过坐标标定，能够得到实际xy坐标值，控制x、y轴运动到操作位置，倒闸操作机构6对准操作孔8插入孔中完成倒闸操作。误差±0.5mm，激光点到达如图2（1）所示激光点②所示位置。

所述激光点与倒闸操作机构6的x方向距离为lx，y方向距离为ly，激光发射器7一旦安装固定，这两个值是固定不变的；通过图像识别、图像处理计算，获得操作孔8坐标为x1，y1；激光点坐标为x2，y2；则xyz三轴平台2在xy方向分别移动（lx-（x2-x1）），（ly-（y2-y1））。具体是通过vc++及opencv编写上位机代码进行图像处理、图像识别算法，计算出操作孔8和激光点像素坐标值。经过坐标变换，得到实际的xy坐标值，参数传送到xyz三轴平台2的运动控制器，嵌入式工业计算机控制xyz三轴平台2的运动控制器，完成xyz三轴定位操作。

所述工业相机4摄取操作孔8图像，为打开背景灯5后拍摄的图像；工业相机4摄取激光点图像，为关闭背景灯5后拍摄的图像，工业相机4拍摄位置为同一位置，工业相机4摄取操作孔8图像和工业相机4摄取激光点图像，重合在一个平面直角坐标系xoy。

所述操作孔8与激光点构建在一个平面直角坐标系xoy中，用激光点确定操作孔8的相对位置，且激光点与倒闸操作机构6位置固定，从而确定操作孔8与倒闸操作机构6相对位置，倒闸操作机构6根据相对位置进行移动，从而对准操作孔8。

本发明一种基于机器视觉的开关柜自动倒闸装置，控制核心为嵌入式工业计算机（简称工控机）。远程操作命令通过内部以太网传送到倒闸操作室电脑，加密后通过无线模块发送，开关柜自动倒闸装置的工控机接收无线数据指令，控制行走小车1的驱动器运动到需要操作的开关间隔。