高压输电线路除冰机器人抓线运动控制.pdfVIP

第 4 7卷第 9期 2 01 1年5 月 机械工程学报 J OUR NAL 0F MECHANI C AL E NGI NE E RI NG VO1 4 7 N O 9 M a y 201 1 DoI 1 0 3 9 0 1 J M E 2 0 1 1 0 9 0 0 8 高压输电线路除冰机器人抓线运动控制水 王 聪 孙 炜 湖南大学电气与信息工程学院长沙4 1 0 0 8 2 摘要 针对高压输电线路除冰机器人越障抓线过程中存在的对输电线缆定位困难的问题 提出一种基于输电线缆几何特征的 单目立体视觉定位方法 该方法根据输电线缆成像的边缘 输电线缆半径和摄像机成像模型 可以计算输电线缆中轴线在摄 像机坐标系下的数学表达式 从而对任意位姿的高压输电线缆进行精确的三维定位 在输电线缆准确定位的基础上 为了快 速地确定抓取输电线缆的准确位置并提高除冰机器人抓线运动控制实时性 提出一种基于除冰机器人机械臂结构特征的除冰 机器人抓线运动控制策略 该控制策略通过在机器人基坐标系下计算机械臂末端夹持器工作空间曲面与输电线缆轴线的交点 来确定抓取点 并同时计算抓取线缆时机械臂各个关节的期望位置 试验结果验证了所提视觉定位方法及抓线控制策略的有 效性 关键词 除冰机器人视觉定位抓线控制 中图分类号 T P 2 4 Li ne g r a s p in g Co n t r o l f o r t h e De ici ng Ro b o t o n Hig h Vo l t a g e Tr a n s mis s io n Li ne W ANG Co n g S UN W e i C o l l e g e o f E l e ct r i ca l a n d I n f o r ma t io n E n g i n e e r i n g H u n a n Un i v e r s it y C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 Ab s t r a ct T o s o l v e t h e v is u a l p o s iti o n i n g p r o b l e m o f t h e d e ici n g r o b o t wo r k in g O i l h i g h v o l t a g e t r a n s mis s i o n l i n e a mo n o cu l a r s t e r e o s co p ic v is u a l p o s i t io n in g me t h o d b a s e d o n t h e g e o me t r ica l f e a t u r e o f t h e t r a n s mi s s io n ca b l e is p r e s e n t e d On t h e b a s i s o f the e d g e o f t r a n s mi s s io n ca b l e i ma g e t h e r a d iu s o f t r a n s mi s s io n ca b l e a n d the c a me r a i ma g i n g mo d e l t h i s me tho d d e d u ce s the ma the ma t i c f o r mu l a o f t r ans mi s s io n ca b l e a x is u n d e r the ca me r a co o r d in a t e s y s t e m S O tha t the p r e ci s i o n 3 D p o s i t io n i n g o f t h e HV t r a n s mis s i o n ca b l e i n arb i t r a r y p o s e ca l l b e r e a l i z e d I n o r d e r t o s o l v e the d iffi cu l t y o f ca l cu l a t in g the l i n e g r a s p i n g p o in t an d me e t t h e r e a l t i me r e q u i r e me n t o f l i n e g r a s p i n g co n tro l a l i n e gra s p in g co n t r o l s ch e me b a s e d o n the me ch a n ica l s t r u ct u r e o f t h e d e i cin g r o b o t ma n ip u l a t o r is d e v e l o p e d By ca l cula t in g the in t e r s e ct i o n p o in t o f the t r an s mi s s io n ca b l e axis a n d the e n d e ffe ct o r wo r k s p a ce o f t h e d e ici n g r o b o t u n d e r d e ici n g r o b o t b a s e co o r d i n a t e s y s t e m t h is co n tro l s ch e me d e t e r min e s the c o o r d i na t e o f the l in e g a s p i n g p o i n t an d the d e s ir e d j o i n t ang l e s o f t h e d e i ci n g r o b o t manip u l a t o r B o th o f the v i s u a l p o s i t i o n i n g me tho d and the l i n e gra s p i n g co n t r o l s ch e me are v e r i f ie d b y e x p e r i me n tal r e s u l t s Ke y wo r d s De icin g r o b o t Vis u a l p o s it io n in g L in e gr a s p in g co n t r o l 0 前言 冰冻雨雪天气下的线路覆冰是造成高压输电 线路及设施损毁的一个重要因素 严重危害着电网 的安全运行和电力工人的人身安全 因此研究一种 具有自主导航能力的高压输电线路除冰机器人 l 具有重大的现实意义 本文设计的高压输电线路除 冰机器人是一种具有 自主导航能力的 自动化设备 与输 电线巡检机器人L 3 4 不 同的是 它不但要能够沿 国家科技支撑计划重点 2 0 0 8 B A F 3 6 B 0 1 教育部新世纪优秀人才计划 教技 2 0 0 7 1 7 0 号 和 国家 自然科学基金重点 6 0 8 3 5 0 0 4 资助项 目 2 0 1 0 0 7 0 7收到初稿 2 0 1 1 0 3 0 8收到修改稿 着输电线路行进和 自主越障 还要能够对高压输 电 线缆进行无损除冰作业 在除冰机器人越障过程 中 机器人的夹持器需要准确地完成 自主脱线和抓线动 作 因此对输电线缆进行精确定位就变得尤为重要 目前 机器人视觉因其能够获得丰富完整有效 的信 息 在焊 点识别p J 视觉伺服L 6 等诸多领域得 到广泛应用 同时也开始被应用到巡线机器人的线 缆定位 文献 7 采用傅里叶描述子构造了具有平 移 旋转 尺度缩放及起始点不变性的轮廓形状特 征矢量 实现了机器人驱动轮的识别 进而抽取图 像特征和估计驱动轮一相线在图像空间中的相对位 姿 并设计 了带有死 区的比例控制律来 实现 驱动 轮一相线 对中 视觉伺服控制 文献 8 结合输 电 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 1 年 5月 王聪等 高压输电线路除冰机器人抓线运动控制 9 线缆几何特征和摄像机成像原理提出了一种通过单 摄像机对输电线缆进行立体定位的算法 但是该定 位算法的前提是输电线缆必须平行于摄像机平面 不能对任意位姿的输电线缆进行精确定位 本文所提基于 输 电线缆几何特 征和摄像机成 像模型的输 电线缆视觉定位方法 可以对任意位姿 的输电线缆进行精确定位 同时 为了避免复杂的 机械臂逆运动学求解并提高除冰机器人抓线控制的 实时性 本文根据除冰机器人的结构特征和输电线 缆的几何特征提出了一种能够快速准确抓线的控制 策略 该视觉定位方法和控制策略都通过试验得到 了验证 1 除冰机器人越障抓线运动原理 1 1 越障抓线过程 所设计的除冰机器人采用三臂结构 即前臂 中臂和后臂 图 1 前臂和后臂的结构一样 其夹持 器上分别安装了一台高精度摄像机 图 1 除冰机 器人 自主越I漳抓线过程示意 图 机器人越障时需要前臂 中臂 后臂依次完成 脱线 行进和抓线动作 中臂的越障过程较之前 后臂相对简单 前臂和后臂夹持线缆后在机器人重 力 的作用下两臂间线缆被拉成直线 中臂首先上升 外摆 机器人向前移动待中臂越过障碍物后 中臂 通过两 组光 电传感器 的限位作用 回位 即可完成挂 线 此外 前臂和后臂的结构一致 因此本文只针 对前臂的抓线控制进行研究 当机器人检测 到前方一定距 离 内出现障碍物 时 机器人就停止前进并且后臂夹持器锁死装置锁 住线缆防止前臂越障过程中机器人在线缆轴线上继 续移动 然后前臂夹持器脱线 前臂下移并绕过障 碍物到达适当位置 由于输电线缆在 d 段距离内 可以看成是一段直圆柱体 前臂摄像机获取输电线 缆图像后可利用圆柱体的几何特征对输电线缆进行 精确定位 最后根据定位结果和所设计 的抓线运动 控制策略使前臂夹持器达到夹持位置重新夹持线 皇 I塑 离 像 I 凡 J 机器人 运动 l I学模型及手 f 蓦 RpL 圈 关 节位置 I l 伺 服控 制器l t 鉴于 目前对机器人关节位置伺服控制的研究 以日趋成熟 已能够很好地实现机器人各个关节的 精确伺服控制 所 以本文不再对其进行研究 而是 采用文 献 9 所提 出的鲁棒控制器来完成 除冰机器 人机械臂各个关节 的伺服控制 1 2 机器人前臂运动学模型及坐标变换 图 1中的除冰机器人前 后 臂采用 4 关节结构 连杆与机器人本体舱之 间以及各连杆之 间均采用旋 转关节联接 末端夹持器安装在机械臂末端 摄像 机与夹持器固联 采用 D e n a v it H a r t e n b e r g方法建立除冰机器人 前臂连杆坐标系及摄像机坐标系如图3 所示 其中 坐 标 系 O o x o y o z o O x ly l z l 0 2 x 2 y 2 z 2 0 3 x 3 y 3 z 3 0 4 x 4 Y 4 Z 4 0 5 x sy s z 5 0 6 x 6Y 6 Z 6 分别表示机械臂基坐标 系 关节 1 坐标系 关节 2 坐标系 关节 3 坐标系 关节 4坐标系 末端夹持器坐标系 摄像机坐标系 1 1 2 1 3 f 4 表示各个连杆的长度 1 5 和 f 6 为摄像机 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m lO 机械工程学报 第 4 7 卷第 9期 与前臂末端夹持器坐标系的相对位置参数 I 一 l Z5 图 3 除冰机器人前臂连杆坐标系及摄像机坐标系示意图 De n a v it Ha r t e n b e r g参数分别如下表所示 表机械臂运动学模型参数表 连杆扭角 连杆长度 轴心偏移量 关节扭角 a 1 a j i mm d i i l mm 一 1 根据 De n a v i t Ha r t e n b e r g方法 前臂的运动学模 型可 以表示为式 1 它与末端夹持器坐标系在前臂 基坐标系中的描述相同 摄像机坐标系在前臂基坐 标系 中的坐标变换可 以写成式 2 T 21 2 3 43 4 5 1 o r 2 1 2 3 3 4 4 5 5 6 2 式中 为坐标系 n到坐标系 m 的齐次变换矩阵 z 1 2 6 m O 1 5 2 视觉定位原理 本文根据针孔摄像机成像模型及输电线缆在 一 定范围内的类圆柱体特性提 出了一种依靠单 目视 觉对高压输 电线缆进行三维定位的方法 如图 4所示 坐标系 O cx cy cz c和坐标系 O i x L v i 分别为摄像机坐标系和成像平面坐标系 其中 D I 为成像平面原点位置 即光轴 z c 与成像平面 M A G E 的交点 X C 轴 轴分别与 X I 轴 轴平行 且 O cx cY c 平面与 D 平面之间的距离为摄像机焦距 厂 三 1 和 分别为通过摄像机坐标系中心 D C 且与输电线 缆两侧相切的两个不同平面 其交线分别为输电线 缆的两条边缘线 L 1 和 2 为输 电线缆的中轴线 根据小孔成像 的原理和 圆柱体成像 的性质可 以知 道 高压输 电线缆在成像平面所成像为 和 易 与 五M A G E的交线 1 和 2 及成像平面边缘所 围成的区 域 且 l和 2 分别为 1 和 2 在成像平面的投影 由于输 电线缆的半径 R 已知 并且 和 分别与 输电线缆相切 那么沿着 1 和 各 自的法矢量方 向往两平面内侧平移R的距离分别得到两相交但不 重合平面 1 和 它们的交线必定与输 电线缆中 轴线 重合 图4 单目立体视觉定位原理图 因此 可以通过 图像边缘提取后得到的直线 三 1 和 2 在图像平面的数学表达式推导出输电线缆中 轴线 在摄像机坐标系的数学表达式来实现输 电线 缆的视觉定位 2 1 输电线缆图像边缘提取 要对输 电线缆进 行视觉定位首先要提取 出输 电线缆的两条边缘线 并得到它们在摄像机成像平 面上的数学表达式 图 5 a为摄像机获取的输 电线缆的原始图像 图 像大小为 6 4 0 像素x 4 8 0 像素 将其转换为灰度图像 后采用 C a n n y算子提取输电线缆边缘 图5 b中白色 直线所示 然后 采用 H o u g h变换 1 叫 获得输电线缆两条边 缘直线 1 和 2 的参数 p 1 1 和 p r2 图 6最亮 的 白色部分所示 然后在摄像机图像坐标系 Ou v中用 直线的标准形式表示 L 1 和 2 为 U C O S I v s i n fl U C O S 2 v s i n fl2 3 4 O O 0 O O如 舢 0 o l 2 3 4 5 6 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 2 机械工程学报 第 4 7卷第 9期 乏 n yl2 x y2 蒌 尼 兰 兰 七c力 t4 式中 卜任意实数 l L 线 在摄像机坐标系的方向矢量 cI l L n y c n z c T L 线 在摄像机坐标系中的一个点 C T pL X c 0 Y c o z c o 3 除冰机器人抓线控制策略 由于直线 上可 以作为抓取点的位置点数量众 多 依靠解析法来获得机器人前臂夹持器到达抓取 点时的各关节量需要经过复杂的逆运动学求解L 1 而且存在奇异点 为了避免复杂的机械臂逆运动学 运算 提高除冰机器人抓线控制的实时性和稳定性 本文提出一种基于机械臂结构特征和输电线缆中轴 线直线特征选取夹持器抓线点的方法 并通过几何 法求取抓线动作中各关节的期望位置 0 如图 7 a 所示 除冰机器人夹持器通过 内部的夹 持轮来挂在输电线缆上 从图 7 b 7 c 可以看出 若 要使夹持轮成功挂线就要使夹持轮轴心部面与输 电 线缆轴线在同一平面 内 同时夹持轮凹面与输电线 路有贴合点 因此 要保证夹持器顺利夹持输电线缆需要具 备两个条件