沿输电线路地线行驶巡检机器人定位方法
第44卷第4期2011年8月工学版)武汉大学学报(
EnineerinJournalofWuhanUniversit ggy
Vol.44No.4
.2011Aug
()文章编号:16718844201104051105---
沿输电线路地线行驶巡检机器人定位方法
李维峰1,付兴伟2,徐显金2,吴功平2,刘明3,曹琪3
(北京 1湖北武汉 41.华北电力大学电气与电子工程学院,02206;2.武汉大学动力与机械学院,30072;
)吉林白山 13.吉林省电力公司白山供电公司,34300
摘要:针对作者所在团队研制的沿输电线路地线行驶的巡检机器人,分别提出了基于倾角传感器、GPS和线路先
验信息模型G机器视觉、超声波测距传感器和霍尔接IS的全局环境定位方法和基于行走轮编码器及其打滑识别、给出了机器人定位的相关模型或算法.经现场线路试验研究表明,该方法行之近传感器的局部环境定位方法,有效.
关键词:巡检机器人;地线;全局环境定位;局部环境定位中图分类号:TP242 文献标志码:A
Positionininsectionrobotalonround gpgg
ofhihvoltaetransmissionlineswire - gg
122233
,WU LIWeifenFU XinweiXU XianinGoninLIU MinCAO Qi , g,gjgpg,g,
(,N,;1.SchoolofElectrical&ElectronicEnineerinorthChinaElectricPowerUniversitBeiin102206,China ggyjg
,Wu,Wu;2.SchoolofPowerandMechanicalEnineerinhanUniversithan430072,China ggy,,,)3.BaishanPowerSulComanJilinElectricPowerCo.Ltd.Baishan134300,China ppypy
:roundAbstractOnthebasisofinsectionrobotalonwireofhihvoltaetransmissionlineswhichwas - gpggg ,roosedlobalositioninresearchedbtheteamtheauthorsbelonedtoresectivelenvironment ppgpgygpy ,GwhichriorartialositiobasedontiltsensorsPSandGISlineinformationmodel,andenvironment - -ppp
,m,ninonthebasisoftheencodersandskidreconitionofwheelsachinevisionultrasonicdistancesen -gg sorsandHallsensors.Therelevantmodeloralorithmarefortherobotroximitresentedositionin. gpyppg fieldexeriencesthattheaboveentionedmethodiseffective.rovedThe -m pp
:;;;Kewordsinsectionrobotwireenvironmentenvironmentroundlobalositioninartialositionin pggpgppgy 基于移动机器人的架空高压输电线路 近几年来,
带电巡检与作业机器人的研究,已成为特种作业机器人的一个新的应用研究领域,而定位则是自主巡检机
[]器人中的关键技术之一.加拿大Kristoher等1-2研p
]4
等[研制了E但不具备自主CO)xliner巡检机器人,p]56-
定位功能.中科院沈阳自动化所王洪光等[研制了
沿架空地线行驶的局部自动巡检机器人,是在机械手部的最下端安装开关型激光传感器和在机械臂上安装摄像头,前者用于检测手部是否对准了地线,后者用于机械手抓线的视觉伺服控制,但不具备自主定位
]7,8功能.武汉大学吴功平等[研制了一种沿导线行驶
制了名为L该机器人是由ineScout带电作业机器人,地面操作人员通过视频图像的观察,实现机器人相对
[]
障碍物的定位.加拿大的Peters等3用多距离传感器
对同一个障碍物进行测距,并用神经网络方法对障碍日本关西电力公司(物分类及定位进行了探讨.KEP-
的自主巡检机器人,该机器人通过布置在机械臂上的实现多个电磁传感器来检测导线和障碍物磁场强度,
收稿日期:20110325--
,作者简介:李维峰(男,研究方向为电气工程自动化.1990-),:通讯作者:付兴伟(男,硕士研究生,研究方向为移动机器人的导航与控制,1987E-maillaofuxinwei26.com.-)@1g
)基金项目:国家8编号:63计划资助项目(2006AA04Z202.
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武汉大学学报(工学版)
第44卷
对障碍物的识别与定位,但该定位方法只适用于带电而不适用于不带电的地线.的导线,
本文以笔者所在团队研制的一种沿架空地线穿采用G越越障巡检机器人为例,PS和线路先验信息对机器人进行全局环境定位;采用超声波测距GIS,传感器、霍尔接近传感器和机器视觉等,对机器人进行局部环境定位.由于所采用的定位传感器只依赖而与电磁场环境无关,因而,本于线路的机械结构,
文提出的定位方法同样也适用于沿导线行驶巡检机器人的定位.
单/多回路导线、两根地线,以及与导线和地线相连绝缘子等组成.巡检机器人沿其中的接的各种金具、
一根地线行驶,并在行驶过程中完成对线路的巡检图1所示为巡检机器人及其作业环境的示意巡视.
…,图.在图1(中:为杆塔编号;a)Ti=1,2,n)i(
,,TDii+1、ii+1分别为相邻两杆塔所组成的档段编号
及其档距;,Sii+1为巡检机器人当前位置相对已巡检
杆塔的粗略距离;di为巡检机器人当前位置相对已巡检杆塔Ti的距离;di+1为巡检机器人当前位置相对前方障碍物的距离;d0为巡检机器人相对障碍物()的零距离.图1为巡检机器人当前位置的三相单b回路线路及地线的横截面图
.
1 巡检机器人及其作业环境
高压输电线路是由直线杆塔、耐张杆塔、三相
图2 巡检机器人本体
2 巡检机器人全局环境定位
全局环境定位的基本方法是:用倾角传感器检测机器人是否通过杆塔(由于地线是悬链线,在杆塔两侧的地线形成不小于3倾角的坡度,且两侧倾角°
第4期
李维峰,等:
沿输电线路地线行驶巡检机器人定位方法
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3 巡检机器人局部环境定位
3.1 基本方法
在图3中,巡检机器人的局部环境定位及其导航的基本方法如下:
)由行走轮和压紧轮编码器及其打滑误差补1偿算法,估算机器人当前位置相对已巡检杆塔的距
1离d并由d来粗略估算机,Ddli,i+1=(ii+1-i+i+1)
器人相对防震锤障碍物的距离(,Dlii+1、i+1均由全局;环境定位给出)
)由于全局环境给出的D,2lii+1、i+1的误差相对较大,进一步用机器视觉在正常行驶速度下来直接估
21算与防震锤障碍物的距离d即若d8+ΔΔi+1,i+1=1(1
为编码器的最大测距误差)时,启动摄像机为视觉工
2作模式,并由机器视觉估算与防震锤的距离di+1;2
)当5≤d机器人转入中速行驶(38时,2i+1≤/);启动超声波测距、机器视觉和霍尔接近传感kmh
器三者同时工作模式,若超声波传感器也检测到防3震锤且测距值为d则机器视觉停止工作,转入到i+1,3
同时,当超声波测距d巡检工作模式,2m时,i+1=
/,机器人再转入低速行驶(直到霍尔传感0.5kmh)器接近开关动作,机器人停止运行并定位在相对障碍物防震锤的零距离位置d由此可见,巡检机器0.是一个由粗到细、且各定位传感器人局部环境定位,
相互补充的过程,从而避免了用单一传感器定位带甚至不能实现最终准确定位等来的过大定位误差,
问题,如编码器测程定位的打滑误差及其全局环境机器视觉在野外复杂背景和光照变化下定位误差,
的距离估算误差,以及超声波传感器在正常行驶速度下所产生的抖动引起的误差及其盲区.
3.2 行走轮打滑补偿的编码器测距
以图4所示一个机械臂为例,rωω11、12和r11、12分别为行走轮(主动轮)和压紧轮(从动轮)的瞬时角
()1B式中:N为该点的卯酉圈曲率半径,N=
22
/a-esinBa、e分别为该大地坐标系的长半2222
)/轴和第一偏心率e=(a-ba.
速度和半径.当ω行走轮产生打rrω12×12<11×11时,滑,即
1211
=k<rω1112
式中:k为行走轮和压紧轮的轮径比.
()3
设行走轮在当前档段的第j次打滑开始的时间为t打滑消除的时间为t则第j次打滑所产生的1,2,行程误差为
)由式(分别得到巡检机器人在T1i级杆塔处和在T,ii+1档段当前位置的直角参考坐标系的坐标分别,为(和(则机器人当前位置相对xzxzyyi,i,i)1,1,1):已巡检杆塔T忽略导线挠度),i的距离Sii+1为(
,Sii1=+
222222()i+yi+zi-1+y1+z1)2(sj=
∫ω
t1
t2
11
dt×r11
设机器人从T 如图1,i杆塔零时刻开始行驶,
,行驶到当前位置的时间为t则机器人当前位置相
对Ti杆塔的行程为
di=
ω
∫
0
t
m
11
()tdt-∑s×r11j
j=1
()4
式中:机器人当前位置相对运行m为打滑的总次数.前方第一个障碍物的距离为
1
,dDli1=(ii1-di+i1)+++
1di+1即为机器人当前位置相对运行前方第一个障碍
该距离信息用于触发摄像机处于机物的估算距离,器视觉工作模式.
根据上述原理,本文设计了基于行走轮编码器位置检测、压紧轮滚动光电检测及其打滑识别的行图5所示为其原理框图.图中,安装程距离估算器,
在行走轮直流伺服电机轴上的光电编码器,通过伺服驱动器将其位置和旋转方向送入控制器相应的/安装在压紧轮上的转盘和安装在其固定IO端口;
支架上的光电传感器,其光电信号也送入控制器相/应的I但控制器只能对压紧轮的位置计O端口,而不能获取方向信号
.数,
图7
防震锤在光轴上方时测距几何模型
图8 防震锤在光轴下方测距几何模型
图5 行走轮打滑补偿的编码器测距结构简图
分别建立上述两种测距几何模型的测距公式:)防震锤在光轴上方():图71
3.3 机器视觉定位
数字图像由计算机内的存储器存放,通过数字图像处理只能获得目标点在计算机内存中的坐标,,称之为帧存坐标(单位是像素,如图6所示.u,v)在帧存图像的中心(处,建立像平面坐标uv0,0)
,其坐标原点(为帧存图像的中心x,0,0)y)(
p=y=v-v0>0
h1
(tanθ+α)=
D
rα=p×rc+op
其中:rro是摄像机内部参数.c、p
)—()联立式(可得57/{}D=htanrθ+(p×rc+1o)p
)防震锤在光轴下方():图8 2
()5()6()7
uv.0,0)(
,对于像平面中x轴上方一点A 其在xy1,1)(帧存图像中纵坐标为v1,离帧存图像中心
的像素距离为p则有puvvvy0,0)1,1=1=1-0
>(
()8()9
p=-y=v-v0<0
1
(tanθ-α)=
D
)、()、()可得7910 联立式(/{}D=htanr-p×rθ-(1c+o)p
()10
()11
其中:p为防震锤位置中心在图像中的投影离图像中心的像素个数;即光轴与θ为摄像机俯仰角度,水平面夹角;α为防震锤位置中心投影线与光轴夹角;弥补对rrc为单个像素的弧度;o为弧度补偿(p;齐错误)hD为防1为防震锤与摄像机垂直距离;(震锤与摄像机水平距离;为光轴与像平面的0,0)交点、像平面坐标系的原点,位于帧存图像中心(处;为防震锤位置中心在像平面上uvx,y)0,0)(
的投影坐标.
该距离信息触发机器人中D即为图1中的di,
的超声波测距离传感器和霍尔接近传感器处于工作并由超声波测距离传感器检测到的距离为2模式,
触发机器人低速行驶,从而最终实现由霍尔m时,
接近传感器对障碍物(防震锤)进行准确定位.
可行性.参考文献:
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图9 巡检机器人定位现场试验运行
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ICMA2009,InternationalConferenceon2009:2014 -2020.
[]肖晓晖,肖华,等.架空高压输电线路巡线机8 吴功平,
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图10 机器视觉定位
巡检机器人上的成功运用证明了该方法的有效性和
4 现场运行试验
试验目的:验证本文提出的全局定位和局部定位方法的有效性.
试验条件:吉林省电力有限公司白山供电公司管辖的220kV白水线的7~11号杆塔,全程大约3其余为直线塔,地线型号km.10号杆塔为耐张塔,为GJ50.-
试验过程:图2所示的巡检机器人在吉林白山图供电公司管辖的线路上进行了机器人定位试验,图19所示为巡检机器人的试验图片,0所示为机器视觉定位结果图片.
试验结果表明,本文提出的定位方法是有效的
.
5 结束语
目前,自主巡检机器人的定位技术已经成为制约其发展的一个关键性技术,已有的定位方法存在着许多不足,难以适应自主巡线机器人发展的需要.本文提出了新的定位方法,并通过
在其团队研制的