基于单目视觉孔销精确定位方法及误差分析

发布时间：2020-05-28 13:30

【摘要】：论文针对一种应用于智能变电站隔离断路器连接金具带电装拆机器人视觉精确定位的相关算法、误差分析以及标定方法等展开分析研究。隔离断路器连接金具带电装拆过程可以简化为孔销装配与拆卸作业,但区别于传统的孔销装拆作业,隔离断路器金具工作环境位于户外,且一般作业高度为5-6米,且其作业过程必须是在110kV带电环境下作业,因而对视觉系统的作业流程、算法、标定过程以及可靠性等,均提出极大的挑战。论文主要研究内容包括:(1)针对适用于智能变电站隔离断路器连接金具带电装拆的孔销装配作业流程,对包括相机、镜头和光源的孔销精确定位系统进行详细方案设计与选型计算,并根据室外光照条件多变的限制和高压强电磁干扰安全距离的要求,对遮光以及等电位系统进行结构设计,以满足视觉系统等电位作业工艺需求。(2)针对单双臂机器人系统的视觉标定,研究单机器人标定以及双臂机器人基坐标系相对位姿自动化标定算法与流程,建立单机器人标定得到相机内部参数和相机坐标系与机器人工具坐标系相对关系矩阵以及双臂机器人基坐标系相对关系矩阵,并对标定可能的误差展开分析研究,以满足高空孔销装拆的精确位姿定位需求。(3)针对视觉定位特征图像的设计,对以平面的单射性为前提的点、线、图形视觉定位特征展开对比分析,并基于定位位姿精度需求,设计等距异构三圆特征方案,并对特征图像的有效性展开分析验证。(4)针对面向孔销配合的单目视觉算法,设计了图像识别算法,包括基于Otsu法的阈值分割、Canny算子边缘提取,得到椭圆轮廓后进行拟合,通过三点成一面的原理重构了相机坐标系下的特征坐标系,将结果直接转换到其在机器人基坐标系下的位姿。为了提高算法精度,又设计了基于像素空间的调整方法,排除了光轴方向计算不准带来的误差。当销松紧任务完成后,将定位结果转换为执行孔任务的机器人应到达的位姿。针对能否标定得到双机器人基坐标系关系的两种情况,设计了两种位姿变换方法,基坐标系关系直接求解法和预标定相对变化法。最后讨论了视觉定位的可能误差来源。(5)本文对相机标定和视觉定位过程中可能的误差来源进行了实验验证,并对相机的拍照角度、姿态对计算结果影响及视觉算法的收敛性以及不同光照条件下对图像识别算法的精度等展开实验对比验证分析,证明了视觉算法的准确性和鲁棒性。
【图文】：

模型图,作业对象,模型,带电作业

本课题研究的基于单目视觉孔销精确定位方法针对孔销精确定位、孔销提出算法，应用于智能变电站隔离断路器带电自动检修平台，其工作条高空、110kV 高压强电磁干扰、室外未知光照、未知孔销位姿。因此法的设计除了要适应一般的孔销定位问题，还需要针对复杂工作环境进由于电气设备位于高压变电站中，由人工进行不断电手动操作危险性非需要研制机器人来进行带电作业。在世界范围内，带电作业机器人的研以追溯到 20 世纪 80 年代初。日本从 1984 年开始分别研制出了三代带人，其中新一代全自主机器人采用了视觉定位系统来对作业过程进行辅在 1985 年研制出了由液压驱动的人工遥控机器人；加拿大、法国、西也在 20 世纪 90 年代获得了相关成果[1][2]。我国带电作业机器人研制起步较晚，目前研制的带电作业机器人仍需要人工进行遥控，自动化程度较低[3]。因此，尽快研制出以视觉定位为核带电检修机器人，不仅能够提高供电可靠性、保障经济效益，同时也是科技实力的一种方式[4]。

架构图,视觉系统,软件功能,架构

图 2-6 视觉系统软件功能架构Fig.2-6 Framework of software functions of vision system关内容软件基于 Halcon 处理软件，，该软件的函数库算子可a 等格式；与系统集成的语言选择 C#。小结计了适用于智能变电站隔离断路器连接金具带电装拆的孔销硬件和软件部分。硬件部分的设计根据机器人系统的工作任般的视觉系统基础之上进行了优化，设计出适合于室外未知扰下的系统；随后根据物理参数对所需相机、镜头和光源进适合于该视觉定位系统所需功能的软件，包括标定用软件和
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242;TM63

【参考文献】