基于CANNY算子的輸電線路移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人視覺定位控制

張 安，李紅軍，江 維，嚴(yán) 宇，劉雪強(qiáng)

（1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖南省電力有限公司 檢修公司，湖南 長沙 410009；3.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010）

0 引言

帶電作業(yè)[1-5]是在高壓電氣設(shè)備上不停電進(jìn)行檢修、測(cè)試的一種作業(yè)方法，其對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，確保穩(wěn)定供電具有極其重要的意義。用帶電作業(yè)機(jī)器人代替工人進(jìn)行帶電作業(yè)，不僅能夠徹底消除工人等電位作業(yè)的安全隱患，還能大幅度提高作業(yè)效率，是電力系統(tǒng)自動(dòng)化巡檢的發(fā)展趨勢(shì)。耐張線夾引流板螺栓緊固是帶電作業(yè)的重要內(nèi)容之一，由于跳線常年受風(fēng)載荷作用，耐張線夾引流板螺栓易發(fā)生松動(dòng)[6-9]。螺栓松動(dòng)之后其接頭處電阻變大，導(dǎo)致溫度大幅上升，如不及時(shí)解決，不僅產(chǎn)生電能損耗，而且會(huì)對(duì)輸電線路以及金具耐久性產(chǎn)生惡劣影響，甚至造成停電事故。傳統(tǒng)解決方法是帶電作業(yè)工人登塔等電位作業(yè)，人工將螺栓擰緊，此種方法作業(yè)效率較低，緊固效果因人而異，幵且對(duì)工作人員的人身安全有較大風(fēng)險(xiǎn)。有關(guān)帶電作業(yè)機(jī)器人的研究工作日本九州公司[10]研制一種帶電作業(yè)升降平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)承載工作人員等電位作業(yè)，但其主要用于配電網(wǎng)，不適用于高壓輸電線路。加拿大魁北克電力研究所[11]研究的LineScout機(jī)器人可以搭載多種末端工具在輸電線路上實(shí)現(xiàn)線路暫時(shí)束緊、防震錘螺栓緊固等功能，由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，幵不能滿足耐張線夾螺栓緊固所需位姿要求。國內(nèi)山東電科院[12]研究的帶電作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)和相應(yīng)的作業(yè)工具，操作人員在絕緣斗內(nèi)進(jìn)行操作，其所具有的功能包括線路的帶電切斷、接引、帶電更換絕緣子等，但該樣機(jī)僅適用于10 kV及以下的電壓等級(jí)，難以適應(yīng)實(shí)際輸電線路高電壓的要求。

綜上所述，雖然帶電作業(yè)機(jī)器人研究已經(jīng)有所進(jìn)展，但是在高壓輸電線路耐張線夾引流板螺栓緊固作業(yè)方面研究十分稀少，在引流板柔性作業(yè)面上耐張線夾螺栓緊固機(jī)構(gòu)位姿控制、作業(yè)末端與螺栓螺母對(duì)準(zhǔn)定位以及自適應(yīng)控制是該項(xiàng)作業(yè)所需攻克的重點(diǎn)問題，當(dāng)前此項(xiàng)定位控制技術(shù)大多是基于視頻交互的手動(dòng)調(diào)節(jié)，需要人工干預(yù)對(duì)準(zhǔn)作業(yè)過程，雙機(jī)械手聯(lián)動(dòng)控制粗定位技術(shù)在一定程度上提高了作業(yè)效率，但幵不能最終解決機(jī)器人作業(yè)末端與作業(yè)對(duì)象的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)接定位問題?；谏鲜龇治霰疚奶岢隽艘环N基于改進(jìn)Canny算子[13-15]的機(jī)械手末端與螺栓螺母自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)定位控制算法，較常規(guī)人工手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)控制在提高機(jī)器人作業(yè)效率的同時(shí)還進(jìn)一步提高其定位的精度。

1 帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境及機(jī)器人實(shí)體結(jié)構(gòu)

1.1 帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境

如圖1所示為高壓輸電線路耐張桿塔圖，耐張線夾位于輸電線路與跳線連接處，引流板及螺栓模型圖如圖2所示。由于在耐張桿塔處線路的轉(zhuǎn)角、桿塔的型號(hào)等因素不同，導(dǎo)致引流板與垂直面之間夾角產(chǎn)生差異，因此在一定程度上給機(jī)器人的作業(yè)控制帶來一定難度。

圖1 高壓輸電線路耐張塔示意圖

圖2 引流板模型圖

1.2 帶電作業(yè)機(jī)器人的實(shí)體結(jié)構(gòu)

帶電作業(yè)機(jī)器人由奇偶兩個(gè)行走臂、兩個(gè)機(jī)械臂1和機(jī)械臂2兩個(gè)作業(yè)臂、控制箱組成。其中行走臂具有夾緊機(jī)構(gòu)，能夠在線路上行走及定位；機(jī)械臂1由下而上由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)、縱移關(guān)節(jié)組成，機(jī)械臂2由下而上由橫移關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮關(guān)節(jié)、縱移關(guān)節(jié)組成。兩個(gè)作業(yè)臂在線路上作業(yè)時(shí)都有足夠裕度，使其能滿足帶電作業(yè)機(jī)器人的空間作業(yè)要求。

圖3 螺栓緊固帶電作業(yè)機(jī)器人實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

擰螺栓作業(yè)末端通過燕尾槽固定在作業(yè)臂縱移關(guān)節(jié)上。安裝于作業(yè)臂2的作業(yè)末端有大功率電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)螺栓緊固。末端采用六角套筒扳手形式，以確保套筒與螺栓接觸面足夠大；末端采用內(nèi)設(shè)復(fù)位彈簧的虎克鉸，能夠適應(yīng)耐張線夾螺栓一定角度的位置，減小緊固螺栓時(shí)對(duì)末端產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。螺栓緊固帶電作業(yè)機(jī)器人實(shí)體圖如圖3所示。

2 機(jī)器人螺栓緊固作業(yè)流程及機(jī)械手末端位姿定位控制方法

2.1 螺栓緊固作業(yè)流程

如圖4所示，機(jī)器人進(jìn)行耐張線夾螺栓緊固作業(yè)時(shí)，作業(yè)機(jī)械手也需要在機(jī)器人行駛過程中由初始姿態(tài)運(yùn)動(dòng)至工作姿態(tài)，待前輪位于耐張線夾正上方時(shí)，完成對(duì)耐張線夾的初定位；而后進(jìn)行螺栓固定操作，對(duì)機(jī)械手1的旋轉(zhuǎn)及伸縮關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使螺栓固定裝置的內(nèi)六角套筒與螺栓頭同軸心，隨之將機(jī)械手1的縱移關(guān)節(jié)靠近螺栓頭，直至將螺栓頭壓住，以限制其轉(zhuǎn)動(dòng)；接著進(jìn)行擰螺母操作，對(duì)機(jī)械手1的橫移旋轉(zhuǎn)及伸縮關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使螺栓固定裝置的內(nèi)六角套筒與螺栓頭同軸心，隨之將機(jī)械手2的縱移關(guān)節(jié)靠近螺母，直至將螺母完全套住，擰螺母裝置電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行螺母的擰緊；當(dāng)機(jī)器人完成一套螺栓組件的緊固工作后，擰螺母裝置以及螺栓固定裝置分別由機(jī)械手 1、2縱移裝置攜帶至外限位，進(jìn)行下一個(gè)螺栓緊固作業(yè)。帶電作業(yè)機(jī)器人螺栓緊固作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人螺栓緊固作業(yè)流程

2.2 基于機(jī)器視覺的機(jī)械手末端空間位姿定位方法

帶電作業(yè)機(jī)器人奇臂行走輪定位到壓接管后，雙機(jī)械手可協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)開始作業(yè)。在螺栓緊固作業(yè)中，擰螺栓作業(yè)末端需與螺栓實(shí)現(xiàn)完全對(duì)接之后才能進(jìn)行螺栓緊固工作，對(duì)接對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器空間位姿要求極高，首先套筒中心點(diǎn)在對(duì)接時(shí)須與螺栓內(nèi)六角中心點(diǎn)重合，或者說套筒中心點(diǎn)在螺栓中心線上，這是套筒能夠套住螺栓的必要條件，然后套筒內(nèi)六角面須與螺栓六角面平行，才能夠控制縱移關(guān)節(jié)內(nèi)移，完成對(duì)接任務(wù)，對(duì)接成功后擰螺母機(jī)構(gòu)可以開始執(zhí)行擰螺母操作。為了實(shí)現(xiàn)套筒與螺栓的準(zhǔn)確對(duì)接，在螺栓套筒與螺栓軸之間安裝有十字聯(lián)軸器，可進(jìn)行角度的微調(diào)。為了全方位地觀察螺栓固定裝置與螺栓的相對(duì)位姿，在固定螺栓裝置箱體上安裝有2個(gè)呈垂直角度布置的攝像頭。擰螺母裝置與螺栓固定裝置結(jié)構(gòu)相似，多了一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)軸與擰螺母套筒之間也安裝有十字聯(lián)軸器，可以實(shí)現(xiàn)套筒與螺母的準(zhǔn)確對(duì)接。

3 機(jī)器人末端套筒中心識(shí)別與自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)接控制方法

3.1 Canny算子及其改進(jìn)圖像邊緣檢測(cè)算法

Canny算子圖像邊緣檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)過程主要包括四步：

STEP1：圖像平滑處理。一般可利用（1）式高斯函數(shù)G(x)構(gòu)造濾波器，按行、列對(duì)待處理圖像f(x,y)進(jìn)行卷積運(yùn)算后得到待處理圖像的平滑圖像I(x,y)，（1）式中σ是高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，其作用是控制圖像平滑程度。

STEP2：計(jì)算圖像梯度幅值和方向。計(jì)算平滑后圖像I(x,y)的梯度幅值M(x,y)和梯度方向H(x,y)，其中梯度幅值為（2）式，梯度方向?yàn)椋?）式。kx、ky分別為圖像I(x,y)被濾波器fx、fy行列檢測(cè)后的結(jié)果。

STEP3：對(duì)圖像梯度和幅值進(jìn)行非極大值的抑制。非極大值抑制其目的是尋找I(x,y)中所有可能的邊緣點(diǎn)，其基本原理為利用 3×3 的鄰域作用在梯度幅值陣列M(x,y)的所有點(diǎn)上，若鄰域中心點(diǎn)的梯度幅值 M(x,y)較沿梯度方向上的兩個(gè)相鄰點(diǎn)的幅值大，則將當(dāng)前的鄰域中心點(diǎn)認(rèn)定為可能的邊緣點(diǎn)，否則將M(x,y)賦值為零，認(rèn)定為非邊緣點(diǎn)。

STEP4：雙閾值方法檢測(cè)和邊緣連接。雙閾值算法是對(duì)經(jīng)非極大值抑制的圖像使用高、低兩閾值進(jìn)行分割處理，得到兩閾值的邊緣圖像，再用遞歸跟蹤算法，不斷搜索邊緣，直到將所有邊緣點(diǎn)都連接起來后停止搜索。

在進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)的Canny算子是用高斯濾波器去噪，平滑度控制參數(shù)σ在實(shí)際中很難找到較準(zhǔn)確的值，導(dǎo)致在圖像邊緣檢測(cè)中該算法存在一定的局限性。此外傳統(tǒng) Canny 算子只提取x方向和y方向的梯度后進(jìn)行計(jì)算，一定程度上會(huì)丟失一些重要的邊緣信息，尤其是一些斜方向上的信息。因此應(yīng)對(duì)圖像兩個(gè)斜方向上的梯度信息進(jìn)行計(jì)算，最后綜合原有梯度信息和斜方向上得到的梯度信息得到最終的邊緣圖像，整個(gè)改進(jìn)Canny 算子圖像邊緣檢測(cè)算法流程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)Canny算子圖像邊緣檢測(cè)流程

3.2 基于Canny算子的末端套筒邊緣檢測(cè)與中心點(diǎn)識(shí)別

基于作業(yè)過程中四路視頻信息采集到的末端套筒圖像，通過改進(jìn)Canny算法從視頻圖像中識(shí)別機(jī)器人執(zhí)行末端套筒圓柱體的上下邊線，然后在兩條線上取點(diǎn)，繪出兩條直線的中心線，同時(shí)通過識(shí)別算法得出末端套筒的中心點(diǎn)，由六角螺栓幾何特征可計(jì)算出六角螺栓的中心點(diǎn)和中心線方程。通過控制伸縮機(jī)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，調(diào)整中心點(diǎn)的位置，最終使套筒中心點(diǎn)位于螺栓中心線上，縱移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使末端與螺栓端面貼合，此時(shí)基于機(jī)器視覺的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)接即完成。如圖 6所示為普通Canny算子和改進(jìn)Canny算子在帶電作業(yè)機(jī)器人末端套筒邊緣檢測(cè)與中心點(diǎn)的識(shí)別效果圖。從圖6 Canny算子末端套筒邊緣檢測(cè)與中心識(shí)別效果來看，圖6（a）普通Canny算子基本能夠識(shí)別套筒邊緣，但是有些邊緣線不連續(xù)，效果一般；對(duì)于套筒中心點(diǎn)的識(shí)別普通Canny算子的識(shí)別效果明顯存在一定偏差，但是由于末端套筒的旋轉(zhuǎn)彈簧使得在存在一定誤差的情況下對(duì)接過程中末端通過自適應(yīng)調(diào)整依然能夠?qū)崿F(xiàn)成功對(duì)接操作。圖6（b）改進(jìn)Canny算子能夠較清晰的識(shí)別到套筒邊緣，套筒邊緣保持連續(xù)，中心點(diǎn)的識(shí)別位置精度較普通Canny算法明顯提高，上述結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)Canny算子套筒邊緣檢測(cè)與中心識(shí)別是有效性。

圖6 Canny算子套筒圖像邊緣檢測(cè)與中心點(diǎn)識(shí)別效果

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文基于改進(jìn)Canny算子的機(jī)器人執(zhí)行末端套筒與引流板螺栓螺母的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)接控制算法的有效性，在國家電網(wǎng)某帶電作業(yè)中心進(jìn)行帶電擰緊引流板螺栓試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟為首先是機(jī)械手1末端套筒與螺栓頭的對(duì)準(zhǔn)對(duì)接，其次是機(jī)械手2末端套筒與螺母的對(duì)準(zhǔn)對(duì)接，最后是執(zhí)行擰螺母操作，作業(yè)完成后雙機(jī)械手末端與螺栓頭螺母分離，機(jī)器人退出工作區(qū)準(zhǔn)備下線。通過安裝在兩個(gè)機(jī)械手末端上的4個(gè)攝像頭所拍攝到作業(yè)過程如圖7所示。通過整個(gè)作業(yè)過程可知，雙機(jī)械手末端套筒與螺栓頭螺母的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)接及分離整個(gè)動(dòng)作連貫、流暢、平穩(wěn)，幵且由于末端套筒具有一定的自適應(yīng)性允許套筒與螺栓螺母對(duì)準(zhǔn)在存在一定誤差的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)成功對(duì)接，由此可見本文所提出的改進(jìn)Canny算子末端套筒定位控制算法具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

圖7 雙機(jī)械手末端與螺栓螺母的定位效果

5 結(jié)論

本文提出幵設(shè)計(jì)了面向高壓輸電線路耐張線夾螺栓緊固帶電作業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)型，分析了螺栓緊固作業(yè)原理與作業(yè)流程。在常規(guī)Canny算子圖像邊緣檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)算法，將改進(jìn)算法應(yīng)用到帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端套筒的邊緣檢測(cè)與中心點(diǎn)識(shí)別上，改進(jìn)算法在套筒邊緣檢測(cè)上邊緣更加連續(xù)，在中心點(diǎn)識(shí)別上精度更高。通過現(xiàn)場(chǎng)帶電作業(yè)試驗(yàn)也驗(yàn)證了基于改進(jìn)Canny算子的雙機(jī)械手末端套筒與螺栓頭螺母自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、對(duì)接定位控制方法具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。