CN109623813B - 配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位及路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，包括以下过程：S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态。本发明还提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法，根据作业末端的空间位置信息和姿态信息，调整作业末端的姿态，并规划运动路径。本发明不仅确定作业末端与带作业目标之间的距离，还可以实时识别作业末端的姿态，通过对作业末端姿态的调整，满足不同类型的带电作业内容对末端操作的灵活性要求。

Description

配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位及路径规划 方法

技术领域

本发明属于输电线路带电作业机器人技术领域，具体涉及一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，还涉及一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法。

背景技术

带电作业是指在高压电气设备上不停电进行检修、测试的一种作业方法。电气设备在长期运行中需要经常测试、检查和维修，而带电作业是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。到目前为止，我国的带电作业的主要方式为绝缘杆法与绝缘手套法的人工带电作业，不能满足日益提高的***可靠性要求，也容易引发人身伤亡事故。带电作业机器人可以代替人工进行电力维护检修工作，有效避免带电作业时的人员伤亡，提高电力维护检修的作业效率。

目前，带电作业机器人主要采用主从机械臂的遥操作方法，作业人员通过主操作手遥控从机械臂，其人身安全在一定程度上获得保障；但是这种方法高度依赖操作员的素质，并不能减轻工作量，且操作步骤繁琐、作业缓慢、效率低下、容错率低。具有自主作业能力的机器人能够克服主从操作的缺点，这就需要求机器人具有识别作业对象和测距定位的能力。

目前，带电作业机器人作业末端定位***采用的定位测距方式主要是视觉方式，通过视觉***采集并反馈工作环境信息，自主完成作业。然而，单一采用视觉方式仍然难以对作业环境和目标进行全方位高精度的感知。例如：

1)带电作业现场的环境较为复杂，设备器具较多，目标物容易被遮挡并且不易与背景环境区分，造成定位测距失败；

2)仅依靠视觉方式感知环境信息，图像信息量过大，现有算法难以高效地对图像进行去噪、去干扰、提取特征、目标识别和测距等处理和分析，造成带电作业机器人自主作业的困难；

3)视觉方法在环境颜色特征不明显、复杂光照干扰、目标尺度变化大的情况下，识别度不高，容易造成定位测距失败。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位及路径规划方法，确定作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的姿态，根据作业末端的姿态进行路径规划。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，包括以下过程：

S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；

S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；

S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态。

进一步的，S1中，以待作业线路为参照物包括：

将待作业线路的物理模型抽象为直径为a的无限长圆柱导体；

以待作业线路的圆柱体模型中心点O'为原点，z'轴方向指向待作业线路中电流方向，y'轴方向指向天空，依据右手定则建立的三维笛卡尔坐标系O'-x'y'z'。

进一步的，S1中，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度包括：

将作业末端抽象为一个立方体，作业末端的立方体模型上四个侧面中心点处作为各预设点；

获取待作业线路周围作业末端上各预设点的磁感应强度。

进一步的，S2中，计算作业末端与待作业线路之间的距离的过程为：

计算待作业线路周围的磁场空间分布，获取磁感应强度到空间位置坐标的映射关系；

根据作业末端上各预设点的磁感应强度，以及磁感应强度到空间位置坐标的映射关系，获得作业末端上各预设点的空间位置坐标；

根据作业末端上各预设点的空间位置坐标，计算作业末端上各预设点与待作业线路之间的距离。

进一步的，计算待作业线路周围的磁场空间分布包括：

根据安培环路定理，推导出待作业线路周围空间中任意一点P的磁感应强度为：

其中B为待求的P点的磁感应强度，μ₀为真空磁导率，其值为4π×10^-7T·m/A，I为待作业线路上的已知的电流，r为已知的P点到待作业线路的距离，e_r是从带作业线路指向P点的单位矢量，e_x’、e_y’分别是x’和y’轴的单位矢量，B_x'和B_y'分别为B的x'方向和y'方向分量；

根据以上公式分别求出在三相电流I_A、I_B、I_C单独作用下，P点的磁感应强度，再根据矢量叠加原理得到三相电流共同作用下，P点的磁感应强度。

进一步的，识别作业末端的空间姿态过程为：

将作业末端抽象为一个立方体，以作业末端立方体模型中心点O为原点，定义三个旋转轴：x轴通过立方体前表面的中心点c3指向待作业线路，y轴通过立方体前表面的中心点c2，与待作业线路中的电流方向同向，z轴方向通过立方体上表面中心点c5指向天空；

1)如果作业末端出现绕z轴的旋转角度θ_z，则具体计算方法如下：

根据计算得出的预设点c1和c2与待作业线路之间的距离d_c1和d_c2，以及作业末端立方体模型的长l，则以z轴为旋转轴的旋转角度θ_z可以根据以下公式计算得出：

2)如果作业末端出现绕y轴的旋转角度θ_y，则具体计算方法如下：

根据计算得出的预设点c3和c4与待作业线路之间的距离d_c3和d_c4，以及作业末端立方体模型的宽w，根据余弦定理，可求出作业末端的中心点O到待作业线路的中心点O’的距离l_oo’：

再次利用余弦定理，则旋转角度θ_y可以根据以下公式计算得出：

3)如果作业末端出现绕x轴的旋转角度θ_x，则具体计算方法如下：

根据计算得出的预设点c2和c3与待作业线路之间的距离d_c2和d_c3；作业末端的中心点O到待作业线路的中心点O’的距离l_oo’＝d_c3+w/2；c2到平面x’o’z’的距离h_c2可由以下公式求出：

则以x轴为旋转轴的旋转角度θ_x可以根据以下公式计算得出：

相应的，本发明还提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法，其特征是，包括以下过程：

采用前述的方法进行作业末端的磁场定位，获取作业末端的空间姿态；

根据作业末端的空间姿态，计算将作业末端调整至所需姿态的旋转角度；

计算作业末端的磁场梯度，按照磁场梯度方向规划作业末端到待作业线路的路径。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)本发明通过计算待作业线路周围的磁场分布，测量磁场矢量瞬时值，实现了配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位，满足带电作业机器人自主作业的定位要求，使其能够安全、精确、高效地完成带电作业。

2)本发明采用磁场定位方法，彻底摆脱了视觉定位方法在出现视觉死角、复杂背景和复杂光照条件等情况下定位精度低甚至无法定位的问题。

3)本发明提出的磁场定位方法不仅确定作业末端与带作业目标之间的距离，还可以实时识别作业末端的姿态，通过对作业末端姿态的调整，满足不同类型的带电作业内容对末端操作的灵活性要求。

4)本发明提出的磁场定位方法依据磁场空间分布的数学物理规律，使用高效的解析和数值算法计算出作业末端的空间位置信息和姿态信息，避免了现有视觉定位方法中算法复杂度高的问题，提高了作业末端定位的效率和可靠性。

5)相比于单一采用视觉定位***的带电作业机器人，采用本发明的磁场定位方法和装置可以大大减少所使用的双目摄像头和深度摄像头的数量，增加了机器人的可靠性，同时节省了成本。

附图说明

图1为本发明配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位装置结构框图；

图2为本发明配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法流程图；

图3为待作业线路的物理模型示意图；

图4为本发明的磁场定位方法实施例的磁场矢量测量模块结构示意图；

图5为待作业线路周围的磁场空间分布的计算方法示意图；

图6为计算作业末端绕z轴旋转的旋转角度俯视示意图；

图7为计算作业末端绕y轴旋转的旋转角度侧视示意图；

图8为计算作业末端绕x轴旋转的旋转角度透视示意图；

图9为待作业线路周围的磁感应强度幅值的等值面示意图。

1-磁场矢量测量模块；1.1-三轴磁阻传感器；1.2-放大电路；2-控制模块；2.1-滤波电路；2.2-数据采集卡；2.3-工控机；3-同轴电缆；4-待作业线路；5-作业末端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

用于本发明的装置，参见图1所示，包括磁场矢量测量模块1、控制模块2和同轴电缆3。其中磁场矢量测量模块1包括三轴磁阻传感器1.1和放大电路1.2，控制模块2包括滤波电路2.1、数据采集卡2.2、工控机2.3。

三轴磁阻传感器1.1用于将磁场转化为电压信号输出；放大电路1.2用于将传感器输出的差分电压信号进行比例放大。

滤波电路2.1用于将信号中叠加的高频干扰滤除；数据采集卡2.2通过A/D转换将模拟电压信号转换为数据，并通过PCI总线与工控机2.3进行数据传输。

同轴电缆3是连接磁场矢量测量模块1和控制模块2的信号传输通道，将放大后的模拟电压信号输出。

本发明的一种配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其处理过程参见图2所示，包括以下过程：

步骤1，以待作业线路4为参照物，建立坐标系。

参照图3，所述坐标系是指以待作业线路4的圆柱体模型中心点O'为原点，z'轴方向指向待作业线路4中电流方向，y'轴方向指向天空，依据右手定则建立的三维笛卡尔坐标系O'-x'y'z'。根据三维笛卡尔坐标系的定义和右手定则，确立了两个坐标轴的方向就可以明确第三个轴的方向，因此不再描述x'轴方向。

步骤2，在已建立好的坐标系O'-x'y'z'下，计算待作业线路4周围的工频磁场空间分布。

具体步骤如下：

步骤2-1，参照图3，把待作业线路4的物理模型抽象为直径为a，轴向为z'轴的无限长圆柱导体。在工频条件下，可以忽略导体的趋肤效应，认为无限长圆柱导体内流动着密度均匀的电流I；因为工频电磁场具有准静态特性，所以输电线路周围的磁场可以视为仅由线路电流产生；根据复镜像理论，镜像导线位于地下较深位置，对目标空间磁场的影响非常微弱，在计算中只考虑实际导线的作用。

参照图5，根据安培环路定理，可以推导出空间中任意一点P的磁感应强度为：

其中B为待求的P点的磁感应强度，μ₀为真空磁导率，其值为4π×10^-7T·m/A，I为待作业线路4上的已知的电流，r为已知的P点到待作业线路4的距离，e_r是从带作业线路指向P点的单位矢量，e_x’、e_y’分别是x’和y’轴的单位矢量，B_x'和B_y'分别为B的x'方向和y'方向分量。

步骤2-2，根据步骤2-1中的公式分别求出在三相电流I_A、I_B、I_C每一相单独作用下，P点的磁感应强度，再根据矢量叠加原理得到三相电流共同作用下，P点的磁感应强度。据此，可以得到空间中已知坐标的任意点的磁感应强度，从而建立起磁感应强度到空间位置坐标的映射关系。

“待作业线路”根据不同的带电作业类型可能不一样，有可能是某一相线路，也可能是所有的三相线路。但是不管待作业线路具体是一相还是多相线路，计算磁场分布的时候考虑的都是合成磁场，因此必须叠加三相电流。

磁场空间分布是一个统称，描述磁场的物理量不止一个，这里用磁感应强度这个矢量来描述磁场；所以本发明中提到的“磁场空间分布”就是“磁感应强度空间分布”。

步骤3，实时测量并获取各预设点的磁感应强度瞬时值。

通过所述磁场矢量测量模块1来测量磁感应强度，磁场矢量测量模块1中包含的三轴磁阻传感器1.1采用已经成熟的三轴磁阻传感器产品；可以理解为传感器的数值即可获取。

步骤4，对作业末端5的空间位置信息和姿态信息进行实时识别。

具体步骤如下：

步骤4-1，根据步骤2中的磁感应强度到空间位置坐标的映射关系，再根据步骤3中获取的磁感应强度瞬时值，得到当前时刻t下，作业末端5上各预设点在坐标系O'-x'y'z'下的空间位置坐标，再根据坐标计算出各预设点与待作业线路4之间的距离；

步骤4-2，根据步骤4-1中得到的当前时刻t下，各预设点在坐标系O'-x'y'z'下的空间位置坐标，分析得出作业末端5的姿态信息。

为了方便描述作业末端5相对待作业线路4的姿态信息，参照图4，把带电作业机器人的作业末端5抽象为一个立方体，其长、宽、高分别为l、w、h；作为一种优选实施例，磁场矢量测量模块一共有4个，安装的预设点分别在所述立方体左表面的中心点c1、右表面的中心点c2、前表面的中心点c3、后表面的中心点c4处。

为方便描述作业末端5的姿态，以所述作业末端5的立方体模型中心点O为原点，定义三个旋转轴：x轴通过立方体前表面的中心点c3指向待作业线路4，y轴通过立方体前表面的中心点c2，与待作业线路4中的电流方向同向，z轴方向通过立方体上表面中心点c5指向天空。

注：只有一个坐标系O'-x'y'z'，所有的计算都发生在这个坐标系下，因此也不存在任何的坐标系变换。定义在作业末端5的立方体模型的x、y、z三个旋转轴是为了后面说明姿态旋转角的方便。

参照图4，作业末端5的标准姿态是指作业末端5的前表面的法向量(注：按图4中所示，法向量即为x轴)与待作业线路4的轴线(注：按图3中所示，轴线即为z’轴)在同一平面上且互相垂直，并且该法向量和轴线所确立的平面平行于地平面。

1)如果作业末端5出现绕z轴的旋转角度θ_z，则具体计算方法如下：

参照图6，根据步骤4-1中计算得出的预设点c1和c2与待作业线路4之间的距离d_c1和d_c2，以及作业末端5的立方体模型的长l，则以z轴为旋转轴的旋转角度θ_z可以根据以下公式计算得出：

2)如果作业末端5出现绕y轴的旋转角度θ_y，则具体计算方法如下：

参照图7，根据步骤4-1中计算得出的预设点c3和c4与待作业线路4之间的距离d_c3和d_c4，以及作业末端5的立方体模型的宽w，根据余弦定理，可求出作业末端5的中心点O到待作业线路4的中心点O’的距离l_oo’：

再次利用余弦定理，则旋转角度θ_y可以根据以下公式计算得出：

3)如果作业末端5出现绕x轴的旋转角度θ_x，则具体计算方法如下：

参照图8，根据步骤4-1中计算得出的预设点c2和c3与待作业线路4之间的距离d_c2和d_c3；作业末端5的中心点O到待作业线路4的中心点O’的距离l_oo’＝d_c3+w/2；c2到平面x’o’z’的距离h_c2可由以下公式求出：

则以x轴为旋转轴的旋转角度θ_x可以根据以下公式计算得出：

相应的，本发明还提供了一种配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法，根据作业末端的空间位置信息和姿态信息，调整作业末端的姿态，并规划运动路径。

具体步骤如下：

步骤5-1，在当前时刻t下，根据步骤4中得到的姿态信息，调整作业末端5至所需要的姿态：根据作业末端5调整后的姿态(用绕x、y、z三个旋转轴的旋转角度α_x、α_y、α_z表示)，再根据步骤4-2中所计算出的作业末端5当前姿态(用绕x、y、z三个旋转轴的旋转角度θ_x、θ_y、θ_z表示)，得出所需旋转角度Δ_x＝α_x-θ_x，Δ_y＝α_y-θ_y，Δ_z＝α_z-θ_z；根据Δ_x、Δ_y、Δ_z生成控制指令，下达给机械臂伺服***，用以控制机械臂关节的旋转，从而把作业末端5调整至所需姿态。

步骤5-2，参照图9，根据步骤2中已经计算好的磁场空间分布，在坐标系x'O'y'下，建立待作业线路4周围的磁感应强度幅值的等值面；因为空间中某点的磁场梯度垂直于磁感应强度幅值的等值面，所以根据步骤4中得到的作业末端5前表面上的预设点c3的空间位置坐标，即可根据所述等值面找出该点的磁场梯度，记为矢量v₁，按照该矢量v₁进行路径规划，并生成控制指令，用以控制机械臂的推进方向。

根据梯度的概念可知，磁场中任一点的领域内沿磁场梯度的方向上磁感应强度幅值变化最快，如图9所示，沿v₁方向的磁感应强度幅值变化率要大于沿v₂方向；沿磁感应强度幅值变化最快方向可以最快到达待作业线路4，因此按照磁场梯度进行规划的路径为作业末端5到待作业线路4的最短路径。

本发明的优点和有益效果在于：

1)本发明通过计算待作业线路周围的磁场分布，测量磁场矢量瞬时值，实现了配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位，满足带电作业机器人自主作业的定位要求，使其能够安全、精确、高效地完成带电作业。

2)本发明采用磁场定位方法，彻底摆脱了视觉定位方法在出现视觉死角、复杂背景和复杂光照条件等情况下定位精度低甚至无法定位的问题。

3)本发明提出的磁场定位方法不仅确定作业末端与带作业目标之间的距离，还可以实时识别作业末端的姿态，通过对作业末端姿态的调整，满足不同类型的带电作业内容对末端操作的灵活性要求。

4)本发明提出的磁场定位方法依据磁场空间分布的数学物理规律，使用高效的解析和数值算法计算出作业末端的空间位置信息和姿态信息，避免了现有视觉定位方法中算法复杂度高的问题，提高了作业末端定位的效率和可靠性。

5)相比于单一采用视觉定位***的带电作业机器人，采用本发明的磁场定位方法和装置可以大大减少所使用的双目摄像头和深度摄像头的数量，增加了机器人的可靠性，同时节省了成本。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，包括以下过程：

S1，以待作业线路为参照物，获取待作业线路周围作业末端的磁感应强度；

S2，根据作业末端的磁感应强度，计算作业末端与待作业线路之间的距离；

S3，根据作业末端与待作业线路之间的距离，识别作业末端的空间姿态；

将待作业线路的物理模型抽象为无限长圆柱导体；

以待作业线路的圆柱体模型中心点O'为原点，z'轴方向指向待作业线路中电流方向，y'轴方向指向天空，依据右手定则建立的三维笛卡尔坐标系O'-x'y'z'；

将作业末端抽象为一个立方体，作业末端的立方体模型上四个侧面中心点处作为各预设点；

S3中，识别作业末端的空间姿态过程为：

以作业末端立方体模型中心点O为原点，定义三个旋转轴：x轴通过立方体前表面的中心点c3指向待作业线路，y轴通过立方体前表面的中心点c2，与待作业线路中的电流方向同向，z轴方向通过立方体上表面中心点c5指向天空；

1)如果作业末端出现绕z轴的旋转角度θ_z，则具体计算方法如下：

根据计算得出的预设点c1和c2与待作业线路之间的距离d_c1和d_c2，以及作业末端立方体模型的长l，则以z轴为旋转轴的旋转角度θ_z可以根据以下公式计算得出：

2)如果作业末端出现绕y轴的旋转角度θ_y，则具体计算方法如下：

根据计算得出的预设点c3和c4与待作业线路之间的距离d_c3和d_c4，以及作业末端立方体模型的宽w，根据余弦定理，可求出作业末端的中心点O到待作业线路的中心点O’的距离l_oo’：

再次利用余弦定理，则旋转角度θ_y可以根据以下公式计算得出：

3)如果作业末端出现绕x轴的旋转角度θ_x，则具体计算方法如下：

根据计算得出的预设点c2和c3与待作业线路之间的距离d_c2和d_c3；作业末端的中心点O到待作业线路的中心点O’的距离l_oo’＝d_c3+w/2；c2到平面x’o’z’的距离h_c2可由以下公式求出：

则以x轴为旋转轴的旋转角度θ_x可以根据以下公式计算得出：

2.根据权利要求1所述的配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，S2中，计算作业末端与待作业线路之间的距离的过程为：

计算待作业线路周围的磁场空间分布，获取磁感应强度到空间位置坐标的映射关系；

根据作业末端上各预设点的磁感应强度，以及磁感应强度到空间位置坐标的映射关系，获得作业末端上各预设点的空间位置坐标；

根据作业末端上各预设点的空间位置坐标，计算作业末端上各预设点与待作业线路之间的距离。

3.根据权利要求2所述的配电线路带电作业机器人作业末端的磁场定位方法，其特征是，计算待作业线路周围的磁场空间分布包括：

根据安培环路定理，推导出待作业线路周围空间中任意一点P的磁感应强度为：

其中B为P点的磁感应强度，μ₀为真空磁导率，其值为4π×10^-7T·m/A，I为待作业线路上的电流，r为P点到待作业线路的距离，e_r是从带作业线路指向P点的单位矢量，e_x’、e_y’分别是x’和y’轴的单位矢量，B_x'和B_y'分别为B的x'方向和y'方向分量；

根据以上公式分别求出在三相电流I_A、I_B、I_C单独作用下，P点的磁感应强度，再根据矢量叠加原理得到三相电流共同作用下，P点的磁感应强度。

4.配电线路带电作业机器人作业末端的路径规划方法，其特征是，包括以下过程：

采用权利要求1-3任一项所述磁场定位方法进行作业末端的磁场定位，获取作业末端的空间姿态；

根据作业末端的空间姿态，计算将作业末端调整至所需姿态的旋转角度；

计算作业末端的磁场梯度，按照磁场梯度方向规划作业末端到待作业线路的路径。

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