金具绝缘子定位系统、方法以及自动检修系统

摘要

本发明提供一种金具绝缘子定位系统，用于检修执行器，金具绝缘子定位系统包括单目视觉单元与识别定位单元，单目视觉单元用于获取包含标志单元的金具绝缘子的图像，识别定位单元用于根据图像通过标志单元获得金具绝缘子在检修执行器的坐标系中的位姿，标志单元包括设定相对位置关系的多个标记。本发明还提供一种金具绝缘子定位方法与自动检修系统。本发明提供的金具绝缘子定位系统、方法以及自动检修系统，通过在金具绝缘子上设置形状相同大小不同的两个标记，使用单目视觉单元实现金具绝缘子定位，仅需要单目视觉单元，就能够实现高精度定位。

权利要求

1.一种金具绝缘子定位方法，其特征在于，金具绝缘子上设置有标志单元，所述标志单元包括间隔设置的形状相同大小不同的两个标记，所述金具绝缘子定位方法包括以下步骤：(1)使用标定好的单目视觉单元获取包含标志单元的金具绝缘子的图像；

(2)根据所述图像，识别两个标记，获得两个标记的中心点在单目视觉单元坐标系中的坐标；

(3)根据单目视觉单元与检修执行器坐标系之间的关系，进行坐标变换，获得所述两个标记的中心点在检修执行器坐标系中的坐标；

(4)根据两个标记的中心点坐标，得到并输出标志单元在检修执行器坐标系中的位姿；

所述步骤(2)中根据所述图像，识别两个标记包括以下步骤：(21)从所述图像中去除背景，获取感兴趣区域；

(22)两个标记为第一标记与第二标记，从感兴趣区域中选取高灰度值的点，获取包含第一标记的区域与第二标记的区域；

(23)根据所述包含第一标记的区域与所述包含第二标记的区域，获取所述第一标记与所述第二标记的轮廓线；

所述步骤(2)中获得所述标志单元在单目视觉单元坐标系中的坐标包括以下步骤：(24)根据步骤(23)中获取的轮廓线，获得所述第一标记的中心点与所述第二标记的中心点在单目视觉单元坐标系中的坐标；

所述步骤(4)中根据两个标记的中心点坐标，得到并输出标志单元在检修执行器坐标系中的位姿包括以下步骤：(41)两个标记为第一标记与第二标记，第一标记的中心点为金具绝缘子坐标系的原点；

(42)第一标记的中心点与第二标记点的中心点的连线为X轴；

(43)通过右手定则确定Y轴；

(44)第一标记点的法线方向为Z轴。

说明书

金具绝缘子定位系统、方法以及自动检修系统

技术领域

[0001] 本发明涉及计算机视觉领域，具体涉及金具绝缘子定位系统、方法以及自动检修系统。

背景技术

[0002] 随着新一代智能变电站的扩大示范和推广建设，有效的减少了能源的消耗与浪费，实现了变电站性能的优化。其中隔离式断路器替代传统断路器与隔离开关的联合应用，维修要求大幅度降低，支持更精简、更紧凑的变电站布局以及更高的可用性，因此获得了广泛应用。

[0003] 虽然隔离断路器的可靠性、稳定性相对以前的断路器和隔离开关性而言有了极大的提升，但是仍需要适时地安排人员检修。人工检修除了存在效率低下、劳动强度大的问题外，由于检修人员直接接触高压导线，存在很大的安全隐患。人工带电作业安全防护、遮蔽要求非常严格，稍不注意就会出现短路电流，造成重大的安全事故，引发人身伤亡事故。

[0004] 为了满足新一代智能变电站现场检修与试验的需求，避免隔离断路器检修时需要同停其他电气设备，减少设备停电范围，缩短系统调试周期，有必要开展隔离断路器带电检修作业的自动化技术研究。

[0005] 要使检修过程自动化，视觉在整个过程中，作为识别和确定金具位姿的关键环节，是自动化检修平台必不可少的关键组成环节。

[0006] 典型的视觉系统三维定位的方案包括单目视觉和双目视觉两种，其中单目视觉仅依靠一台摄像机拍摄目标物体，通过目标物体的几何形状约束获取定位结果；双目视觉则是模拟人类的双眼，基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体几何信息的方法。

[0007] 通常情况下，双目视觉的优点在于定位精度高，但是随之而来的是对硬件更高的要求和更长的处理计算时间，双目视觉中的立体匹配问题也一直是研究的难点之一。与之相比，单目视觉只需要一台相机即可，同时处理速度也比双目视觉要快。

[0008] 现有的单目视觉在工业领域的应用，有两种常用的应用场合，一种是针对定位目标和相机相对位置较为固定的情况，这种方案精度要求较高，拍照环境固定，背景、光照变化较小；另一种是针对移动机器人的单目视觉应用，这种方案精度要求低，拍照环境不固定，背景、光照变化大。

[0009] 第一种单目视觉定位方案，能够达到高精度(um级别)，但是对于环境要求高，一方面相机和标志单元相对位置固定，另一方面拍照环境为工业环境，背景光照情况固定。这是该方案保证高精度的重要原因。

[0010] 第二种单目视觉方案定位精度低，主要是因为相机和目标物体的相对位置变化大，同时待测量目标物体轮廓不确定，导致计算结果变化范围大。

[0011] 然而对于智能变电站，自动检修系统需要成本较低、能够高精度定位金具绝缘子的定位系统。

发明内容

[0012] 鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种金具绝缘子定位系统，通过在金具绝缘子上设置形状相同大小不同的两个标记，使用单目视觉单元实现金具绝缘子定位，仅需要单目视觉单元，就能够实现高精度定位。

[0013] 本发明提供的金具绝缘子定位系统，处于典型的单目视觉和双目视觉定位方案之间，既要实现高精度，又要应对大变化范围的位姿不确定、环境不确定。

[0014] 采用的方案是设计了具有已知几何关系的标志单元，标志单元具有已知高精度定位的轮廓特征，结合机器人坐标系标定、相机标定、手眼关系标定，有效规避了单目视觉中目标物体不确定引起的定位误差，获取到较高精度的结果。

[0015] 本发明提供一种金具绝缘子定位系统，用于检修执行器，金具绝缘子定位系统包括单目视觉单元与识别定位单元，单目视觉单元用于获取包含标志单元的金具绝缘子的图像，识别定位单元用于根据图像通过标志单元获得金具绝缘子在检修执行器的坐标系中的位姿，标志单元包括设定相对位置关系的多个标记。

[0016] 进一步地，标志单元包括形状相同大小不同的两个标记。

[0017] 进一步地，两个标记间隔设置。

[0018] 进一步地，标记为金属色。

[0019] 进一步地，标记为圆形。

[0020] 本发明还提供一种金具绝缘子定位方法，金具绝缘子上设置有标志单元，所述标志单元包括间隔设置的形状相同大小不同的两个标记，金具绝缘子定位方法包括以下步骤：

[0021] (1)使用标定好的单目视觉单元获取包含标志单元的金具绝缘子的图像；

[0022] (2)根据图像，识别两个标记，获得两个标记的中心点在单目视觉单元坐标系中的坐标；

[0023] (3)根据单目视觉单元与检修执行器坐标系之间的关系，进行坐标变换，获得两个标记的中心点在检修执行器坐标系中的坐标；

[0024] (4)根据两个标记的中心点坐标，得到并输出标志单元在检修执行器坐标系中的位姿。

[0025] 进一步地，步骤(2)中根据图像，识别两个标记包括以下步骤：

[0026] (21)从图像中去除背景，获取感兴趣区域；

[0027] (22)两个标记为第一标记与第二标记，从感兴趣区域中选取高灰度值的点，获取包含第一标记的区域与第二标记的区域；

[0028] (23)根据包含第一标记的区域与包含第二标记的区域，获取第一标记与第二标记的轮廓线。

[0029] 进一步地，步骤(2)中获得标志单元在单目视觉单元坐标系中的坐标包括以下步骤：

[0030] (24)根据步骤(23)中获取的轮廓线，获得第一标记的中心点与第二标记的中心点在单目视觉单元坐标系中的坐标。

[0031] 进一步地，步骤(4)中根据两个标记的中心点坐标，得到并输出标志单元在检修执行器坐标系中的位姿包括以下步骤：

[0032] (25)两个标记为第一标记与第二标记，第一标记的中心点为金具绝缘子坐标系的原点；

[0033] (26)第一标记的中心点与第二标记点的中心点的连线为X轴；

[0034] (27)通过右手定则确定Y轴；

[0035] (28)第一标记点的法线方向为Z轴。

[0036] 本发明还提供一种自动检修系统，包括控制器、检修执行器以及设置于检修执行器端部的上述金具绝缘子定位系统，控制器根据金具绝缘子定位系统获得的金具绝缘子在检修执行器的坐标系中的位姿，控制检修执行器对金具绝缘子进行检修操作。

[0037] 与现有技术相比，本发明提供的金具绝缘子定位系统、方法以及自动检修系统，具有以下有益效果：通过在金具绝缘子上设置形状相同大小不同的两个标记，使用单目视觉单元实现金具绝缘子定位，仅需要单目视觉单元，就能够实现高精度定位。

附图说明

[0038] 图1为包含标志单元的金具绝缘子的示意图；

[0039] 图2为本发明的一个实施例的金具绝缘子定位系统的结构示意图；

[0040] 图3为金具绝缘子定位方法的流程图；

[0041] 图4为坐标转换示意图。

具体实施方式

[0042] 本实施例为一种自动检修系统，包括控制器、检修执行器以及设置于检修执行器端部的金具绝缘子定位系统，控制器根据金具绝缘子定位系统获得的金具绝缘子在检修执行器的坐标系中的位姿，控制检修执行器对金具绝缘子进行检修操作。

[0043] 检修执行器为操作臂或机器人。

[0044] 金具绝缘子定位系统，用于检修执行器，金具绝缘子定位系统包括单目视觉单元与识别定位单元，单目视觉单元用于获取包含标志单元的金具绝缘子的图像，识别定位单元用于根据图像通过标志单元获得金具绝缘子在检修执行器的坐标系中的位姿。

[0045] 图1示出了包含标志单元的金具绝缘子，标志单元包括形状相同大小不同的两个标记，标记为金属色，与金具绝缘子的黑色表面具有较大的反差，便于识别标记。

[0046] 本实施例中，如图2所示，标记为圆形，由于圆形具有各向同性，更有利于规避误差，也就是标志单元具有已知高精度定位的轮廓特征。

[0047] 两个标记为第一标记与第二标记，第一标记的半径大于第二标记的半径。

[0048] 当然也可以采用其他形状的标记，例如矩形，只要预先已知标记几何尺寸即可。还可以采用不同数量的标记，例如三个设定相对位置关系的标记。

[0049] 如图3所示，金具绝缘子定位方法包括以下步骤：

[0050] (1)使用标定好的单目视觉单元获取包含标志单元的金具绝缘子的图像，标志单元包括形状相同大小不同的两个标记；

[0051] (2)根据图像，识别两个标记，获得两个标记的中心点在单目视觉单元坐标系中的坐标；

[0052] (3)根据单目视觉单元与检修执行器坐标系之间的关系，进行坐标变换(如图4所示)，获得两个标记的中心点在检修执行器坐标系中的坐标；

[0053] (4)根据两个标记的中心点坐标，得到并输出标志单元在检修执行器坐标系中的位姿。

[0054] 对单目视觉单元进行单目视觉单元标定，获取单目视觉单元内参参数；进行手眼关系标定，即单目视觉单元和机器人工具坐标系之间的关系。

[0055] 单目视觉单元，即相机参数包括相机的内外参数为(Focus，Kappa，Sx，Sy，Cx，Cy，ImageWidth，ImageHeight)；其中Focus为焦距，Kappa为相机径向畸变，Sx为单元像素宽度，Sy为单元像素高度，Cx为图像中心X，Cy为图像中心Y，ImageWidth为图像宽度，ImageHeight为图像高度。

[0056] 手眼关系参数，即机器人工具坐标系在相机坐标系中的位姿为(X，Y，Z，A，B，C)，其中X为X轴向距离，Y为Y轴向距离，Z为Z轴向距离，A为绕Z轴旋转角度，B为绕Y轴旋转角度，C为绕X轴旋转角度，例如(-0.0894609036730047，0.00027579823989016，0.188439483774541，0.560955463516326，0.70207918447375，181.104759537347)。

[0057] 步骤(2)中根据图像，识别两个标记包括以下步骤：

[0058] (21)从图像中去除背景，获取感兴趣区域；

[0059] (22)两个标记为第一标记与第二标记，从感兴趣区域中选取高灰度值的点，获取包含第一标记的区域与第二标记的区域；

[0060] (23)根据包含第一标记的区域与包含第二标记的区域，获取第一标记与第二标记的轮廓线。

[0061] 步骤(2)中获得标志单元在单目视觉单元坐标系中的坐标包括以下步骤：

[0062] (24)根据步骤(23)中获取的轮廓线，获得第一标记的中心点与第二标记的中心点在单目视觉单元坐标系中的坐标。

[0063] 具体地，步骤(21)从图像中去除背景，获取感兴趣区域包括以下步骤：

[0064] ·将图像转化为灰度图；

[0065] ·图像预处理，对图像使用直方图均衡化；

[0066] ·阈值分割，选取出图像中的深色背景；

[0067] ·对阈值分割结果进行联通区域处理；

[0068] ·使用区域融合合并所有联通区域；

[0069] ·区域填充，填充合并结果；

[0070] ·使用原图和区域填充结果做差值，从原始图像中去除背景获取感兴趣区域。

[0071] 步骤(22)从感兴趣区域中选取高灰度值的点，获取包含第一标记的区域与第二标记的区域包括以下步骤：

[0072] ·对感兴趣区域进行阈值分割，选取出感兴趣区域高灰度值的点；

[0073] ·对高灰度值的点进行联通区域处理，并填充联通区域；

[0074] ·从填充后的联通区域选取出圆形区域；

[0075] ·进行腐蚀后膨胀，去除噪声干扰。

[0076] 步骤(23)根据包含第一标记的区域与包含第二标记的区域，获取第一标记与第二标记的轮廓线包括以下步骤：

[0077] ·对圆形区域进行轮廓提取；

[0078] ·对提取的轮廓进行腐蚀、膨胀与合并，选取出只包含标记轮廓的部分区域；

[0079] ·取只包含标记轮廓的区域与原图的差值；

[0080] ·提取亚像素轮廓，并选取其中闭合的轮廓曲线；

[0081] ·根据两个标记间固定的几何关系选取出标记的轮廓线；

[0082] ·对两个标记的轮廓线，分别进行椭圆拟合。

[0083] 椭圆拟合示例数据如下：hv_Row_Big为椭圆中心所在行，hv_Column_Big为椭圆中心所在列，hv_Phi_Big为椭圆主轴方向，hv_Radius1_Big为长轴，hv_Radius2_Big为短轴，hv_StartPhi_Big为起点切线角度，hv_EndPhi_Big为结束点切线角度，hv_PointOrder_Big为沿着椭圆边界的点顺序(正反)。

[0084] 步骤(4)中两个标记的中心点坐标，得到并输出标志单元在检修执行器坐标系中的位姿包括以下步骤：

[0085] (25)两个标记为第一标记与第二标记，第一标记的中心点为金具绝缘子坐标系的原点；

[0086] (26)第一标记的中心点与第二标记点的中心点的连线为X轴；

[0087] (27)通过右手定则确定Y轴；

[0088] (28)第一标记点的法线方向为Z轴。

[0089] 输出位姿示例数据为(X，Y，Z，A，B，C)，其中X为X轴向距离，Y为Y轴向距离，Z为Z轴向距离，A为绕Z轴旋转角度，B为绕Y轴旋转角度，C为绕X轴旋转角度，例如(-0.0894609036730047，0.00027579823989016，0.188439483774541，0.560955463516326，
0.70207918447375，181.104759537347)。

[0090] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。