基于CANNY算子的輸電線路移動作業機器人視覺定位控制

張 安，李紅軍，江 維，嚴 宇，劉雪強

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，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.軍事科學院系統工程研究院 軍需工程技術研究所，北京 100010）

0 引言

帶電作業[1-5]是在高壓電氣設備上不停電進行檢修、測試的一種作業方法，其對電網穩定運行，確保穩定供電具有極其重要的意義。用帶電作業機器人代替工人進行帶電作業，不僅能夠徹底消除工人等電位作業的安全隱患，還能大幅度提高作業效率，是電力系統自動化巡檢的發展趨勢。耐張線夾引流板螺栓緊固是帶電作業的重要內容之一，由于跳線常年受風載荷作用，耐張線夾引流板螺栓易發生松動[6-9]。螺栓松動之后其接頭處電阻變大，導致溫度大幅上升，如不及時解決，不僅產生電能損耗，而且會對輸電線路以及金具耐久性產生惡劣影響，甚至造成停電事故。傳統解決方法是帶電作業工人登塔等電位作業，人工將螺栓擰緊，此種方法作業效率較低，緊固效果因人而異，幵且對工作人員的人身安全有較大風險。有關帶電作業機器人的研究工作日本九州公司[10]研制一種帶電作業升降平臺，可以實現承載工作人員等電位作業，但其主要用于配電網，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機器人可以搭載多種末端工具在輸電線路上實現線路暫時束緊、防震錘螺栓緊固等功能，由于其機械結構限制，幵不能滿足耐張線夾螺栓緊固所需位姿要求。國內山東電科院[12]研究的帶電作業機器人試驗樣機和相應的作業工具，操作人員在絕緣斗內進行操作，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，但該樣機僅適用于10 kV及以下的電壓等級，難以適應實際輸電線路高電壓的要求。

綜上所述，雖然帶電作業機器人研究已經有所進展，但是在高壓輸電線路耐張線夾引流板螺栓緊固作業方面研究十分稀少，在引流板柔性作業面上耐張線夾螺栓緊固機構位姿控制、作業末端與螺栓螺母對準定位以及自適應控制是該項作業所需攻克的重點問題，當前此項定位控制技術大多是基于視頻交互的手動調節，需要人工干預對準作業過程，雙機械手聯動控制粗定位技術在一定程度上提高了作業效率，但幵不能最終解決機器人作業末端與作業對象的自動對準對接定位問題。基于上述分析本文提出了一種基于改進Canny算子[13-15]的機械手末端與螺栓螺母自動對準定位控制算法，較常規人工手動對準控制在提高機器人作業效率的同時還進一步提高其定位的精度。

1 帶電作業機器人作業環境及機器人實體結構

1.1 帶電作業機器人作業環境

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角、桿塔的型號等因素不同，導致引流板與垂直面之間夾角產生差異，因此在一定程度上給機器人的作業控制帶來一定難度。

圖1 高壓輸電線路耐張塔示意圖

圖2 引流板模型圖

1.2 帶電作業機器人的實體結構

帶電作業機器人由奇偶兩個行走臂、兩個機械臂1和機械臂2兩個作業臂、控制箱組成。其中行走臂具有夾緊機構，能夠在線路上行走及定位；機械臂1由下而上由旋轉關節、伸縮關節、縱移關節組成，機械臂2由下而上由橫移關節、旋轉關節、伸縮關節、縱移關節組成。兩個作業臂在線路上作業時都有足夠裕度，使其能滿足帶電作業機器人的空間作業要求。

圖3 螺栓緊固帶電作業機器人實體結構圖

擰螺栓作業末端通過燕尾槽固定在作業臂縱移關節上。安裝于作業臂2的作業末端有大功率電機，可以實現螺栓緊固。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；末端采用內設復位彈簧的虎克鉸，能夠適應耐張線夾螺栓一定角度的位置，減小緊固螺栓時對末端產生的內應力。螺栓緊固帶電作業機器人實體圖如圖3所示。

2 機器人螺栓緊固作業流程及機械手末端位姿定位控制方法

2.1 螺栓緊固作業流程

如圖4所示，機器人進行耐張線夾螺栓緊固作業時，作業機械手也需要在機器人行駛過程中由初始姿態運動至工作姿態，待前輪位于耐張線夾正上方時，完成對耐張線夾的初定位；而后進行螺栓固定操作，對機械手1的旋轉及伸縮關節進行調整，使螺栓固定裝置的內六角套筒與螺栓頭同軸心，隨之將機械手1的縱移關節靠近螺栓頭，直至將螺栓頭壓住，以限制其轉動；接著進行擰螺母操作，對機械手1的橫移旋轉及伸縮關節進行調整，使螺栓固定裝置的內六角套筒與螺栓頭同軸心，隨之將機械手2的縱移關節靠近螺母，直至將螺母完全套住，擰螺母裝置電機旋轉，進行螺母的擰緊；當機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械手 1、2縱移裝置攜帶至外限位，進行下一個螺栓緊固作業。帶電作業機器人螺栓緊固作業流程如圖4所示。

圖4 機器人螺栓緊固作業流程

2.2 基于機器視覺的機械手末端空間位姿定位方法

帶電作業機器人奇臂行走輪定位到壓接管后，雙機械手可協調運動開始作業。在螺栓緊固作業中，擰螺栓作業末端需與螺栓實現完全對接之后才能進行螺栓緊固工作，對接對機器人末端執行器空間位姿要求極高，首先套筒中心點在對接時須與螺栓內六角中心點重合，或者說套筒中心點在螺栓中心線上，這是套筒能夠套住螺栓的必要條件，然后套筒內六角面須與螺栓六角面平行，才能夠控制縱移關節內移，完成對接任務，對接成功后擰螺母機構可以開始執行擰螺母操作。為了實現套筒與螺栓的準確對接，在螺栓套筒與螺栓軸之間安裝有十字聯軸器，可進行角度的微調。為了全方位地觀察螺栓固定裝置與螺栓的相對位姿，在固定螺栓裝置箱體上安裝有2個呈垂直角度布置的攝像頭。擰螺母裝置與螺栓固定裝置結構相似，多了一個傳動機構驅動旋轉軸轉動，在旋轉軸與擰螺母套筒之間也安裝有十字聯軸器，可以實現套筒與螺母的準確對接。

3 機器人末端套筒中心識別與自動對準對接控制方法

3.1 Canny算子及其改進圖像邊緣檢測算法

Canny算子圖像邊緣檢測算法實現過程主要包括四步：

STEP1：圖像平滑處理。一般可利用（1）式高斯函數G(x)構造濾波器，按行、列對待處理圖像f(x,y)進行卷積運算后得到待處理圖像的平滑圖像I(x,y)，（1）式中σ是高斯函數的標準差，其作用是控制圖像平滑程度。

STEP2：計算圖像梯度幅值和方向。計算平滑后圖像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，梯度方向為（3）式。kx、ky分別為圖像I(x,y)被濾波器fx、fy行列檢測后的結果。

STEP3：對圖像梯度和幅值進行非極大值的抑制。非極大值抑制其目的是尋找I(x,y)中所有可能的邊緣點，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)的所有點上，若鄰域中心點的梯度幅值 M(x,y)較沿梯度方向上的兩個相鄰點的幅值大，則將當前的鄰域中心點認定為可能的邊緣點，否則將M(x,y)賦值為零，認定為非邊緣點。

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

在進行圖像邊緣檢測時，傳統的Canny算子是用高斯濾波器去噪，平滑度控制參數σ在實際中很難找到較準確的值，導致在圖像邊緣檢測中該算法存在一定的局限性。此外傳統 Canny 算子只提取x方向和y方向的梯度后進行計算，一定程度上會丟失一些重要的邊緣信息，尤其是一些斜方向上的信息。因此應對圖像兩個斜方向上的梯度信息進行計算，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，整個改進Canny 算子圖像邊緣檢測算法流程如圖5所示。

圖5 改進Canny算子圖像邊緣檢測流程

3.2 基于Canny算子的末端套筒邊緣檢測與中心點識別

基于作業過程中四路視頻信息采集到的末端套筒圖像，通過改進Canny算法從視頻圖像中識別機器人執行末端套筒圓柱體的上下邊線，然后在兩條線上取點，繪出兩條直線的中心線，同時通過識別算法得出末端套筒的中心點，由六角螺栓幾何特征可計算出六角螺栓的中心點和中心線方程。通過控制伸縮機構以及旋轉機構，調整中心點的位置，最終使套筒中心點位于螺栓中心線上，縱移機構運動，使末端與螺栓端面貼合，此時基于機器視覺的自動對準對接即完成。如圖 6所示為普通Canny算子和改進Canny算子在帶電作業機器人末端套筒邊緣檢測與中心點的識別效果圖。從圖6 Canny算子末端套筒邊緣檢測與中心識別效果來看，圖6（a）普通Canny算子基本能夠識別套筒邊緣，但是有些邊緣線不連續，效果一般；對于套筒中心點的識別普通Canny算子的識別效果明顯存在一定偏差，但是由于末端套筒的旋轉彈簧使得在存在一定誤差的情況下對接過程中末端通過自適應調整依然能夠實現成功對接操作。圖6（b）改進Canny算子能夠較清晰的識別到套筒邊緣，套筒邊緣保持連續，中心點的識別位置精度較普通Canny算法明顯提高，上述結果驗證了改進Canny算子套筒邊緣檢測與中心識別是有效性。

圖6 Canny算子套筒圖像邊緣檢測與中心點識別效果

4 試驗

為驗證本文基于改進Canny算子的機器人執行末端套筒與引流板螺栓螺母的自動對準對接控制算法的有效性，在國家電網某帶電作業中心進行帶電擰緊引流板螺栓試驗，試驗步驟為首先是機械手1末端套筒與螺栓頭的對準對接，其次是機械手2末端套筒與螺母的對準對接，最后是執行擰螺母操作，作業完成后雙機械手末端與螺栓頭螺母分離，機器人退出工作區準備下線。通過安裝在兩個機械手末端上的4個攝像頭所拍攝到作業過程如圖7所示。通過整個作業過程可知，雙機械手末端套筒與螺栓頭螺母的自動對準對接及分離整個動作連貫、流暢、平穩，幵且由于末端套筒具有一定的自適應性允許套筒與螺栓螺母對準在存在一定誤差的情況下依然能夠實現成功對接，由此可見本文所提出的改進Canny算子末端套筒定位控制算法具有較強的工程實用價值。

圖7 雙機械手末端與螺栓螺母的定位效果

5 結論

本文提出幵設計了面向高壓輸電線路耐張線夾螺栓緊固帶電作業機器人的基本構型，分析了螺栓緊固作業原理與作業流程。在常規Canny算子圖像邊緣檢測算法的基礎上提出了一種改進算法，將改進算法應用到帶電作業機器人作業末端套筒的邊緣檢測與中心點識別上，改進算法在套筒邊緣檢測上邊緣更加連續，在中心點識別上精度更高。通過現場帶電作業試驗也驗證了基于改進Canny算子的雙機械手末端套筒與螺栓頭螺母自動對準、對接定位控制方法具有較強的工程實用性。