OPGW巡線機(jī)器人障礙識(shí)別算法的研究.docVIP

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告學(xué)生姓名： 鄭君美 學(xué) 號(hào)： 0606220208 專 業(yè)： 通信工程 設(shè)計(jì)(論文)題目： OPGW巡線機(jī)器人障礙識(shí)別算法的研究 指導(dǎo)教師： 陳曉娟 2010 年3月28日開題報(bào)告填寫要求1開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在系審查后生效；2開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于10篇（不包括辭典、手冊(cè)）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2002年4月26日”或“2002-04-26”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述一、課題的研究背景及目的意義采用高壓和超高壓架空電力線是長(zhǎng)距離輸配電力的主要方式。高壓輸電線及桿塔附件長(zhǎng)期暴露在野外，因受到持續(xù)的機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)、材料老化的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時(shí)修復(fù)更換，原本微小的破損和缺陷就可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，電力公司需要定期對(duì)線路設(shè)備進(jìn)行巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷并加以評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果安排必要的維護(hù)和修復(fù)，從而確保供電的安全可靠性。傳統(tǒng)的人工巡檢方法不僅工作量大而且條件艱苦，一些巡檢項(xiàng)目靠常規(guī)方法都難以完成。巡線機(jī)器人可以減輕工人巡線的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低高壓輸電的運(yùn)行維護(hù)成本，提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學(xué)管理技術(shù)水平，對(duì)于增強(qiáng)電力生產(chǎn)自動(dòng)化綜合能力，創(chuàng)造高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都具有重要意義。因此，專用巡線機(jī)器人的研制及其技術(shù)研發(fā)已成為當(dāng)前特種機(jī)器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)5。 現(xiàn)階段隨著OPGW光纜在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于OPGW光纜的檢測(cè)要求也不斷地提高。OPGW光纜會(huì)經(jīng)常受到雷電、腐蝕及人工采礦等現(xiàn)象造成損害。因此對(duì)光纜進(jìn)行定期的檢測(cè)是必不可少的。因此研制光纖復(fù)合架空地線(OPGW)巡檢移動(dòng)機(jī)器人成為熱點(diǎn)1，但是在OPGW線路上存在著防震錘、耐張線夾等障礙物，給機(jī)器人的巡線帶來困難，本文應(yīng)用隨機(jī)hough變換對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)，以滿足了巡線機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)越障的要求。二、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀1.國(guó)內(nèi)情況 國(guó)內(nèi)關(guān)于架空電力線路巡線機(jī)器人研究的報(bào)道較少。1998年武漢水利電力大學(xué)的吳功平教授研制出了架空高壓線路巡線小車，小車采用單體三驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu),具有穩(wěn)定的行走功能和越障功能,能順利越過絕緣子、防振錘、懸垂線夾等主要障礙物,并利用攜帶的近距離紅外故障診斷儀完成線路的診斷。巡線小車的行走、越障通過人工遙控加機(jī)械控制器來實(shí)現(xiàn).。目前，該研究組正在進(jìn)行智能化程度較高、越障能力強(qiáng)的自治巡線機(jī)器人的研制工作。中科院沈陽自動(dòng)化所、中科院自動(dòng)化所在863 基金項(xiàng)目資助下也開展了架空電力線路巡線機(jī)器人的研究2。2.國(guó)外情況移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為架空電力線路巡檢提供了新的技術(shù)平臺(tái)。20世紀(jì)80年代，國(guó)際上開始研制高壓輸電線路巡線機(jī)器人。早期日本、美國(guó)和加拿大等國(guó)相繼開發(fā)了不同用途的巡線機(jī)器人，并取得了較大的進(jìn)展，尤其是可在兩個(gè)桿塔之間巡檢的機(jī)器人技術(shù)較為成熟，有些已達(dá)到產(chǎn)品化的程度。美國(guó)TRC公司1989年研制了一臺(tái)懸臂自治巡檢機(jī)器人模型，能沿架空導(dǎo)線進(jìn)行較長(zhǎng)距離的行走，可進(jìn)行電暈損耗、絕緣子、結(jié)合點(diǎn)、壓接頭等視覺檢查任務(wù)，并將探測(cè)到的線路故障參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理后傳送給地面人員。然而僅在兩個(gè)桿塔之間爬行的巡線機(jī)器人已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際線路巡檢工作的要求，輸電線路不僅存在著支撐桿塔，而且還存在著多種線路附件構(gòu)成的障礙物，如防震錘、懸垂線夾、耐張線夾和絕緣子等。因此具有越障功能的巡線機(jī)器人成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。三、研究方法本文重點(diǎn)研究基于視覺的障礙物檢測(cè)識(shí)別方法,利用視覺傳感器采集圖像,提取包含障礙物的邊緣信息,在邊緣圖像中運(yùn)用霍夫變換等方法分別檢測(cè)直線、圓和角點(diǎn)等圖形基元,并利用導(dǎo)線與障礙的位置關(guān)系以及障礙本身的特點(diǎn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束,識(shí)別出障礙物。研究的內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面：1. 圖像邊緣檢測(cè)圖像最基本的特征是邊緣，邊緣是圖像性區(qū)域和另一個(gè)屬性區(qū)域的交接處，是區(qū)域?qū)傩园l(fā)生突變的地方，是圖像中不確定性最大的地方，也是圖像信息最集中的地方，圖像的邊緣包含著豐富的信息。因此，圖像的邊緣提取在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的初級(jí)處理中具有關(guān)鍵作用。2. 隨機(jī)霍夫變換Hough變換的思想就是將坐標(biāo)空間中的圖像轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間的坐標(biāo)，并通過投票的思想進(jìn)行證據(jù)累積，通過查找最大峰值的方法對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別。傳統(tǒng)的hough變換在對(duì)圓形進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要在三維的空間中進(jìn)行計(jì)算，而隨機(jī)hough變換將三維空間變化為二維空間降低了計(jì)算復(fù)雜度。傳統(tǒng)的hough變換要對(duì)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，這樣受到噪聲點(diǎn)的影響很大，而隨機(jī)hough變換它是隨機(jī)選取的三點(diǎn)因此抗造能力強(qiáng)。在障礙物的監(jiān)測(cè)與識(shí)別當(dāng)中我們檢測(cè)到的障礙物往往不是標(biāo)準(zhǔn)的圓，而是部分的圓環(huán)，隨機(jī)hough變換引入的閥值可以人為地改變，更適合障礙物的檢測(cè)與識(shí)別9。 3. 障礙識(shí)別算法原理及實(shí)現(xiàn)圖1是2OPGW典型的線路結(jié)構(gòu)示意圖，該圖顯示了巡線機(jī)器人遇到的典型障礙有防震錘、懸垂線夾、耐張線夾等。由于防震錘、懸垂線夾、耐張線夾和絕緣子串既無豐富的表面紋理，也無鮮明的顏色特征，且相互鉸接，因而難以分割成單獨(dú)的區(qū)域。針對(duì)障礙物的外觀、形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們選擇相對(duì)簡(jiǎn)單的直線、圓(圓弧)、橢圓等幾何圖形基元作為障礙物存在的線索，結(jié)合輸電線路結(jié)構(gòu)對(duì)上述圖形基元位置的約束來識(shí)別不同類型的障礙物。算法的兩個(gè)關(guān)鍵問題是：（1）從邊緣圖像中快速可靠地抽取直線、圓（圓?。┖蜋E圓等圖形基元(2)在結(jié)構(gòu)約束下判斷檢測(cè)到的圖形基元源自于何種障礙。 圖1 OPGW典型的線路結(jié)構(gòu)圖3.1 導(dǎo)線檢測(cè)識(shí)別導(dǎo)線并不是障礙，檢測(cè)它是用來約束防震錘以及懸垂線夾上方絕緣子串的位置。巡線機(jī)器人沿導(dǎo)線行走時(shí), 導(dǎo)線在圖像平面中的投影呈棒狀從圖像平面上邊框傾斜向下。利用漸進(jìn)概率霍夫變換抽取直線,并對(duì)這些直線進(jìn)行角度和位置約束，得到導(dǎo)線的兩條邊緣直線，從而完成導(dǎo)線的識(shí)別和定位。3.2 防震錘檢測(cè)識(shí)別 防震錘安裝在導(dǎo)線下方，它由兩個(gè)中空?qǐng)A筒連接而成，投影到圖1所示攝像機(jī)后,在邊緣圖像中其端面呈圓弧，可以檢圓弧來驗(yàn)證防震錘的存在。單純的檢圓弧算法比較復(fù)雜，可以通過檢圓弧所在圓來代替。3.3 耐張線檢測(cè)識(shí)別耐張線夾本身很小，特征難以提取，而支撐耐張線夾的兩串絕緣子在圖像中呈現(xiàn)被導(dǎo)線左、右分開的兩個(gè)圓，耐張線夾識(shí)別問題可轉(zhuǎn)化為圓的檢測(cè)，通過檢測(cè)絕緣子的兩個(gè)圓可判斷耐張線夾的存在。仍然利用隨機(jī)Hough變換圓檢測(cè)原理來實(shí)現(xiàn)。3.4 懸垂線夾檢測(cè)識(shí)別懸垂線夾用來把導(dǎo)線夾緊，其本身體積比較小，特征難以提取。而當(dāng)機(jī)器人在導(dǎo)線上行進(jìn)，離懸垂線夾一定距離時(shí)，懸垂線夾正上方的絕緣子串在圖像中投影呈現(xiàn)子串式結(jié)構(gòu)。對(duì)圖像進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)每?jī)蓚€(gè)絕緣子的邊緣圖像相交處，都有一個(gè)角點(diǎn)，且在導(dǎo)線兩側(cè)呈對(duì)稱分布。因此，選擇角點(diǎn)檢測(cè)的方法進(jìn)行懸垂線夾得識(shí)別。四、課題的研究目標(biāo)巡線機(jī)器人沿相線行走時(shí)必須探測(cè)識(shí)別各種障礙，如光纜線中的防震錘、懸垂線夾和耐張線夾等障礙物，并根據(jù)障礙類型規(guī)劃越障行為。針對(duì)架空輸電線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及障礙物的形狀，設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)約束的障礙識(shí)別算法，以滿足了巡線機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)越障要求。本文設(shè)計(jì)的架空高壓輸電線路巡線機(jī)器人障礙視覺識(shí)別算法，基本滿足了巡線機(jī)器人越障要求。由于采用基于閾值的決策方法，算法雖然在較寬的范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定一致的性能但。也存在對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)能力不確定的問題。參考文獻(xiàn)1 熊曉明，梁自澤，譚民輸電線路障礙物的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)J.高技術(shù)通信，20052 張運(yùn)楚，梁自澤，傅思遙等.基于結(jié)構(gòu)約束的架空輸電線路巡線機(jī)器人障礙識(shí)別J.機(jī)器人，2007（1）：1-63 季虎，孫即祥，邵曉芳等.圖像邊緣提取方法及展望J.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（14）：70-734 佃松宜，翁桃，廖云杰等.巡線機(jī)器人的研究綜述J四川電力，2009，12 5 張運(yùn)楚，梁自澤，譚民架空電力線路巡線機(jī)器人的研究綜述J.中科院，20046 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王遠(yuǎn)方基于VC的巡線機(jī)器人障礙物識(shí)別軟件設(shè)計(jì)D北京：北方工業(yè)大學(xué)，2009 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：本課題需要研究的問題：針對(duì)OPGW光纜上的障礙，本文提出了利用計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)航技術(shù)來檢測(cè)識(shí)別障礙物的方法。根據(jù)220kV架空輸電線路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)約束的障礙檢測(cè)和識(shí)別算法。檢測(cè)識(shí)別的過程包含：視覺傳感器采集圖像，提取包含障礙物的邊緣信息，檢測(cè)典型幾何圖形，并利用巡線機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束，進(jìn)而識(shí)別出障礙物。1. 障礙物探測(cè)與識(shí)別安裝在輸電線路上的防震錘、絕緣子、懸垂線夾、耐張線夾等桿塔支撐附件形成了機(jī)器人在電力線上運(yùn)行的障礙。為跨越這些障礙，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的巡檢，機(jī)器人必須借助于自身安裝的傳感器探測(cè)和識(shí)別這些障礙，控制機(jī)器人減速慢行，避免與障礙物的碰撞，然后根據(jù)障礙類型規(guī)劃越障行為，實(shí)施越障動(dòng)作。為此，在機(jī)器人上安裝了紅外、CCD攝像機(jī)、超聲波、接近開關(guān)等多種檢測(cè)傳感器，以實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)。機(jī)器人障礙探測(cè)及識(shí)別主要包括：實(shí)時(shí)探測(cè)定位防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等障礙；實(shí)時(shí)識(shí)別障礙物的類型，根據(jù)障礙類型規(guī)劃越障策略；將輪式行走改為步進(jìn)式越障工作方式，完成越障運(yùn)動(dòng)控制，跨越障礙物繼續(xù)行走巡線。2. 探測(cè)與識(shí)別的算法圖1描述了巡線機(jī)器人在OPGW線路上進(jìn)行識(shí)別的過程。一般在OPGW線路上的障礙物有：防震錘、耐張線夾、懸垂線夾。機(jī)器人在巡線過程中要對(duì)這些障礙進(jìn)行識(shí)別和跨越。本課題重點(diǎn)研究理論是霍夫變換以及在檢測(cè)圓方面的具體應(yīng)用，利用邊緣提取來進(jìn)行障礙識(shí)別。算法的兩個(gè)關(guān)鍵問題是：（1）從邊緣圖像中快速可靠地抽取直線、圓（圓弧）和橢圓等圖形基元；(2)在結(jié)構(gòu)約束下判斷檢測(cè)到的圖形基元源自于何種障礙。圖像邊緣提取的原理是：從圖像中提取的邊緣點(diǎn)，在一定條件下包含了原圖像的全部信息，而興趣目標(biāo)也常常出現(xiàn)在圖像的邊緣處。因此，算法充分利用圖像邊緣信息，采用改進(jìn)的圓檢測(cè)方法從中提取構(gòu)成障礙物的典型幾何圖形，并利用巡線機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的結(jié)構(gòu)約束，分層決策，縮小搜索空間，使算法簡(jiǎn)單有效?；诖嬖诟怕蕡D的圓檢測(cè)方法，將邊緣點(diǎn)的“投票”結(jié)果變換為參數(shù)空間中圓存在的相對(duì)可能性,提高了不清晰邊緣的圓檢出率。本文設(shè)計(jì)的架空高壓輸電線路巡線機(jī)人就是利用圓檢測(cè)的方法進(jìn)行障礙的識(shí)別。3.算法的軟件仿真MATLAB具有功能強(qiáng)大、界面友善、開放性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而被廣泛地應(yīng)用到各種仿真的領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)中主要利用該成熟軟件對(duì)算法進(jìn)行仿真，并通過仿真平臺(tái)將