高壓線路搶修機(jī)械臂移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及移動路徑規(guī)劃領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種高壓線路搶修機(jī)械臂移動路徑規(guī)劃 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，人工智能、機(jī)器視覺等技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人是一種智能化程度較高的機(jī) 器，它們可W利用攝像機(jī)獲得視覺信息，通過CPU運(yùn)算數(shù)據(jù)使其具有邏輯思維能力。利用雙 目視覺系統(tǒng)可W模擬出人類雙眼觀察=維世界的機(jī)制，但機(jī)器組成的雙目視覺系統(tǒng)很難模 擬出人眼對運(yùn)動信號的敏感特性。
[0003] 一個在S維世界中的目標(biāo)點(diǎn)，在雙目系統(tǒng)的左右視覺中將映射成兩個不同位置的 像素點(diǎn)。利用雙目系統(tǒng)中左右視覺所獲取的兩幅二維圖像，可W重建出左、右視覺中同時出 現(xiàn)的物體在實(shí)際=維世界中的形態(tài)，該是機(jī)器人可W利用雙目視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我們經(jīng)常 利用雙目視覺系統(tǒng)來引導(dǎo)機(jī)器人的移動或進(jìn)行某項(xiàng)操作，機(jī)器人畢竟不具有人類發(fā)達(dá)的信 息處理機(jī)能，它的任何一個操作都是由與之相關(guān)的一系列數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果決定的。
[0004] 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)運(yùn)算方法是計(jì)算雙目視覺視野內(nèi)的每一個點(diǎn)相對與規(guī)定運(yùn)動軌跡的 偏移量，但該種方法將帶來大量的無用計(jì)算，且整體計(jì)算量非常龐大。并且，機(jī)械臂的運(yùn)動 在左、右視覺所獲取的圖像中將呈現(xiàn)出不同的位置，左右視覺圖像中的點(diǎn)是依據(jù)對極幾何 關(guān)系一一對應(yīng)的，因此機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡反應(yīng)在左、右視覺圖像中將是一個復(fù)雜二維最優(yōu) 值捜索問題。
[0005]W高壓線路搶修為應(yīng)用背景設(shè)計(jì)的機(jī)器人，在使用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備維護(hù)作業(yè)時， 機(jī)器人的前端往往存在一些障礙物。此時，機(jī)械臂移動時的避障問題將是路徑規(guī)劃的一個 重要難題。另外機(jī)器人的機(jī)械臂有多個活動關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)的角度改變將改變整個機(jī)械臂 的位置及移動方式，因此，機(jī)械臂各活動關(guān)節(jié)的參數(shù)控制也是路徑規(guī)劃的一個重要難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供了一種高壓線路搶修機(jī)械臂移動路徑 規(guī)劃系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法可有效控制機(jī)械臂沿圖像中的標(biāo)定路徑移動，解決了機(jī)械 臂各關(guān)節(jié)復(fù)雜的控制問題W及機(jī)器人避障問題，通過人工路徑規(guī)劃結(jié)合遺傳算法解決了路 徑規(guī)劃的相關(guān)難題。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[000引一種高壓線路搶修機(jī)械臂的移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)，包括：
[0009] 雙目視覺系統(tǒng)；用于獲取搶修機(jī)械臂前端的圖像并將圖像傳送至S維重建系統(tǒng)；
[0010] S維重建系統(tǒng)；用于利用雙目視覺系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)，重建目標(biāo)圖像的S維坐 標(biāo)；
[0011] 路徑規(guī)劃系統(tǒng)；用于設(shè)定機(jī)械臂移動的路徑，并計(jì)算機(jī)械臂各關(guān)節(jié)移動角度的最 優(yōu)控制參數(shù)；
[0012] 運(yùn)動控制系統(tǒng)；用于根據(jù)路徑規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃的路徑控制機(jī)器人的機(jī)械臂移動；
[0013] 所述雙目視覺系統(tǒng)與S維重建系統(tǒng)連接，路徑規(guī)劃系統(tǒng)與S維重建系統(tǒng)和運(yùn)動控 制系統(tǒng)分別連接。
[0014] 所述雙目視覺系統(tǒng)包括：光軸交叉雙目攝像機(jī)和圖像采集卡；
[0015] 光軸交叉雙目攝像機(jī)用于獲取機(jī)械臂前端的圖像W模擬人眼的雙目視覺功能，圖 像采集卡用于將雙目攝像機(jī)輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述圖像采集卡至少為兩通 道。
[0016] 一種高壓線路搶修機(jī)械臂的移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)的方法，包括如下步驟：
[0017] 步驟1 ;調(diào)整雙目攝像機(jī)的姿態(tài)及位置，分別對雙目視覺系統(tǒng)的左右攝像機(jī)進(jìn)行 標(biāo)定；
[0018] 步驟2 ;雙目視覺系統(tǒng)獲取雙目視覺圖像，并對雙目圖像進(jìn)行校正；
[0019] 步驟3 ;根據(jù)獲取的雙目視覺圖像，在路徑規(guī)劃系統(tǒng)里預(yù)先設(shè)定機(jī)械臂應(yīng)該移動 的路徑，所述機(jī)械臂的移動路徑為一系列由圖像坐標(biāo)值構(gòu)成的直線段，稱之為路徑序列；
[0020] 步驟4 ;在雙目視覺系統(tǒng)中跟蹤機(jī)械臂夾取目標(biāo)的位置，分別根據(jù)夾取目標(biāo) 在雙目視覺系統(tǒng)中的坐標(biāo)（xi，yi)、（X2，y2)，重建目標(biāo)位置的夾取目標(biāo)的實(shí)際S維坐標(biāo) 狂八，ZJ;
[0021] 步驟5 ;利用遺傳算法計(jì)算機(jī)械臂各關(guān)節(jié)移動角度的最優(yōu)控制參數(shù)，并計(jì)算機(jī)械 臂移動后的夾取目標(biāo)的理論S維坐標(biāo)狂。，Y。，Z。)，使機(jī)械臂的移動在不斷接近路徑終點(diǎn)的 同時沿規(guī)劃路徑移動；
[002引步驟6 ;計(jì)算夾取目標(biāo)位置的實(shí)際S維坐標(biāo)0(，，Y，，Z，）與使用遺傳算法計(jì)算得到 的夾取目標(biāo)理論S維坐標(biāo)狂。，￥。，2。）之間的誤差；
[0023] 如果所述誤差在設(shè)定的允許范圍內(nèi)，則機(jī)械臂移動有效；如果所述誤差超出設(shè) 定的允許范圍，則根據(jù)上述兩坐標(biāo)之間的距離，控制機(jī)械臂向接近設(shè)定的移動路徑方向移 動；
[0024] 步驟7 ;重復(fù)步驟5-6,直至機(jī)械臂移動至標(biāo)定的終點(diǎn)位置。
[0025] 所述步驟4中重建夾取目標(biāo)位置的實(shí)際S維坐標(biāo)狂，，Y，，ZJ的具體方法為：
[0026] 假設(shè)雙目攝像機(jī)的成像平面與地面保持水平，則重建夾取目標(biāo)位置的S維坐標(biāo) 為：
[0027]
[0029]
[0030] 其中，1為兩個攝像頭距離的一半，SA為攝像機(jī)水平視角，w為攝像機(jī)水平分辨率， Sc為攝像機(jī)垂直視角，H為攝像機(jī)垂直分辨率，^為兩個攝像機(jī)光軸線的夾角，5i、^2表 示重建目標(biāo)位置和光屯、的連線與光軸線的夾角。
[0031] 所述步驟5的具體方法為：
[0032] 1)確定機(jī)械臂各活動關(guān)節(jié)與其=維坐標(biāo)改變的函數(shù)關(guān)系，假設(shè)機(jī)械臂有n個活動 關(guān)節(jié)，則機(jī)械臂夾取目標(biāo)的S維坐標(biāo)狂。，￥。，2。）與各關(guān)節(jié)的角度（0。02,03,…，0。）的關(guān) 系可表示為：
[003引 Xc=x(0。02, 0 3，...，0。）
[0034]Yc= 5^0。0 2, 0 3,…，0。）
[003引 Zc= Z(0。0 2, 0 3，...，0。）
[0036] 設(shè)置關(guān)節(jié)角度改變的步長為A0，則機(jī)械臂的S維坐標(biāo)與關(guān)節(jié)角度的關(guān)系可進(jìn)一 步表示為：
[0037] Xc=X( 0 i+ki A 0，0 2+k2A 0，03+ks A 0，…，0n+knA 0 )
[003引 Yc= y(日i+ki A 0，0 2+k2A 0，03+ks A 0，…，0n+knA 0 )
[0039] Zc=z( 0 i+kiA 0，0 2+k2A 0，03+ksA 0，…，0n+knA 0 )
[0040] 其中kn取-1,0, 1中的任一個值；分別對k進(jìn)行二進(jìn)制編碼，即；00代表kn= 0， 01 或 10 代表k"= 1，11 代表k"=-l;
[0041] 。機(jī)械臂共有n個活動關(guān)節(jié)，故設(shè)定一個染色體的長度為化；隨機(jī)生成N個該樣 的染色體，該樣就形成了種群大小為N，長度為化的隨機(jī)初始值；
[004引 3)假設(shè)調(diào)整參數(shù)后機(jī)械臂夾取的目標(biāo)的S維坐標(biāo)為狂，Y，幻，將化Y，幻映射到 選取路徑的圖像坐標(biāo)系中的（X'i，y' 1)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
[0043]
[0044] 其中，矩陣M為由張正友標(biāo)定算法對雙目視覺系統(tǒng)的左右攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定時計(jì)算 得出，S為齊次坐標(biāo)項(xiàng)；
[0045] 4)分別計(jì)算（X'i，y' 1)與預(yù)先設(shè)定的機(jī)械臂移動路徑的最短距離di，W及 (X' 1)與終點(diǎn)的距離d2,在保持d2不增的條件下，利用遺傳算法捜尋使di減小的kn 最優(yōu)組合值。
[0046] 本發(fā)明的有益效果：
[0047] 1、本發(fā)明通過計(jì)算各關(guān)節(jié)移動角度的最優(yōu)控制參數(shù)，減小了各關(guān)節(jié)的移動角度對 機(jī)械臂移動路徑的影響，使得機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確沿規(guī)劃路徑進(jìn)行移動。
[0048] 2、本發(fā)明設(shè)定的路徑序列能有效解決機(jī)械臂在移動過程中的避障問題，使得機(jī)械 臂的移動更加準(zhǔn)確可靠。
[0049] 3、本發(fā)明基于圖像信息進(jìn)行運(yùn)算，信息量豐富，計(jì)算方法簡單，成本低，易于推廣。
[0050] 4、本發(fā)明采用的遺傳算法具有快速隨機(jī)的捜索能力，過程簡單，具有可擴(kuò)展性，容 易與其他算法結(jié)合，方便本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)。
【附圖說明】
[0化1] 圖1為本發(fā)明交叉雙目視覺模型一；
[0052]圖2為本發(fā)明交叉雙目視覺模型二；
[0化3]圖3為本發(fā)明路徑序列示意圖；
[0化4]圖4為本發(fā)明方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0化5]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0056]一種利用遺傳算法解決高壓線路搶修機(jī)械臂移動路徑規(guī)劃問題的系統(tǒng)，由W下幾 部分組成：
[0057]雙目視覺系統(tǒng)：雙目視覺系統(tǒng)包括雙目攝像機(jī)、圖像采集卡。雙目視覺系統(tǒng)由兩臺 高清攝像機(jī)組成，模擬人眼的雙目視覺功能。圖像采集卡應(yīng)具有2通道W上的實(shí)時圖像采 集功能。雙目視覺系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集雙目數(shù)據(jù)圖像，經(jīng)由圖像采集卡轉(zhuǎn)成可利用計(jì)算 機(jī)處理的數(shù)字信號。
[0化引S維重建系統(tǒng)；S維重建系統(tǒng)主要是利用雙目視覺系統(tǒng)獲取的雙目圖像數(shù)據(jù)，根 據(jù)雙目視覺系統(tǒng)模型，重建雙目圖像中目標(biāo)的S維坐標(biāo)，即根據(jù)目標(biāo)在雙目圖像中的圖像 坐標(biāo)，重建目標(biāo)的世界坐標(biāo)。
[0059]路徑規(guī)劃系統(tǒng)：利用鼠標(biāo)，在雙目視覺的一個視覺圖像中畫出機(jī)械臂移動的路徑， 利用遺傳算法計(jì)算機(jī)械臂的最優(yōu)控制參數(shù)。
[0060]W上所述的雙目視覺系統(tǒng)采用交叉雙目，即兩攝像機(jī)的光軸相交于兩攝像機(jī)光屯、 連線的中垂線上，且兩相交光軸形成的平面與世界坐標(biāo)系的參考平面平行，如圖1所示。利 用交叉雙目可擴(kuò)大雙目視覺系統(tǒng)的有效視野，即同一目標(biāo)同時出現(xiàn)在雙目圖像中的移動范 圍更大。
[0061] 人工輔助規(guī)定機(jī)械臂移動路徑可解決機(jī)械臂的避障問題；利用遺傳算法捜索機(jī)械 臂的最優(yōu)控制參數(shù)，使機(jī)械臂沿人工規(guī)定路徑移動，解決了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)復(fù)雜的控制問題。
[0062]一種利用遺傳算法解決高壓線路搶修機(jī)械臂移動路徑規(guī)劃問題的方法如圖4所 示，通過W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0063] 步驟一：矯正雙目視覺系統(tǒng)，人工調(diào)整攝像機(jī)的姿態(tài)及位置，使雙目視覺系統(tǒng)滿足 圖1所示的條件，利用張正友標(biāo)定算法對兩個攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。
[0064]步驟二；獲取雙目圖像，對圖像失真進(jìn)行矯正。任選一個視覺的矯正圖像，利用鼠 標(biāo)畫出一條機(jī)械臂在該視覺中應(yīng)移動的路徑，為方便描述，該里選用左視覺圖像標(biāo)定移動 路徑。在圖像中選取的機(jī)械臂的移動路徑由一系列直線段構(gòu)成，即由一系列的圖像坐標(biāo)值 組成，該里稱之為路徑序列，要求直線段數(shù)量盡可能的少，該樣就可W人工避開障礙物。所 述路徑序列如圖3所示。
[0065]步驟S;在雙目圖像中跟蹤機(jī)械臂夾取的目標(biāo)，根據(jù)雙目圖像中目標(biāo)的圖像坐標(biāo)(X