高压输电线路除冰机器人的障碍物识别方法研究

论文摘要

高压输电线路覆冰是世界诸多国家电网亟待解决的难题,许多国家都曾因输电线路覆冰引发安全事故,造成巨大的经济损失。研制除冰机器人已成为解决输电线路覆冰的一个重要的研究课题。由于输电线路环境复杂,要实现稳定高效的在线除冰,除冰机器人在越障运行过程中对输电线路各种障碍物的准确识别是需要解决的一个重要问题。从机载摄像头采集的图像中提取出各种障碍物的特征,并对其进行分类识别,是提高机器人自主性的关键,也是机器人越障行为规划的前提。本文首先介绍了覆冰对输电线路造成的危害,总结了国内外巡线机器人和除冰机器人的研究现状以及输电线路机器人导航方法的研究成果和发展方向。在分析了线路结构特点的基础上设计了三种除冰机器人本体结构及其除冰机构,并介绍了输电线路的各种线路金具和越障除冰机器人自主运行障碍物识别过程中需要解决的问题。其次,介绍了基于形状特征的除冰机器人障碍物识别方法。为了提高算法的实时性,提出在图像感兴趣区域ROI （Regions of Interest）中进行相应的图像处理；将HSI彩色图像空间序列分割与Otsu法选取阈值相结合的图像分割方法用于分割输电线路环境和背景；利用相线边缘直线特征进行相线识别与定位,应用基于边缘梯度方向的累计概率霍夫变换（PPHT）算法,精确定位线段端点并确定机器人安全运行区域；利用圆和椭圆特征进行绝缘子识别,利用边缘梯度方向减少Hough变换圆检测的计算量。然后,提出了基于图像局部不变特征模板匹配的除冰机器人障碍物识别方法,通过提取图像的SURF局部特征,应用双阈值顺序聚类TTSAS算法对特征点进行聚类,并对每一个聚类建立k-d搜索树,应用BBF优先搜索算法匹配模板与图像的特征点；采用RANSAC鲁棒估计算法消除错误匹配点对,计算模板与图像平面之间的单应矩阵,进而在图像中实现对障碍物进行定位与识别。最后,介绍了除冰机器人的远程监控与遥操作系统,提出机器人局部自主与全局人机交互的导航方式以及基于人机交互的除冰机器人障碍物识别算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 除冰机器人国内外研究现状
• 1.2.2 输电线路机器人障碍识别研究现状
• 1.3 本文的主要工作和内容安排
• 第2章 除冰机器人本体与输电线路环境分析
• 2.1 除冰机器人本体结构介绍
• 2.1.1 单体除冰机器人方案
• 2.1.2 两臂除冰机器人方案
• 2.1.3 三臂除冰机器人方案
• 2.2 架空高压输电线路环境简介
• 2.3 除冰机器人越障类型及视觉传感器配置
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于形状特征的除冰机器人障碍物识别
• 3.1 HSI空间图像序列分割算法
• 3.1.1 图像感兴趣区域
• 3.1.2 全局阈值图像分割算法
• 3.1.3 HSI空间图像序列分割
• 3.2 图像边缘检测方法
• 3.2.1 Canny边缘检测算子
• 3.2.2 二阶边缘检测算子
• 3.3 相线识别与定位
• 3.3.1 Hough变换原理
• 3.3.2 相线快速定位算法
• 3.4 基于圆和椭圆特征的绝缘子识别
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于局部特征模板匹配的障碍物识别方法
• 4.1 图像局部特征及其应用
• 4.2 SURF特征提取算法
• 4.3 图像特征匹配算法
• 4.3.1 基于k-d树的最近邻搜索
• 4.3.2 图像特征点聚类
• 4.4 基于单应矩阵的目标定位
• 4.5 实验与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 除冰机器人远程监控与遥操作系统
• 5.1 远程监控与遥操作系统组成
• 5.1.1 海康威视DS-4004HC板卡
• 5.1.2 DS-2CC592P-DG1摄像头
• 5.2 系统软件开发
• 5.3 基于人机交互的图像匹配障碍物识别算法
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读学位期间参与的主要科研项目和成果