抓爬机器人寻的与伪目标去除算法的制作方法

本发明涉及一种抓爬机器人寻的与伪目标去除算法。

背景技术：

高压、超高压和特高压电力输送主要依靠塔架和电缆。我国在2014年输电线路总长115万千米将增长到2020年159万千米，其中220kv及以上线长达68.8万千米。按现行档距l＝400m计，保守计算需设铁塔172万个。而目前，为高压、超高压和特高压输电线路塔架连接的检修(绝缘子情况、电缆连接、夹板情况等及其修护)采用人工攀爬至十数米-数十米的塔端进行相应的操作，作业完成后再爬下返回地面。此种作业不仅对作业者的业务水平有较高要求，而且对其体能和身心状况提出挑战；更为严重的是，在攀爬过程中、在检修过程中，一旦作业者出现失误或身心状况出现异常，则作业者即置于生命的危险之中。

不论从管理层面、技术操作层面，抑或是最起码的人身安全层面，均强烈要求、迫切呼唤作业者基本生命安全保障技术装备的早日到来。在技术层面上，当按照扶柄攀爬时，由于塔架结构形态，在相互垂直的角钢工作面上，分布不规则排列的扶柄；同样，同侧相邻两扶柄中心距误差在毫米级以上，需要特殊算法和巧妙设计相结合，保证攀爬的可靠，进而保证：

基于攀爬标准高压输电塔架机器人，运用壁虎式爬行原理，通过脚手扶把和载具将安全索与连接器输送至塔端并与塔架指定位置的受连接器可靠连接，设计智能寻的、可伸缩肢长、伪目标剔除、自动可靠抓取和转臂爬行的四肢。它与载具、安全索、连接器和智能控制一起，为高压输电线路塔架连接检修提供操作者攀爬和作业基本生命安全保障。

技术实现要素：

本发明提供了一种抓爬机器人寻的与伪目标去除算法，可以有效解决上述问题。

本发明是这样实现的：

一抓爬机器人寻的与伪目标去除算法，包括以下步骤：

以壁虎攀爬为仿生对象，在euclideann维实数域空间内定义和构建了铁塔攀爬机器人的抓扶攀爬状态序列数集，定义了瞬间对应的扶柄、肢体状态、抓扶-导进及其模型表达，这即为三点抓握-一点前伸运动模型：

{((1.2.3)-4)，((2,3,4)-1)，((1.2.3)-4)，((2,3,4)-1)，......}

运用数论和数据库技术，定义、存储和访问同侧两相邻扶柄中心位置距的范数、范数序列数集和最小范数、次小范数，使机器人攀爬寻的与伪目标剔除及智能控制建立在可靠的数学基础之上；

运用传感和机器视觉两种技术方法寻的，通过机器视觉引导和柔性臂设计，使肢体扫过扇形，感应区“w”式排列的敏感元件，变离散感应探测为连续无缝寻的，保证了肢体感应区域与目标圆柱母线有效接触，实现寻的；通过对圆柱母线上点坐标变换算法，获得扶柄中心位置的精度定位；

在euclideann维实数域空间内运用同侧两相邻扶柄中心位置距的范数序列数集，提出了同侧扶柄规则排列和非规则排列的判别方法和判别式，提出并阐明了伪目标的剔除算法，有效甄别了伪目标和真实目标。。

本发明的有益效果是：塔架攀爬机器人通过沿塔架骨架扶柄爬上、爬下和停留在所需的位置上，将安全索具装于塔端适当位置，为高压输电线路塔架连接检修提供操作者攀爬和作业基本生命安全保障。

由于扶柄沿骨架排列的非均匀性，在攀爬过程中需解决的最关键问题是机器人寻的和可靠抓扶前行。本发明提供了一整套配合硬件系统机器人和智能控制的寻的与伪目标剔除算法，在euclideann维实数域空间内定义和构建机器人的抓扶攀爬状态序列数集，提出和运用同侧两相邻扶柄中心位置距的范数序列数集，有效而可靠地甄别了伪目标和真实目标，使机器人的抓扶攀爬建立在可靠的数学基础之上，不仅保证仿生壁虎式攀爬得以实现，而且保证机器人掌指对扶柄的可靠抓握，连同硬件设计在内，保障机器人工作安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的壁虎式仿生机器人的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的壁虎式仿生机器人的攀爬姿态与逻辑动作序列规划图。

图3是本发明实施例提供的壁虎式仿生机器人的手臂寻的与抓握的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的壁虎式仿生机器人的感应区敏感元件的w型分布图。

图5是本发明实施例提供的壁虎式仿生机器人的扶柄中心与抓握中心的重合和非规则扶柄间距b的示意图。

图6是本发明实施例提供的壁虎式仿生机器人的机器视觉寻的的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1所示，一种壁虎式仿生机器人基本组成：前肢20；前肢21；前眼22；后肢23；后肢24。

在euclideann维实数域空间内，定义塔架骨架上扶柄空间位置和机器人寻的、去伪目标，以及攀爬姿态等。

基于壁虎爬行仿生，设定攀爬机器人的四肢：前肢1(手臂1)、前肢2(手臂2)、后肢1(腿脚1)和，后肢2(腿脚2)，如图2所示。在某一瞬时，机器人的攀爬状态可用序列：

s＝{s1，s2，...si,...sn}，i＝1,2...n(1)

表示，式中si为第i个攀爬序列状态，可进一步表述为:

si＝{i，gesturek，fix(n1，n2，n3)，drive(limbj)}(2),i＝1,2...i；l为攀爬步数，以肢体向前引导1次为一步，i可以与n相同，亦可不同。

gesturek攀爬方向，k＝1为“爬上”模式，k＝2为“爬下”模式；

gesturek

fix(n1，n2，n3)为抓扶臂代号，3个；

drive(limbj)为向前引导的肢体代号，每次1个；

分别定义为手臂1、手臂2、腿脚1和腿脚2——(arm1,arm2,leg1,leg2)。

第二扶柄30；后肢31；第一扶柄32；第一前肢33；非规则扶柄34(伪目标)；塔身骨架35；前方扶柄36；第二前肢37；第三扶柄38；第二后肢39；第四扶柄391；载具底盘392。

攀爬姿态与运动状态序列数集与描述：

瞬间对应的扶柄为handle2、handle4、handle1和handle3，分别称为点2、4、1和3.其工作状态为点1、2和3在握紧扶柄状态，腿脚2在空间向前伸展状态(drive(limbj)＝leg2)，形成(1,2,3)-4格局；下一个瞬时，工作状态为点2、3和4处于握紧扶手状态，而手臂1在空间向前伸展状态，形成(2,3,4)-1格局。后续循环，实现前进攀爬。这即为三点抓握-一点前伸运动模式。前进的3-1式模式序列可表述为壁虎式攀爬模式(按四肢)：

{((1.2.3)-4)，((2,3,4)-1)，((1.2.3)-4)，((2,3,4)-1)，......}(3)

倒退爬下，相当于后肢改前肢，而前肢改后肢，循环状态与前进模式类似。

寻的算法与伪目标剔除算法

一般采用两种技术寻的：

第一种，传感技术(掌指初始位置51；敏感元件52；掌指抓握位置53；扶柄54；传感器55；步进电机56；运载小车底盘57；丝杠58；ccd59)

算法如下：

首先设定目标扶柄在肢体感应区扫过的扇形区域之内：

在肢体感应区扫过的区域中，一定要包含目标扶柄，即传感区的长度应覆盖目标扶柄，见图3。

敏感元件分布如下，图4，其中，感应区网格划分41；敏感元件42。

由于每个敏感元件长度n大于所划分的细小区片长度k，则在整个w×m区域上均能检测到前方目标扶柄的圆柱母线，而每一个与圆柱母线相接触的敏感元件的几何中心，视为扶柄母线接触点的位置，从而保证捕获前一个扶炳目标的位置，见图4。

“w”字式分布的传感器中第i个敏感元件接触到扶柄圆柱边，产生空间坐标位置

ot’(xo’，yo’，zo’)(4)

而手掌抓握中心点op空间位置坐标为op(xp，yp，zp)(5)

如果在统一坐标系中，

zo'＝zp＝z＝c

则上述空间两点可简化为平面问题，且两点间的距离为

扶柄圆柱接触母线与自身中心的坐标转换，见图5

如此，获得目标扶柄中心坐标。

第二种，机器视觉

图6机器视觉寻的，图中，寻的目标中心坐标61；目标圆柱表面62；肢体感应区扫过扇形63；肢体感应区64；机器视觉视野65；ccd66；载具底盘67；肢体步进电机68；肢体转轴69；柔性伸缩臂691；丝杠螺母机构692；指693；掌指步进电机694。

如图6所示，采用机器视觉时，在机器人攀爬一步的后程，目标扶柄进入视野区；同时视觉系统将目标中心坐标提示给控制系统，并与柔性臂上的感应区坐标范围作比较。

当机器视觉提示目标扶柄在感应区坐标范围，柔性臂长度不变，继续完成回转动作；

当机器视觉提示目标扶柄超出感应区坐标范围(在较远的方向)，则控制系统指示柔性臂伸长量，此时丝杠螺母机构动作，实现柔性臂感应区对目标的囊括并完成回转动作：

δh＝(j×b×θ)·p其中，wherej——步进电机转子齿数

b——工作表，θ——步进角，p——螺钉的引线

上述两种方法配合使用，实现可靠寻的。

伪目标剔除算法

由于塔架骨架的结构形态，同侧扶柄的分布具有非规则性，即在均用排布的一段中出现两相邻扶柄之距b远远小于规则排列的间距。在这种情况下，在“爬上”模式中，两相邻非规则排列的扶柄，较近的一个不能使用，成为“伪目标”，而较远的一个是将要使用的扶柄，是“真正目标”。

因此伪目标必须剔除，算法如下：

在euclideann维实数域空间内，将同侧扶柄中心位置组成集合{ci}，再以同侧相邻两扶柄回转中心距范数序列组成数集并编入数据库，距离范数为：

并构成距离范数序列数集{di,i-1}＝{ci-ci-1}

即

{c2-c1，c3-c2，...,ci-ci-1,...,cn-1-cn-2,cn-cn-1}，i＝1，2，...，n.(9)

则距离序列数集各组成元素为

{d2-1，d3-2，...,di,i-1,…,dn-2,n-1，dn,n-1}(10)

取最小值和次小值；

取第一个扶柄位置，c1(x1，y1，z1)和距离范数序列数集元素次小值为机器人基本爬行参数，可以确定柔性臂(手臂或腿脚)一般空间转动轨迹：

(x-xci-1)2+(y-yci-1)2＝r2(12)

而手掌上传感器与扶柄接触点所划过的轨迹和手掌抓握中心划过的轨迹分别为：

(x-xci-1)2+(y-yci-1)2＝r12(13)

(x-xci-1)2+(y-yci-1)2＝r22(14)

式中，r1和r2分别为传感器与扶柄接触点所划过的轨迹和手掌抓握中心划过的轨迹相对于共同瞬时中心cs的距离，如图7所示。

如图1和图6所示，同侧扶柄的分布具有非均匀性。正常情况下，相邻两扶柄间距为一定值。但在塔架骨架转折处，相邻两扶柄间距会出现b＝200mm的情况，远远小于通常p＝(450-500)×2mm的距离，而此时机器人应抓握的是较远的一个扶柄。这样，就出现了上文中的较近扶柄成为伪目标，必须在控制过程中消除的情况。我们采取的算法是在扶柄中心距范数序列数集中，运用式(9)(10)和(11)寻找最小值的数集元素，sb1，同时判断

sb1≤δ(15)

式中δ为相邻两扶柄不规则间距值，它远远小于正常两相邻扶柄的中心距(900mm-1000mm)。

若式(11)成立，则构成sb1两扶柄中心所在坐标分别为：

c(sb1)1＝cλ，

c(sb1)2＝cλ-1，λ＝1，2，…,n

则可以判定，按序前一个扶柄为真实目标，最近的扶柄为伪目标。

一旦下一个目标确定，手掌抓握中心和目标中心的重合运动，采用直线运动方式，有公式：

h＝(j×b×θ)·p(16)

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。