1、 毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 郑君美 学 号： 0606220208 专 业： 通信工程 设计(论文)题目： OPGW 巡线机器人障碍识别算法的研究 指导教师： 陈晓娟 2010 年 3 月 28 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3 “文献综述”应按论文的格式成文，并直
2、接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10 篇（不包括辞典、手册） ；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2002 年 4 月 26 日”或“2002-04-26”。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、课题的研究背景及目的意义采用高压和超高压架空电力线是长距离输配电力的主要方式。高压输电线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气闪络、
3、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原本微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故。因此，电力公司需要定期对线路设备进行巡检，及时发现早期损伤和缺陷并加以评估，根据评估结果安排必要的维护和修复，从而确保供电的安全可靠性。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，一些巡检项目靠常规方法都难以完成。巡线机器人可以减轻工人巡线的劳动强度，降低高压输电的运行维护成本，提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，对于增强电力生产自动化综合能力，创造高的经济效益和社会效益都具有重要意义。因此，专用巡线机器人的研制及其技术研发已成为当前特种机器领域的一个研究热点 5。 现阶段随着 O
4、PGW 光缆在电力系统的广泛应用，对于 OPGW 光缆的检测要求也不断地提高。OPGW 光缆会经常受到雷电、腐蚀及人工采矿等现象造成损害。因此对光缆进行定期的检测是必不可少的。因此研制光纤复合架空地线(OPGW)巡检移动机器人成为热点 1，但是在 OPGW 线路上存在着防震锤、耐张线夹等障碍物，给机器人的巡线带来困难，本文应用随机 hough 变换对障碍物进行检测，以满足了巡线机器人对实时越障的要求。二、国内外的发展现状1.国内情况国内关于架空电力线路巡线机器人研究的报道较少。1998 年武汉水利电力大学的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车，小车采用单体三驱动轮结构,具有稳定的行走功能和越
5、障功能,能顺利越过绝缘子、防振锤、悬垂线夹等主要障碍物,并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。巡线小车的行走、越障通过人工遥控加机械控制器来实现.。目前，该研究组正在进行智能化程度较高、越障能力强的自治巡线机器人的研制工作。中科院沈阳自动化所、中科院自动化所在 863 基金项目资助下也开展了架空电力线路巡线机器人的研究 2。2.国外情况移动机器人技术的发展为架空电力线路巡检提供了新的技术平台。20 世纪 80 年代，国际上开始研制高压输电线路巡线机器人。早期日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人，并取得了较大的进展，尤其是可在两个杆塔之间巡检的机器人技术较为成熟，有些已
6、达到产品化的程度。美国 TRC 公司 1989 年研制了一台悬臂自治巡检机器人模型，能沿架空导线进行较长距离的行走，可进行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查任务，并将探测到的线路故障参数进行预处理后传送给地面人员。然而仅在两个杆塔之间爬行的巡线机器人已远远不能满足实际线路巡检工作的要求，输电线路不仅存在着支撑杆塔，而且还存在着多种线路附件构成的障碍物，如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子等。因此具有越障功能的巡线机器人成为该领域研究的重点。三、研究方法 本文重点研究基于视觉的障碍物检测识别方法,利用视觉传感器采集图像,提取包含障碍物的边缘信息,在边缘图像中运用霍夫变换等方法分别检测直线
7、、圆和角点等图形基元,并利用导线与障碍的位置关系以及障碍本身的特点来进行结构约束,识别出障碍物。研究的内容主要包含以下几个方面：1. 图像边缘检测图像最基本的特征是边缘，边缘是图像性区域和另一个属性区域的交接处，是区域属性发生突变的地方，是图像中不确定性最大的地方，也是图像信息最集中的地方，图像的边缘包含着丰富的信息。因此，图像的边缘提取在计算机视觉系统的初级处理中具有关键作用。2. 随机霍夫变换Hough 变换的思想就是将 xy坐标空间中的图像转换为参数空间的坐标，并通过投票的思想进行证据累积，通过查找最大峰值的方法对图像进行识别。传统的 hough变换在对圆形进行检测时，要在三维的空间中进
8、行计算，而随机 hough 变换将三维空间变化为二维空间降低了计算复杂度。传统的 hough 变换要对每一个点进行计算，这样受到噪声点的影响很大，而随机 hough 变换它是随机选取的三点因此抗造能力强。在障碍物的监测与识别当中我们检测到的障碍物往往不是标准的圆，而是部分的圆环，随机 hough 变换引入的阀值可以人为地改变，更适合障碍物的检测与识别 9。 3. 障碍识别算法原理及实现图 1 是 2OPGW 典型的线路结构示意图，该图显示了巡线机器人遇到的典型障碍有防震锤、悬垂线夹、耐张线夹等。由于防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子串既无丰富的表面纹理，也无鲜明的颜色特征，且相互铰接，因而难以
9、分割成单独的区域。针对障碍物的外观、形状和结构特点，我们选择相对简单的直线、圆(圆弧)、椭圆等几何图形基元作为障碍物存在的线索，结合输电线路结构对上述图形基元位置的约束来识别不同类型的障碍物。算法的两个关键问题是：（1）从边缘图像中快速可靠地抽取直线、圆（圆弧）和椭圆等图形基元(2)在结构约束下判断检测到的图形基元源自于何种障碍。图 1 OPGW 典型的线路结构图3.1 导线检测识别导线并不是障碍，检测它是用来约束防震锤以及悬垂线夹上方绝缘子串的位置。巡线机器人沿导线行走时, 导线在图像平面中的投影呈棒状从图像平面上边框倾斜向下。利用渐进概率霍夫变换抽取直线,并对这些直线进行角度和位置约束，得
10、到导线的两条边缘直线，从而完成导线的识别和定位。3.2 防震锤检测识别防震锤安装在导线下方，它由两个中空圆筒连接而成，投影到图 1 所示摄像机后,在边缘图像中其端面呈圆弧，可以检圆弧来验证防震锤的存在。单纯的检圆弧算法比较复杂，可以通过检圆弧所在圆来代替。3.3 耐张线检测识别耐张线夹本身很小，特征难以提取，而支撑耐张线夹的两串绝缘子在图像中呈现被导线左、右分开的两个圆，耐张线夹识别问题可转化为圆的检测，通过检测绝缘子的两个圆可判断耐张线夹的存在。仍然利用随机 Hough 变换圆检测原理来实现。3.4 悬垂线夹检测识别悬垂线夹用来把导线夹紧，其本身体积比较小，特征难以提取。而当机器人在导线上行
11、进，离悬垂线夹一定距离时，悬垂线夹正上方的绝缘子串在图像中投影呈现子串式结构。对图像进行分析,发现每两个绝缘子的边缘图像相交处，都有一个角点，且在导线两侧呈对称分布。因此，选择角点检测的方法进行悬垂线夹得识别。四、课题的研究目标巡线机器人沿相线行走时必须探测识别各种障碍，如光缆线中的防震锤、悬垂线夹和耐张线夹等障碍物，并根据障碍类型规划越障行为。针对架空输电线路的结构特点以及障碍物的形状，设计基于结构约束的障碍识别算法，以满足了巡线机器人对实时越障要求。本文设计的架空高压输电线路巡线机器人障碍视觉识别算法，基本满足了巡线机器人越障要求。由于采用基于阈值的决策方法，算法虽然在较宽的范围内表现出稳
12、定一致的性能但。也存在对环境变化适应能力不确定的问题。参考文献1 熊晓明，梁自泽，谭民输电线路障碍物的自动识别系统J.高技术通信，20052 张运楚，梁自泽，傅思遥等.基于结构约束的架空输电线路巡线机器人障碍识别J.机器人，2007（1）：1-63 季虎，孙即祥，邵晓芳等.图像边缘提取方法及展望J.计算机工程与应用，2004（14）：70-734 佃松宜，翁桃，廖云杰等.巡线机器人的研究综述J四川电力，2009，12 5 张运楚，梁自泽，谭民架空电力线路巡线机器人的研究综述J.中科院，20046 周风余，吴爱国，李贻斌110kv 输电线巡线机器人J.中国电力，2008，37 Sawada J，
13、Kusumoto K，Munakata TA mobile robot for inspection of Power transmissions JIEEE Transactions on Power Delivery，19918 左岐，谢植等巡线机器人的发展与应用J机器人技术与应用，2007，39 耿欣，周延泽.巡线机器人的爬行方案设计J机器人技术与应用，2002(4):19 -2110 吴功平，肖晓辉，肖华等. 架空高压输电线路巡线机器人样机研制J.电力系统自动化，2006，30(13)11 李全民，张运楚，李俊策.架空输电线路巡线机器人的视觉导航计算机工程与应用，200712 李晓舟，
14、许金凯，于化东等超高压输电线路巡线机器人结构设计与运动学仿真长春理工大学学报，2009913 Leavers VFShape Detection in Computer Vision Using Hough TransformMLondon: Springer-Verlag，1992 14 陈中伟，肖华，吴功平.高压巡线机器人电磁传感器导航方法J，传感器与微系统，2006，25 (9) 15 岳健，项学智.一种改进的 Hough 圆检测算法J应用科技，2006，33 (6) :74276.16 赵桂霞，黄山.一种基于随机 Hough 变换圆检测的改进算法J计算机技术与发展，2008，(04)1
15、7 王恒基于改进 Hough 变换的圆形物体检测D沈阳：东北大学，200518 王远方基于 VC 的巡线机器人障碍物识别软件设计D北京：北方工业大学，2009毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题需要研究的问题：针对 OPGW 光缆上的障碍，本文提出了利用计算机视觉导航技术来检测识别障碍物的方法。根据 220kV 架空输电线路的结构特点，设计了基于结构约束的障碍检测和识别算法。检测识别的过程包含：视觉传感器采集图像，提取包含障碍物的边缘信息，检测典型几何图形，并利用巡线机器人运行环境进行结构约束，进而识别出障碍物。1. 障碍物探测与识别
16、安装在输电线路上的防震锤、绝缘子、悬垂线夹、耐张线夹等杆塔支撑附件形成了机器人在电力线上运行的障碍。为跨越这些障碍，实现长距离、大范围的巡检，机器人必须借助于自身安装的传感器探测和识别这些障碍，控制机器人减速慢行，避免与障碍物的碰撞，然后根据障碍类型规划越障行为，实施越障动作。为此，在机器人上安装了红外、CCD摄像机、超声波、接近开关等多种检测传感器，以实现障碍物探测。机器人障碍探测及识别主要包括：实时探测定位防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等障碍；实时识别障碍物的类型，根据障碍类型规划越障策略；将轮式行走改为步进式越障工作方式，完成越障运动控制，跨越障碍物继续行走巡线。2. 探测与识别的算法图 1
17、 描述了巡线机器人在 OPGW 线路上进行识别的过程。一般在 OPGW 线路上的障碍物有：防震锤、耐张线夹、悬垂线夹。机器人在巡线过程中要对这些障碍进行识别和跨越。本课题重点研究理论是霍夫变换以及在检测圆方面的具体应用，利用边缘提取来进行障碍识别。算法的两个关键问题是：（1）从边缘图像中快速可靠地抽取直线、圆（圆弧）和椭圆等图形基元；(2)在结构约束下判断检测到的图形基元源自于何种障碍。图像边缘提取的原理是：从图像中提取的边缘点，在一定条件下包含了原图像的全部信息，而兴趣目标也常常出现在图像的边缘处。因此，算法充分利用图像边缘信息，采用改进的圆检测方法从中提取构成障碍物的典型几何图形，并利用巡
18、线机器人运行环境的结构约束，分层决策，缩小搜索空间，使算法简单有效。基于存在概率图的圆检测方法，将边缘点的“投票”结果变换为参数空间中圆存在的相对可能性,提高了不清晰边缘的圆检出率。本文设计的架空高压输电线路巡线机人就是利用圆检测的方法进行障碍的识别。3.算法的软件仿真MATLAB 具有功能强大、界面友善、开放性强等优势，而被广泛地应用到各种仿真的领域。本设计中主要利用该成熟软件对算法进行仿真，并通过仿真平台将结果演示出来。拟采用的研究手段：针对OPGW光缆上的障碍，本课题将利用计算机视觉导航技术的方法来检测识别障碍物。对采集来的图像进行预处理后，提取包含障碍物的边缘信息后，利用随机霍夫变换检测典型几何图形，并利用巡线机器人运行环境进行结构约束，识别出障碍物。设计实验室模拟线路和实际线路的障碍识别模拟，检验算法的可靠性和实用性。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师： 2010 年 4 月 1 日
