面向换流站变压器取油口的定位方法及系统与流程

本发明涉及设备定位，尤其涉及一种面向换流站变压器取油口的定位方法及系统。

背景技术：

1、换流变压器是换流站中的关键设备，其运行状态直接影响电网安全稳定运行。在设备运行过程中，通常需要定期开展绝缘油取样，并通过油中溶解气体分析等检测手段判断设备内部是否存在异常放电、过热及绝缘老化等故障隐患。目前，换流变压器取油作业主要依靠人工完成，作业人员需要根据设备编号和现场标识找到目标设备，并手动完成取油阀确认、取样接头连接、油样采集及封装等操作。

2、随着数字换流站和智能运检技术的发展，采用移动机器人搭载机械臂和自动取油装置替代人工完成现场取油逐渐成为一种发展趋势。机器人能够根据任务指令自主到达目标设备附近，并利用机械臂完成取油接头连接和油样采集，有助于降低人员现场作业风险，提高取油流程的自动化和标准化水平。

3、然而，在机器人自动取油过程中，仅依靠移动机器人自主导航无法满足取油作业需求。移动底盘导航通常只能实现机器人到达换流变压器附近，而取油口位置通常位于设备侧面或底部局部区域，尺寸较小，且周围存在阀门、管路、法兰等结构。机械臂末端需要进一步获取取油口的准确位置和方向，才能完成取油接头与取油口之间的精准对接。因此，如何实现机器人对换流变压器取油口的高精度定位，是自动取油系统中的关键问题。

4、现有机器人定位方法主要包括基于固定位置示教的定位方法、基于视觉标识的定位方法以及基于目标几何特征的定位方法，具体为：

5、基于固定位置示教的方法通过人工控制机械臂运动至目标位置，并记录机械臂末端位姿。在实际作业时，机器人根据预先保存的位置参数重复执行取油动作。该方法实现简单，不需要复杂的视觉处理算法，但其依赖机器人安装环境和设备位置保持稳定。当移动机器人停车位置发生变化、机械臂重复运动存在误差，或者换流变压器设备维护后局部结构位置发生变化时，原有示教位置难以保证取油接头与取油口准确对应，导致定位精度下降。

6、基于视觉标识的定位方法通过在目标设备附近设置具有特定编码信息的人工标志，利用摄像设备识别标志特征，并根据标志与目标设备之间的空间关系计算目标位置。该方法具有目标识别明确、定位速度较快等特点，能够避免机器人在复杂设备环境中进行大范围搜索。但该类方法通常以人工标志作为直接测量对象，目标设备实际位置需要通过标志位置间接推算获得。当人工标志存在安装偏差、固定结构发生变化、表面污染或图像采集受到环境影响时，定位误差会进一步传递至最终目标位置，难以保证机器人末端与取油口之间的精确对准。

7、基于目标几何特征的定位方法则直接利用设备自身结构信息进行定位，例如利用目标的轮廓、边缘、平面、圆形结构或空间点云特征，计算目标中心位置和方向。该方法无需额外安装标志，定位结果能够直接反映设备本体位置，具有较好的物理一致性。但是，换流变压器结构复杂，取油口附近通常存在多个相似的金属部件，目标区域容易受到遮挡、反光、油污及环境光变化影响，导致目标特征提取困难。同时，该方法通常需要较准确的初始搜索范围，当机器人距离目标较远或目标位置未知时，定位效率和稳定性受到限制。

8、此外，现有机器人视觉定位方法通常将目标识别和末端运动控制分为两个独立过程，即先通过视觉算法获取目标位置，再根据计算结果控制机械臂运动。当视觉测量结果存在偏差时，后续控制过程只能按照已有目标位置执行运动，缺少利用目标自身几何约束对视觉定位结果进行校正的能力。因此，在换流变压器取油场景中，仅依靠单一定位方式难以同时满足目标快速识别、高精度定位以及稳定对接的要求。

9、因此，针对换流变压器自动取油过程中目标位置识别困难、定位精度不足以及机器人末端难以实现精准对接等问题，需要提出一种能够结合目标识别能力和设备几何约束信息的融合定位方法，以提高机器人取油作业的自主化水平和定位可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向换流站变压器取油口的定位方法及系统，旨在解决现有技术针对换流变压器自动取油过程中目标位置识别困难、定位精度不足以及机器人末端难以实现精准对接的问题。

2、第一方面，本发明提供一种面向换流站变压器取油口的定位方法，所述方法包括：

3、获取包含人工视觉标志和取油口的彩色图像，并将所述彩色图像依次进行灰度化、二值化，得到二值图像，并从所述二值图像中提取所述人工视觉标志的标志角点；

4、根据所述标志角点的像素坐标和三维坐标构建人工视觉标志的位姿矩阵，并根据所述位姿矩阵计算取油口的初始位姿；

5、根据所述初始位姿获取取油口的初始中心位置，并将所述初始中心位置投影至所述彩色图像，根据投影结果获取初始中心位置的像素坐标，并根据初始中心位置的像素坐标确定局部感兴趣区域；

6、将所述局部感兴趣区域内的像素点转化为相机坐标系下的三维点，并由所有的三维点构成取油口的局部点云，并从所述局部点云提取取油口中心、端面法向量和轴线方向；

7、以取油口的初始位姿作为融合定位的初始值，将取油口中心、端面法向量和轴线方向作为几何约束，对取油口的初始位姿进行迭代修正，直至满足预设终止条件，得到取油口的最终位姿。

8、第二方面，本发明提供一种面向换流站变压器取油口的定位系统，所述系统包括：

9、图像处理模块，用于获取包含人工视觉标志和取油口的彩色图像，并将所述彩色图像依次进行灰度化、二值化，得到二值图像，并从所述二值图像中提取所述人工视觉标志的标志角点；

10、初始位姿计算模块，用于根据所述标志角点的像素坐标和三维坐标构建人工视觉标志的位姿矩阵，并根据所述位姿矩阵计算取油口的初始位姿；

11、区域识别模块，用于根据所述初始位姿获取取油口的初始中心位置，并将所述初始中心位置投影至所述彩色图像，根据投影结果获取初始中心位置的像素坐标，并根据初始中心位置的像素坐标确定局部感兴趣区域；

12、特征提取模块，用于将所述局部感兴趣区域内的像素点转化为相机坐标系下的三维点，并由所有的三维点构成取油口的局部点云，并从所述局部点云提取取油口中心、端面法向量和轴线方向；

13、位姿修正模块，用于以取油口的初始位姿作为融合定位的初始值，将取油口中心、端面法向量和轴线方向作为几何约束，对取油口的初始位姿进行迭代修正，直至满足预设终止条件，得到取油口的最终位姿。

14、第三方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质存储一个或多个程序，该程序被处理器执行时实现上述的面向换流站变压器取油口的定位方法。

15、第四方面，本发明提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器，其中：

16、所述存储器用于存放计算机程序；

17、所述处理器用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现上述的面向换流站变压器取油口的定位方法。

18、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

19、本发明通过构造人工视觉标志引导与取油口本体几何约束相融合的定位架构，实现了由粗到精的两级位姿修正，使最终定位结果不仅具备视觉标志快速识别的能力，还能够通过取油口端面、圆心及轴线等本体几何特征对初始位姿进行迭代约束与校正，有效抑制了标志安装偏差、图像畸变、光照变化及边缘检测误差等因素对定位精度的影响；同时，利用初始位姿构建局部感兴趣区域，将几何特征提取范围从全场景大幅缩减至局部区域，显著降低了点云处理与特征拟合的计算开销，避免了复杂背景下相似结构导致的误识别问题；此外，通过建立迭代终止判定机制，使定位结果能够同时满足位置精度与姿态精度的量化要求，并具备定位失败的可识别性，从而为机械臂自动取油提供准确、可靠且可验证的六自由度位姿信息，有效提高了取油接头与取油口的自主对接成功率和作业稳定性。