一种带电作业绝缘遮蔽物空间布局自动规划与验证方法与流程

本发明涉及配网带电作业，具体涉及一种带电作业绝缘遮蔽物空间布局自动规划与验证方法。

背景技术：

1、在配电网带电作业领域，绝缘子更换是保障线路安全稳定运行的关键维护作业。随着配网带电作业机器人的推广应用，机器人自主更换绝缘子已成为降低人工劳动强度、提升作业安全性的重要发展方向。绝缘遮蔽作为带电作业中的核心安全措施，其空间布局的合理性直接影响机器人更换绝缘子作业的安全性和效率。目前，绝缘遮蔽物的安装主要依赖作业人员的现场经验和人工判断，存在以下技术缺陷：

2、缺乏定量分析手段：现有绝缘遮蔽安装依赖人工经验和目测判断，仅遵循经验性规定，无法自动计算带电体与机械臂末端的最短空间距离，易出现遮蔽盲区或过度遮蔽。过度遮蔽会压缩机械臂操作空间，影响拆装动作灵活性；遮蔽不足则会导致带电体裸露，存在触电安全风险。

3、固定模板匹配自适应能力差：现有自动化方案依赖预设遮蔽模板库匹配布局，模板覆盖率不足60%。但配网作业环境复杂，不同杆塔的导线排列方式、绝缘子类型、横担结构差异大，不同型号绝缘子几何尺寸差异也十分显著，固定模板无法适应多样化现场环境，环境变化后需要人工重新调整参数，无法根据绝缘子实际尺寸自动调整遮蔽物规格和位姿。

4、缺乏与更换动作序列的协同验证：现有遮蔽规划与后续作业执行相互独立，规划时未考虑绝缘子更换各动作对空间和路径的约束，实际作业中约40%的场景会出现机械臂操作空间不足或拆装路径与遮蔽物干涉的问题，需要二次调整遮蔽物，单次作业平均返工时间约12分钟，严重降低作业效率。

5、安全距离评估精度不足：现有方法仅采用简单欧氏距离计算空间距离，未考虑复杂曲面的精确几何特征，也未引入包络体扩展运算，安全距离评估误差达±15cm，无法满足绝缘子更换近距离作业的精度要求，直接影响遮蔽布局精准度和作业安全。

6、综上所述，现有技术在面向绝缘子更换作业的绝缘遮蔽物空间布局规划方面存在智能化程度低、自适应性差、与更换动作序列脱节等突出问题，亟需一种能够实现自动规划、精确验证且与绝缘子更换动作序列协同的绝缘遮蔽物空间布局方法。

技术实现思路

1、本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种带电作业绝缘遮蔽物空间布局自动规划与验证方法，融合多传感器三维重建、自适应粒子群布局优化、数字孪生联合验证及voronoi/minkowski高精度距离评估，实现配网带电作业遮蔽规划的精准化、自适应与闭环协同，显著提升安全性与效率。

2、本发明提供如下技术方案：一种带电作业绝缘遮蔽物空间布局自动规划与验证方法，所述方法包括如下步骤：

3、s1、多传感器融合的三维点云采集与带电体几何建模；

4、多源采集作业现场的三维点云，基于置信度权重融合三维点云输入至pointnet++语义分割网络进行目标识别，区分目标绝缘子和周围带电体，针对不同类型的带电体分别进行几何重建，生成带电体几何模型，自动提取待更换绝缘子关键参数，构建作业空间的几何场景模型g；

5、s2、危险区域识别与拆装通道规划；

6、在几何场景模型g的基础上，采用计算几何方法计算带电体与机械臂之间的空间关系，并识别绝缘子拆装操作通道；

7、s3、绝缘遮蔽物空间布局多目标优化；

8、将绝缘遮蔽物的空间布局建模为多目标优化，以最小化遮蔽物数量、最大化机械臂操作空间、最小化安全距离违反惩罚为优化目标，设置全覆盖约束、非干涉约束、可达性约束和危险区分级约束，根据带电体类型按规则选择对应遮蔽物并设置初始位姿，采用带约束粒子群优化算法迭代求解，得到pareto最优布局解集；

9、s4、基于数字孪生的联合验证；

10、对pareto最优布局解集中的每个候选布局依次开展三重验证，首先采用obb层次树算法完成碰撞检测验证；其次采用rrt*算法完成可达性验证；最后对绝缘子更换进行更换动作序列验证；

11、s5、虚实同步的闭环反馈与动态调整；

12、实时传感器监测作业环境的变化，计算实际环境与数字孪生模型的位置偏差，当偏差超过阈值时，触发遮蔽布局的动态重规划。

13、进一步的，

14、所述步骤s1中的pointnet++语义分割网络采用两层set abstraction结构；

15、第一层采样半径r1=0.1m、采样点数512个，提取局部点云特征；

16、第二层采样半径r2=0.2m、采样点数128个，提取全局语义特征；

17、分割头采用插值上采样与skip link结构，输出逐点分类标签包括：导线、绝缘子、横担、线夹、待更换绝缘子、背景；待更换绝缘子类别通过作业任务输入的目标绝缘子位置信息进行监督训练，区分目标绝缘子和周围带电体。

18、进一步的，

19、所述步骤s1中的针对不同类型的带电体分别进行几何重建，生成带电体几何模型，自动提取待更换绝缘子关键参数，构建作业空间的几何场景模型g；

20、设分割后的导线点云为pconductor，待更换绝缘子点云为ptarget_insulator，背景绝缘子点云为pbg_insulator；

21、对于导线类点云，采用3次b样条曲线拟合重建导线中心线，得到导线三维曲线模型cconductor：，其中为k次b样条基函数，pi为控制点，为b样条曲线上的三维空间点；

22、对于绝缘子点云，采用泊松曲面重建方法生成满足碰撞检测精度要求的三角网格模型minsulator，网格顶点间距约5mm，三角面片数约2000个，从绝缘子点云中自动提取关键几何参数：绝缘子串长lins、最大伞裙直径dskirt、上端连接金具中心点ptop、下端连接金具中心点pbottom及绝缘子主轴方向向量；

23、；

24、对于横担点云pcrossarm，采用主成分分析算法生成满足碰撞检测精度要求的三角网格模型mcrossarm，网格顶点间距约5mm，从横担点云中自动提取关键几何参数：横担中心点pcross、横担长度方向主轴向量vcross、横担长度lcross、宽度wcross及高度hcross；

25、构建作业空间的几何场景模型g={cconductor,minsulator,mcrossarm,...}。

26、进一步的，

27、所述步骤s2中的采用计算几何方法计算带电体与机械臂之间的空间关系：

28、对机械臂各连杆进行包络体建模：将第i个连杆的包络体表示为

29、bi={x|x=p+r,p∈li,||r||≤ε}，其中li为连杆中心线，p为连杆中心线上任意一点坐标向量，r为空间偏移向量，ε为安全裕度；

30、将包络体bi与带电体几何模型m进行minkowski和运算：minkowski(m,bi)={m+b|m∈m,b∈bi}，得到扩展后的危险区域模型，其中m为带电体上任意点，b为连杆包络体内任意点；

31、在作业空间ωr3内构建带电体的三维voronoi图，进行危险区域分级：设带电体集合为m={m1,m2,......,mn},v(m)={x∈ω|d(x,m)≤d(x,m')}，其中v(m)为带电体m的voronoi胞元，d(x,m)为空间点x到带电体模型m的最短距离，m’为集合中任一带电体，设带电作业的安全距离阈值为dsafe，则危险区域定义为：dzone={x∈ω|dmin(x)

32、进一步的，

33、所述步骤s2中的识别绝缘子拆装操作通道：

34、拆装通道定义为沿待更换绝缘子主轴方向的圆柱形操作空间，其参数为：

35、通道中心线pcenter：绝缘子主轴方向穿过绝缘子几何中心点；

36、pcenter=(ptop+pbottom)/2；

37、通道半径rpass=dskirt/2+pass，其中pass=100mm为操作裕量；

38、通道长度lpass=lins+2*l，其中l=150mm；

39、拆装通道在空间中被标记为操作保留区，拆装通道入口和出口方向根据机械臂基座位置和绝缘子姿态自动计算。

40、进一步的，

41、所述步骤s3中的绝缘遮蔽物空间布局多目标优化：

42、设需要遮蔽的带电体集合为t={t1,t2,...,tn}，候选遮蔽物类型库为s={s1,s2,...,sm}，每个遮蔽物sj在空间中具有6自由度位姿参数θj=(xj,yj,zj,αj,βj,γj)；

43、优化目标函数定义为：

44、

45、其中,为遮蔽物使用数量，i(·)为指示函数；

46、为机械臂可达工作空间自由体积的负值，其中表示安装遮蔽物后机械臂末端可到达且不发生碰撞的笛卡尔空间区域体积；

47、为安全距离违反惩罚项，其中为作业空间内第i个校验点位，点位到最近带电体的实际空间距离；

48、约束条件包括：

49、全覆盖约束：每个带电体ti至少被一个遮蔽物sj覆盖；

50、非干涉约束：遮蔽物之间不得相互碰撞；

51、可达性约束：遮蔽物安装后机械臂末端可达工作空间wa()必须包含所有作业目标点；

52、危险区分级约束：红色危险区必须完全遮蔽，黄色警示区优先遮蔽；

53、根据带电体类型和尺寸自动匹配对应规格的遮蔽物，遮蔽物初始位姿j设置为带电体几何中心位置，方向沿带电体主轴方向，采用带约束粒子群优化算法迭代求解，得到pareto最优布局解集；

54、粒子位置编码为:，

55、速度更新公式为：

56、；

57、其中ω为惯性权重，c1为个体学习因子，c2为群体学习因子，r1,r2u(0,1)，为第i个粒子第k代当前速度，为第i个粒子当前位置，个体历史最优位置，全局最优位置；对于违反约束的粒子，采用可行解优先的锦标赛选择策略进行筛选；算法迭代直至pareto前沿收敛或达到最大迭代次数kmax=200。

58、进一步的，

59、所述步骤s4中的基于数字孪生的联合验证：

60、碰撞检测验证：采用obb层次树算法，检测机械臂各连杆包络体bi与遮蔽物模型sj之间的碰撞关系，若存在碰撞，则标记该布局方案为不可行；

61、可达性验证：采用rrt*算法，在已安装遮蔽物的环境中规划机械臂从初始姿态到各个作业目标点的运动轨迹；

62、更换动作序列验证：动作序列包括：导线临时固定、拆卸旧绝缘子、传递新绝缘子、安装新绝缘子、恢复导线连接，进行动作执行空间验证、动作连贯性验证、绝缘子传递路径验证，若所有作业目标点均可达且规划路径的平滑度指标jsmooth=∫k2(s)ds低于阈值jth，则该布局方案通过验证，其中k(s)为路径曲率函数。

63、进一步的，

64、所述步骤s5中虚实同步的闭环反馈与动态调整：

65、设实时监测的带电体位置为treal，与数字孪生模型中的位置tmodel之间的偏差为δt=treal-tmodel，当||δt||>δth，δth取50mm，触发遮蔽布局的动态重规划，以当前布局为初始解，仅对偏差区域附近的遮蔽物位姿进行局部带约束粒子群优化算法优化，快速生成调整方案；若连续3次重规划仍无法找到可行解，则触发安全停机并告警。

66、进一步的，

67、所述步骤s5还包括：

68、导线张力实时监测，通过安装在导线抓持器上的力传感器实时监测导线张力变化，若导线张力超过安全阈值，所述安全阈值为导线额定拉断力的30%，立即触发告警并暂停作业；导线张力监测数据同时反馈至数字孪生模型用同步校正。

69、进一步的，

70、所述步骤s1中的多源采集作业现场的三维点云，通过搭载在绝缘斗臂车上的双目视觉系统和激光雷达分别采集。

71、本发明产生的有益效果：

72、高精度几何基础数据获取：针对现有方法依赖人工经验、缺乏定量数据的问题，提供基于多传感器融合的三维点云重建与带电体几何建模方法，实现作业空间所有带电体的精确三维重建，重建精度达±2mm，可自动提取绝缘子几何参数，将安全距离计算误差从±15cm降低至±2mm；

73、自适应遮蔽布局优化：针对固定模板自适应性差的问题，提出基于多目标优化的绝缘遮蔽物空间布局算法，以满足安全距离为硬约束，以最小化遮蔽物数量、最大化操作空间保留率为优化目标，采用带约束粒子群优化算法求解最优布局，可适应不同杆塔、绝缘子型号和作业环境，布局覆盖率达98%以上；

74、遮蔽布局与更换动作序列的联合验证：针对遮蔽规划与作业动作脱节的问题，建立联合验证机制，在数字孪生环境中通过碰撞检测、路径规划对候选布局进行三重验证，可将作业返工率从约40%降低至2%以下，实现遮蔽规划与作业执行的闭环协同；

75、精确安全距离评估与动态调整：针对安全距离计算精度不足的问题，采用三维voronoi图与minkowski和计算最短距离，将评估精度提升至±2cm，同时建立虚实同步闭环反馈机制，可根据环境变化触发动态重规划，适应配网作业的动态特性。