变电站智能巡检机器人导航定位技术设计

变电站智能巡检机器人导航定位技术设计*
孙 振,胡金磊,罗建军,黎阳羊
(广东电网有限责任公司清远供电局,广东 清远 511515)
摘 要:智能巡检机器人性能对于提高变电站电气设备安全运行具有重要作用。

本文设计了变电站智能巡检机器人导航定位总体机构,以定点监测和轨迹行进作为导航定位方案,轨迹行进采用一种新颖的路径导航算法,通过图像处理和模式识别判断机器人前进方位。

最后通过模拟机器人进行实验,运行结果表明本导航方法具有路径识别速度快,判别精确、灵活可移植的特点。

关键词:变电站;智能巡检机器人;导航定位;路径导航算法
中图分类号:TP242.6 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2018)11-0082-04
Design of Navigation and Positioning Technology for Intelligent Inspection Robot in Substation
SUN Zhen, HU Jin-lei, LUO Jian-jun, LI Yang-yang
( Qingyuan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Qingyuan 511515 China ) Abstract: The performance of intelligent inspection robot plays an important role in improving the safe operation of electrical equipment in substations. In this paper, the general positioning and navigation mechanism of substation intelligent inspection robot is designed. Fixed-point monitoring and trajectory tracking are used as a navigation and location plan.
A novel path navigation algorithm is used to track the robot's forward position through image processing and pattern
recognition. Finally, the simulation robot experiment is carried out. The results show that the navigation method has the characteristics of fast track recognition, accurate discrimination and flexibility and portability.
Key words: substation; intelligent inspection robot; navigation and positioning; path navigation algorithm
1 引言
为了保证变电站安全生产和运行,必须定期对现场电气设备进行巡视检测,及时进行消缺和检修[1-2]。

传统变电站巡视依赖人工巡检,劳动量大,漏检、误检造成的经济损失时有发生。

单靠人工巡检难以满足变电站设备和线路安全运行要求。

随着智能机器人的开发和推广,用机器人代替部分人力巡检成为迫切需要[3-4]。

智能巡检机器人携带红外热像器、CCD摄像机、监听头等传感装置组成,通过远程遥控实现变电站室内外电气设备的巡视检查[5-6]。

当出现金具发热、导线悬挂异物和设备振动异常等现象,及时通过无线信号发出报警或执行故障消除操作[7-8]。

巡检机器人设计的关键就是导航定位系统,即利用具有图像处理、模式识别和人工智能等功能的探测器先确定巡视轨迹和方位,然后探测目标物的位置、温度、机械振动、图像等变化,识别出缺陷和故障[9-10]。

本文主要解决巡检机器人导航定位问题。

通过分析现场巡检功能需要,建立机器人总体机构;制定轨迹前进的人工视觉导航方案;设计定位检测方法,最后通过模拟实验验证方案的有效性。

2 导航定位整体结构
2.1 功能要求
*基金项目:变电站室内设备巡视机器人的研究及开发(编号031800 KK52160014)
收稿日期:2018-04-02
通讯设备和监控中心实时的通信功能,实现机器人采集数据的远传和运维人员命令的遥控。

机器人自身包括图像和声音采集系统、伺服控制系统、导航定位系统和自我检测维护模块。

其中采集系统是采集声音和图像,判断设备有无缺陷或异常,如有则报警上传。

伺服控制系统是利用云台和电机驱动,机器人实时调节云台旋转和俯仰角度,通过电机驱动实现机器人协调行进,完成多角度拍摄。

自我检测维护系统是实时采集机器人本体上的各监测点数据来判断机器人运行功能是否正常,如异常,触发智能报警分析系统对异常进行分析记录,根据警报类别自动进行故障消除,如属于电源或不可消除故障可向向监控中心报警,并启动自保护原地等待人工救援。

3 导航原理
3.1 图像采集理论
机器人图像采集系统以计算机为中心,由视觉传感器、图像采集和处理系统等组成。

视觉传感器获取电气设备和线路图像,经视频采集卡进行图像采集,采集结果传送到计算机视频处理软件中对图像进行一系列的计算,分析得到变电站电气设备运行状态特征的数据信息,如图2所示。

图2 变电站巡检机器人视觉处理流程
4 导航定位方案
导航定位总体思路是在变电站人行道边安装引导线,机器人循线行走对重要设备采集异常图象。

首先
为了能快速有效直行或者拐弯,研究一种四周检测路径导航算法,将信息载体引入到定点检测上。

此方案需要图像处理、模式识别、人工智能和机器视觉等基本理论制定出。

4.1 路径设置
巡检机器人的智能就是利用图像处理、模式识别和人工智能等技术进行多功能自主设备巡视检查,代替人眼观查不到的缺陷,旨在提高设备巡视自动化和工作效率。

因此变电站智能巡检机器人应具备的功能:
(1) 导航定位功能:能够寻着预先设定好的轨迹行进,包括掉头、直行、转弯和暂停等,到达位置后通过调节红外摄像机及可见光C C D 探测器、俯仰电机实现设备最佳角度和清晰度的拍摄。

(2) 图像处理功能:携带红外热像仪、可见光CCD 和监听头等检测设备。

红外热像仪可以探测设备热缺陷,生成设备本体及金具连接处的红外热成像图片,判断是否有高温异常。

可见光C C D 通过采集图像进行电气设备的外观检查,包括线路悬挂异物、移位等异常情况,同时记录主变、断路器、刀闸开合位置实际位置,自动读取仪器仪表上非同源读数、油位等,报警或进行故障处理。

(3) 伺服功能:通过控制电机使机器人在一定时间按预先设计好的程序对待检设备进行排序巡视。

(4) 无线传输功能:图像、声音等信号或报警信号要实时传输到监控中心,同时及时接受来自监控中心的调控指令,保持良好的通信状态。

2.2 总体结构
变电站巡检机器人相当于一个可沿指定路径移动的智能监控系统,需要配置红外和可见光摄像机、无线通讯设备、伺服控制系统、声音和图像采集处理系统等,结构如图1所示。

图1 视觉导航变电站巡检机器人总体结构
总体结构包括监控中心和巡检系统。

首先变电站运维人员下发巡视任务,
启动机器人进行指令工作
,机器人通过图像处理和模式识别等技术,对巡视的设备缺陷自动识别、报警和现场处理。

巡检系统主要指通过无线
导引线选色比周围环境颜色鲜艳,易于与人行道标示线区别,宽度设为人行道道宽的百分之七,目的是机器人拐弯时不碰到周围其他物体。

可见光摄像机设定为500-600m m高度、行走速度为0.5米/秒,边走边沿引导线拍摄。

循线摄像机检测上下左右四个边界图像,比对模板快速判断引导线方位类别,从而做出调节机器人位姿的动作,引导线方位类别有直行、左拐、右拐和掉头弯和S弯。

重要设备处设置导引线待检停靠点,停靠点贴二维码,加载待检测设备的正常运行电气参数,机器人比对现场设备实际参数,若有异常,则发出报警信号输送到监控中心运维管理人员。

二维码简化了机器人自身巡检复杂程序,提高机器人的可操作性。

导航定位方案流程图如图3所示。

图3 智能巡检机器人视觉导航流程图
4.2 视觉处理
机器人巡线前进定位主要采用视觉导航法,即处理方向的直行和拐弯。

内置计算机机对路径图像信息处理速度和精度直接影响机器人沿着预设路径前走的反应速度。

4.3 图像处理
可见光摄像机采集到彩色图像是基于三基色,其中像素分量分别为红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm),三分量有0~255范围的值,按不同比例搭配可获得人视觉上现场真实彩色。

但彩色信息占比大,是灰度化的三倍,且三基色无法进行二值化,故将三基色处理成三个通道相同的灰度值,灰度值的范围同样是 0~255,该数字代表图像色彩的亮度。

由于三基色各个波长不同,会引起色调、饱和度和明度变化。

色调用于标识单一或者白
色颜色比重,色调用单色光波长表示,若非单色光和白光混合,则色调用非单色光补光。

饱和度用公式表示为:
(1)
其中,流明总数表示颜色的明亮程度。

要提取亮度分量,需要采用HSV和HSL模式。

HSV由色调、饱和度和纯度三部分构成,HSL和HSV的区别是纯度改为亮度。

其灰度化方式有孟塞尔分量法:从孟塞尔空间中分别提取色调分量、饱和度分量、亮度分量。

人的视觉系统经常采用孟塞尔色彩空间。

传统的图像处理和计算机视觉算法都可在孟塞尔色彩空间中使用。

色调分量、饱和度分量和亮度分量提取如图4所示。

图像特征提取是利用一阶或二阶微分的边缘检测算子得出该图像的边缘。

一阶导数是求边缘检测算子的最
大值,二阶导数是取算子零点作为边缘位置。

采用卷积和的sober算子,公式为:
(2)
4.4 视觉测距法
机器人视觉测距采用单目视觉测距。

利用采集的图片进行数学算法运算获取距离值。

其方法简单,运算量较小,计算速度快,便于实时测量。

单目视觉测距采用对应点标定法,找到摄像机二维图像信息与三维空间信息的映射关系
,实现图像坐标系
与空间坐标系的转换,摄像机的标定参数有角度和高度
等。

当摄像机移动位置时,则需要重新进行参数标定,
(a) 提取色调分量灰度化图像 (b) 提取饱和度分量灰度化图像 (c) 提取亮度分量灰度化图像
图4 孟塞尔色彩空间处理结果
继而得到下一个参数转化矩阵。

对应点标定法程序简单,可操作性强。

5 运行结果
沿引导线行进的单目视觉导航方案采用四边检测算法程序。

测试结果如下:用蓝色线模拟巡检机器人行走路径。

模拟巡检机器人右拐15°,全速前行1.5米,测试轨迹良好。

模拟巡检机器人全速直行1.5米,不拐弯,直线轨迹良好;模拟机器人左转90°,全速前行1.5米,测试轨迹良好。

机器人在定点设备扫描二维码图像程序运行结果如下:张贴在设备上的二维码图象呈畸变形状,机器人扫描图像处理正常,通过图像处理算法还原的畸变Q R码所含电气设备参数正常。

可以看出,通常情况下摄像机拍摄的二维码以畸变为主,而本设计机器人能够很好的还原畸变的二维码,图像处理后其设备电气参数能被正确读取,机器人程序运行良好。

6 结束语
本文讨论了变电站智能巡检机器人的功能设计需求,设计了智能巡检机器人的总体结构。

配置了采用引导线的变电站智能巡检机器人视觉导航总体方案,包括轨迹前进和电气设备二维码定点扫描,路径设置、视觉处理、视觉测距。

本设计的变电站智能巡检机器人可以完成预定的指定任务,达到预期效果。

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作者简介:孙振(1985-),男,工程师,主要从事电力系统运行与维护。

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作者简介:王青苗(1989-),女,助教,研究方向:城市轨道交通控制。

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