基于機(jī)器視覺(jué)的變電站智能機(jī)器人的研制*

*國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司科技創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：DJ105002021Y0014

傳統(tǒng)的變電站倒閘作業(yè)以及巡檢業(yè)務(wù)主要以人力運(yùn)維為主，按規(guī)定通常需要2 人一組前往變電站進(jìn)行倒閘操作。然而倒閘操作技術(shù)要求高，人員篩選嚴(yán)格，隨著巡檢業(yè)務(wù)量的增加，人員短缺成為共性問(wèn)題。此外，多數(shù)變電站遠(yuǎn)離市區(qū)，驅(qū)車往返通常超過(guò)兩小時(shí)，而倒閘操作通常只需要半小時(shí)左右。這使得作業(yè)效率低下，人力成本和時(shí)間成本較高。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，運(yùn)檢業(yè)務(wù)工作量與日俱增，目前傳統(tǒng)的人工倒閘操作已明顯滯后于現(xiàn)代電網(wǎng)的飛速發(fā)展，亟需采用新技術(shù)轉(zhuǎn)變倒閘作業(yè)模式，減輕工作人員負(fù)擔(dān)，確保電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著人工智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，由兩者結(jié)合的變電站智能機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。本研究工作利用基于Mean Shift 的目標(biāo)跟蹤算法，通過(guò)多軸機(jī)械手、浮動(dòng)操作平臺(tái)、環(huán)境監(jiān)控球機(jī)、3D 視覺(jué)相機(jī)、2D 激光以及移動(dòng)平臺(tái)等手段將人工運(yùn)維的絕大部分操作動(dòng)作集成到機(jī)器人上，操作者可以遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)，并控制其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙操，最大程度實(shí)現(xiàn)無(wú)人化變電站管理，降低人力成本，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，提升倒閘作業(yè)效率，推動(dòng)變電站智能化建設(shè)。

1   國(guó)內(nèi)外變電站機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外在機(jī)器人的研究、布局上起步較早，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。Katrasnik, J. 等人提出了一種基于圖像視覺(jué)的變電站巡檢機(jī)器人，通過(guò)試驗(yàn)證明該方法的有效性^[1]。John-Young Park 等人研發(fā)了一種新型的巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人采用輪腿移動(dòng)，因而更加小巧輕便，絕緣性更好，同時(shí)其指出使用仿生立體視覺(jué)技術(shù)將更有效地提高巡檢機(jī)器人的智能化^[2]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)關(guān)于變電站機(jī)器人研究起步較晚。魯守銀等人于2005 年提出了一種基于移動(dòng)機(jī)器人的變電站設(shè)備巡檢系統(tǒng)，其可以在無(wú)人值守或少人值守的變電站對(duì)室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡檢，提高變電站設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性^[3]。肖鵬等人針對(duì)現(xiàn)有云臺(tái)無(wú)法滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)巡檢要求這一情況，設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和控制，能夠滿足巡檢任務(wù)的要求^[4]。

國(guó)家電網(wǎng)公司也成立了電力機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，圍繞變電站巡檢機(jī)器人、高壓帶電作業(yè)機(jī)器人以及電力特種機(jī)器人進(jìn)行了一系列的研究。國(guó)網(wǎng)山東省電力有限公司電力科學(xué)研究院和山東魯能智能技術(shù)有限公司于1999 年最早開(kāi)始研究變電站巡檢機(jī)器人，并2004 年成功研制第一臺(tái)功能樣機(jī)^[5]。2012 年12 月，重慶市電力公司和重慶大學(xué)聯(lián)合研制的變電站巡檢機(jī)器人在巴南500 kV 變電站成功試運(yùn)行^[6]，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及自主運(yùn)行。2014 年1 月，浙江國(guó)自機(jī)器人技術(shù)有限公司研制的變電站巡檢機(jī)器人在瑞安變電站投運(yùn)。各類變電站巡檢機(jī)器人已在各省市電網(wǎng)公司中得到推廣應(yīng)用。

2   機(jī)器人視覺(jué)定位方法

2.1 基于Mean Shift的目標(biāo)跟蹤算法

Mean Shift 算法^[7]是一種核密度估計(jì)算法，這種算法屬于無(wú)參數(shù)估計(jì)算法，其不需要事先知道樣本的概率密度分布函數(shù)，完全依靠訓(xùn)練數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行估計(jì)。Mean Shift 算法采用核函數(shù)估計(jì)法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑。它在采樣充分的情況下，一定會(huì)收斂，即可對(duì)服從任意分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行密度估計(jì)。

Mean Shift 算法的本質(zhì)是一個(gè)迭代的過(guò)程，其先算出當(dāng)前點(diǎn)的偏移均值（Mean Shift），然后移動(dòng)到該點(diǎn)的偏移均值上，依次為新的起始點(diǎn)，繼續(xù)移動(dòng)，不斷迭代，直至滿足一定的條件為止。

給定d維空間R^d的n個(gè)樣本點(diǎn)x_i，i=1,…,n，在空間中的一個(gè)點(diǎn)x，其Mean Shift 向量的定義為：

其中，S_h是一個(gè)半徑為h的高維球區(qū)域，滿足以下關(guān)系的y點(diǎn)的集合：

k表示在這n個(gè)樣本點(diǎn)中，有k個(gè)落入S_h區(qū)域。

公式（2-1）表示把落在以半徑為h的高維球區(qū)域中的所有點(diǎn)和圓心產(chǎn)生的向量相加，最終得到的結(jié)果就是MeanShift 向量。然后再以MeanShift向量的終點(diǎn)為圓心，形成一個(gè)高維球區(qū)域，重復(fù)上述操作，最終Mean Shift算法可以收斂到概率密度最大的地方。

將Mean Shift算法理念應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)跟蹤中，首先得到跟蹤目標(biāo)視頻畫面中HSV 空間中H 通道的分布直方圖，然后在下一視頻幀中找到與這個(gè)特征相近的區(qū)域，而相似度的衡量就是使用相似函數(shù)，相似函數(shù)值越大代表所選區(qū)域與跟蹤目標(biāo)越相似。Mean Shift 算法就可以使搜索窗口不斷向兩個(gè)模型相比顏色變化最大的方向移動(dòng)，最終找到當(dāng)前幀的位置，并以此作為下一幀的起始搜索窗口中心，不斷迭代，每?jī)蓭g都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Mean Shift 向量，整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的Mean Shift 向量首尾相連就形成了目標(biāo)移動(dòng)軌跡。

由公式（2-1）看出，所有落入S_h區(qū)域的點(diǎn)的權(quán)重是一樣的。但是在現(xiàn)實(shí)跟蹤過(guò)程中，跟蹤目標(biāo)出現(xiàn)遮擋等影響時(shí)，外層的像素值更容易受到影響，跟蹤目標(biāo)中心附近的像素比外側(cè)的更重要。因此，不同采樣點(diǎn)的權(quán)重應(yīng)是不同的，故而引入核函數(shù)和權(quán)重系數(shù)來(lái)區(qū)分不同樣本對(duì)模型的影響程度，從而提高跟蹤算法的魯棒性，增強(qiáng)算法的搜索跟蹤能力。本文使用的核函數(shù)為Epannechnikov 核函數(shù)：

Mean Shift 算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）計(jì)算目標(biāo)模板的概率密度{q_u }_u=_1,2,…,m，目標(biāo)被估計(jì)位置y₀與核窗寬h；

（2）用初始化當(dāng)前幀的位置，計(jì)算候選目標(biāo)模板{p_u (y₀ )}_u=1,2,…,m；

（3）采用Bhattacharyya系數(shù)作為相似性函數(shù)計(jì)算當(dāng)前窗口內(nèi)個(gè)點(diǎn)的權(quán)重值：

（4）計(jì)算新目標(biāo)的位置：

3   機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文實(shí)現(xiàn)的變電站智能機(jī)器人的系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。其包含機(jī)器人本體和集控中心& 工區(qū)服務(wù)器兩部分。機(jī)器人本體和集控中心& 工區(qū)服務(wù)器通過(guò)無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)建立連接。用戶通過(guò)集控中心& 工區(qū)提供的用戶界面遠(yuǎn)程查看站所環(huán)境和機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)，下發(fā)巡檢和操作指令，而機(jī)器人本體接收到巡檢和操作指令后執(zhí)行相應(yīng)的柜體狀態(tài)識(shí)別或者倒閘目標(biāo)操作。

3.2 機(jī)器人本體架構(gòu)

機(jī)器人本體是巡檢和操作功能的執(zhí)行主體，主要由ROS 節(jié)點(diǎn)、核心服務(wù)、文件服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和實(shí)時(shí)視頻服務(wù)構(gòu)成，如圖2所示。

ROS 節(jié)點(diǎn)是本體功能實(shí)現(xiàn)的核心載體，其通過(guò)網(wǎng)口和本體各硬件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制和狀態(tài)獲取。

核心服務(wù)是本體控制和管理的總?cè)肟冢峁顟B(tài)查詢、數(shù)據(jù)管理、告警顯示、獨(dú)立的巡檢和操作任務(wù)下發(fā)等功能。同時(shí)它也是本體和集控中心& 工區(qū)之間交互的橋梁，實(shí)現(xiàn)信令和數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)為ROS 節(jié)點(diǎn)和核心服務(wù)提供狀態(tài)和任務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)功能。

文件服務(wù)存儲(chǔ)ROS 節(jié)點(diǎn)在巡檢和操作中生成的結(jié)果，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將其上傳到工區(qū)的文件服務(wù)器。

實(shí)時(shí)視頻服務(wù)對(duì)本體搭載的多路監(jiān)控視頻進(jìn)行全景拼接，便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)，輔助用戶進(jìn)行操作確認(rèn)和決策。

3.3 集控中心&工區(qū)架構(gòu)

集控中心& 工區(qū)對(duì)分布在各站所的機(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，包括視頻服務(wù)器、工區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)、工區(qū)文件服務(wù)器和集控& 工區(qū)服務(wù)，如圖3 所示。

視頻服務(wù)器為機(jī)器人本體監(jiān)控球機(jī)及站所監(jiān)控球機(jī)提供視頻存儲(chǔ)、查詢和回放等功能，并提供外置監(jiān)控球機(jī)視角下的機(jī)器人位置定位功能。

工區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各站所機(jī)器人的狀態(tài)和任務(wù)數(shù)據(jù)。

工區(qū)文件服務(wù)器存儲(chǔ)各站所機(jī)器人上傳的結(jié)果圖片、操作日志等文件。

集控& 工區(qū)服務(wù)提供用戶界面，實(shí)現(xiàn)所有接入站所的統(tǒng)一管理、查詢和控制。

4   機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能機(jī)器人的硬件主要由三部分構(gòu)成：位于頂部的機(jī)械臂，位于中間的手車地刀浮動(dòng)平臺(tái)和位于底部的底盤，如圖4 所示。

圖4 智能機(jī)器人原型及實(shí)物

機(jī)械臂末端安裝操作手爪，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋鈕、按鈕、鑰匙、緊急分合閘保護(hù)裝置等目標(biāo)的操作，同時(shí)，機(jī)械臂末端也搭載可見(jiàn)光相機(jī)、紅外相機(jī)和局放檢測(cè)傳感器，通過(guò)機(jī)械臂末端的升降、水平旋轉(zhuǎn)和垂直俯仰來(lái)模擬云臺(tái)動(dòng)作。

手車地刀浮動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)手車和地刀的操作，通過(guò)前后兩個(gè)軸上的位移實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的角度微調(diào)。底盤主要由電池、驅(qū)動(dòng)輪、動(dòng)力系統(tǒng)、激光雷達(dá)及工控機(jī)等構(gòu)成，主要用于承載上部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，及行走導(dǎo)航定位。

4.2 機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)

本文實(shí)現(xiàn)的智能機(jī)器人主要應(yīng)用于220 kV、110 kV電壓等級(jí)變電站以及10 kV 開(kāi)關(guān)室中的智能電氣設(shè)備巡檢任務(wù)執(zhí)行、開(kāi)關(guān)柜倒閘操作、突發(fā)情況下的緊急分閘操作等功能，全業(yè)務(wù)操作均可通過(guò)控制平臺(tái)完成。圖5展示了智能機(jī)器人實(shí)際執(zhí)行倒閘操作的狀態(tài)。智能機(jī)器人在獲取運(yùn)維人員下達(dá)的工作指令后，通過(guò)定位系統(tǒng)精準(zhǔn)停在指定的電力控制開(kāi)關(guān)柜前，機(jī)械臂前端夾住開(kāi)關(guān)柜面上的控制旋鈕，按照預(yù)先的指令，將“遠(yuǎn)方”切換至“就地”，完成倒閘操作后將執(zhí)行結(jié)果反饋給集控中心。

以往倒閘操作往往需要兩位運(yùn)維人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)，而現(xiàn)在運(yùn)維人員無(wú)需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)集中控制平臺(tái)下發(fā)操作指令，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)行情況，等待機(jī)器人反饋執(zhí)行結(jié)果，即可完成全部巡檢工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單間隔運(yùn)行改到線路檢修或者從線路檢修改到運(yùn)行的整個(gè)操作流程，機(jī)器人總耗時(shí)低至13 分鐘。

圖5 智能機(jī)器人倒閘操作

5   結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)研制了基于立體視覺(jué)的智能巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能巡檢、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)柜倒閘操作以及突發(fā)情況緊急分閘等功能，大幅度提高了變電站巡檢安全性和效率，提升設(shè)備狀態(tài)管控能力，推動(dòng)建設(shè)智慧變電站，保障電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）