基于機(jī)器視覺的變電站智能機(jī)器人的研制*

*國網(wǎng)浙江省電力有限公司科技創(chuàng)新項目，項目編號：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題。此外，多數(shù)變電站遠(yuǎn)離市區(qū)，驅(qū)車往返通常超過兩小時，而倒閘操作通常只需要半小時左右。這使得作業(yè)效率低下，人力成本和時間成本較高。

隨著社會經(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，通過多軸機(jī)械手、浮動操作平臺、環(huán)境監(jiān)控球機(jī)、3D 視覺相機(jī)、2D 激光以及移動平臺等手段將人工運(yùn)維的絕大部分操作動作集成到機(jī)器人上，操作者可以遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人的狀態(tài)，并控制其實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙操，最大程度實現(xiàn)無人化變電站管理，降低人力成本，減少安全風(fēng)險，提升倒閘作業(yè)效率，推動變電站智能化建設(shè)。

1   國內(nèi)外變電站機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外在機(jī)器人的研究、布局上起步較早，技術(shù)優(yōu)勢顯著。Katrasnik, J. 等人提出了一種基于圖像視覺的變電站巡檢機(jī)器人，通過試驗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，因而更加小巧輕便，絕緣性更好，同時其指出使用仿生立體視覺技術(shù)將更有效地提高巡檢機(jī)器人的智能化^[2]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國關(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機(jī)器人的變電站設(shè)備巡檢系統(tǒng)，其可以在無人值守或少人值守的變電站對室外高壓設(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]。肖鵬等人針對現(xiàn)有云臺無法滿足變電站現(xiàn)場巡檢要求這一情況，設(shè)計了巡檢機(jī)器人云臺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和控制，能夠滿足巡檢任務(wù)的要求^[4]。

國家電網(wǎng)公司也成立了電力機(jī)器人重點(diǎn)實驗室，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 年最早開始研究變電站巡檢機(jī)器人，并2004 年成功研制第一臺功能樣機(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]，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及自主運(yùn)行。2014 年1 月，浙江國自機(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]是一種核密度估計算法，這種算法屬于無參數(shù)估計算法，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)來進(jìn)行估計。Mean Shift 算法采用核函數(shù)估計法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑。它在采樣充分的情況下，一定會收斂，即可對服從任意分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行密度估計。

Mean Shift 算法的本質(zhì)是一個迭代的過程，其先算出當(dāng)前點(diǎn)的偏移均值（Mean Shift），然后移動到該點(diǎn)的偏移均值上，依次為新的起始點(diǎn)，繼續(xù)移動，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個樣本點(diǎn)x_i，i=1,…,n，在空間中的一個點(diǎn)x，其Mean Shift 向量的定義為：

其中，S_h是一個半徑為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個樣本點(diǎn)中，有k個落入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模型相比顏色變化最大的方向移動，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，每兩幀之間都會產(chǎn)生一個Mean Shift 向量，整個過程產(chǎn)生的Mean Shift 向量首尾相連就形成了目標(biāo)移動軌跡。

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)實跟蹤過程中，跟蹤目標(biāo)出現(xiàn)遮擋等影響時，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)來區(qū)分不同樣本對模型的影響程度，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 算法具體實現(xiàn)步驟如下：

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

（2）用初始化當(dāng)前幀的位置，計算候選目標(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)計算當(dāng)前窗口內(nèi)個點(diǎn)的權(quán)重值：

（4）計算新目標(biāo)的位置：

3   機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文實現(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)器通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)建立連接。用戶通過集控中心& 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)庫服務(wù)和實時視頻服務(wù)構(gòu)成，如圖2所示。

ROS 節(jié)點(diǎn)是本體功能實現(xiàn)的核心載體，其通過網(wǎng)口和本體各硬件進(jìn)行交互，實現(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。同時它也是本體和集控中心& 工區(qū)之間交互的橋梁，實現(xiàn)信令和數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。

數(shù)據(jù)庫服務(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)的存儲和訪問功能。

文件服務(wù)存儲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。

實時視頻服務(wù)對本體搭載的多路監(jiān)控視頻進(jìn)行全景拼接，便于用戶實時監(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、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、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)庫存儲各站所機(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)計與功能實現(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平臺和位于底部的底盤，如圖4 所示。

圖4 智能機(jī)器人原型及實物

機(jī)械臂末端安裝操作手爪，實現(xiàn)對旋鈕、按鈕、鑰匙、緊急分合閘保護(hù)裝置等目標(biāo)的操作，同時，機(jī)械臂末端也搭載可見光相機(jī)、紅外相機(jī)和局放檢測傳感器，通過機(jī)械臂末端的升降、水平旋轉(zhuǎn)和垂直俯仰來模擬云臺動作。

手車地刀浮動平臺實現(xiàn)手車和地刀的操作，通過前后兩個軸上的位移實現(xiàn)水平和垂直方向的角度微調(diào)。底盤主要由電池、驅(qū)動輪、動力系統(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)器人功能實現(xiàn)

本文實現(xiàn)的智能機(jī)器人主要應(yīng)用于220 kV、110 kV電壓等級變電站以及10 kV 開關(guān)室中的智能電氣設(shè)備巡檢任務(wù)執(zhí)行、開關(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)操作均可通過控制平臺完成。圖5展示了智能機(jī)器人實際執(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，通過定位系統(tǒng)精準(zhǔn)停在指定的電力控制開關(guān)柜前，機(jī)械臂前端夾住開關(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，而現(xiàn)在運(yùn)維人員無需到達(dá)現(xiàn)場，通過集中控制平臺下發(fā)操作指令，實時監(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，單間隔運(yùn)行改到線路檢修或者從線路檢修改到運(yùn)行的整個操作流程，機(jī)器人總耗時低至13 分鐘。

圖5 智能機(jī)器人倒閘操作

5   結(jié)論

本文開發(fā)研制了基于立體視覺的智能巡檢機(jī)器人，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能巡檢、遠(yuǎn)程開關(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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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）