朱 凱，姜文東，方玉群，秦威南，傅卓君

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，金華 321000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310000）

0 引言

輸電線路經(jīng)過(guò)變壓器、斷路器等設(shè)備,將電能傳輸給用電設(shè)備的線路。輸電線路安裝在室外環(huán)境中,由于鳥(niǎo)類(lèi)碰撞、天氣變化、自然災(zāi)害以及外力破壞等原因,輸電線路及其相關(guān)設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行故障,不僅降低輸電線路的工作效率,同時(shí)還會(huì)影響用戶(hù)端的正常用電,甚至還可能引發(fā)一系列過(guò)電事故[1]。因此需要定期檢測(cè)輸電線路,及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路安全隱患,并采取相應(yīng)的維修措施。

為了降低線路檢測(cè)工作對(duì)線路輸電工作的影響,一般不會(huì)采取停電檢測(cè)方式,即檢測(cè)工作在輸電線路帶電狀態(tài)下進(jìn)行,這為檢測(cè)工作帶來(lái)一定的難度和危險(xiǎn)性,為此研發(fā)了帶電作業(yè)機(jī)器人。在考慮帶電作業(yè)安全性的前提下,利用機(jī)器人設(shè)備完成輸電線路的檢測(cè)工作,最大程度保證檢測(cè)工作的安全性,并將事故危害降至最低。

目前輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法的研究成果較少,發(fā)展較為成熟的檢測(cè)方法大多應(yīng)用了深度學(xué)習(xí)算法、支持向量機(jī)等技術(shù),然而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中存在明顯的檢測(cè)時(shí)延長(zhǎng)、檢測(cè)精度和安全性低的問(wèn)題,為此引入Hough變換技術(shù)。

Hough變換技術(shù)是一種基于圖像空間的曲線轉(zhuǎn)換方法,在參數(shù)空間內(nèi)檢測(cè)出最優(yōu)點(diǎn),并確定其特征參數(shù),并在此基礎(chǔ)上提取圖像中的規(guī)則曲線。而改進(jìn)Hough變換技術(shù)Hough變換技術(shù)降低變化的計(jì)算量以及占用空間,通過(guò)改進(jìn)Hough變換技術(shù)的應(yīng)用,以期能夠提高輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法的檢測(cè)性能與安全性能。

1 輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人主要由移動(dòng)滾輪、支撐臂、控制箱、機(jī)械臂、攝像機(jī)等設(shè)備構(gòu)成,每個(gè)機(jī)械臂具有多個(gè)自由度,能自由伸縮、旋轉(zhuǎn),并能調(diào)節(jié)臂間的距離和位置。在機(jī)械臂上裝有手爪等零件,手爪可以?shī)A持物品,為機(jī)械手完成工作提供所需的輔助,并且可以利用腕部的手腕來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械臂的位置和角度。在此基礎(chǔ)上,安裝攝像機(jī),并將其與傳動(dòng)、控制裝置連接,利用機(jī)械手調(diào)整控制器在機(jī)身上的位置,并實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像角度、高度的控制與調(diào)整。由于機(jī)器人在輸電線路帶電狀態(tài)下完成檢測(cè)作業(yè),因此需要執(zhí)行抓取動(dòng)作,只需實(shí)現(xiàn)輸電線路實(shí)時(shí)圖像的采集工作即可[2]。在帶電作業(yè)機(jī)器人工作狀態(tài)下,第i個(gè)連桿坐標(biāo)系與第j個(gè)連桿坐標(biāo)系的關(guān)系可以表示如式(1)所示。

式(1)中,iRj和ipj分別表示的是第j與第i個(gè)連桿坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣。由此可以得出機(jī)器人設(shè)備上任意兩個(gè)連桿之間的位置關(guān)系,從而判定當(dāng)前機(jī)器人所處位姿,同理可根據(jù)機(jī)器人待執(zhí)行的輸電線路檢測(cè)任務(wù),確定各個(gè)連桿的位置信息,在控制器的驅(qū)動(dòng)控制下,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿的調(diào)整。

1.2 計(jì)算機(jī)器人帶電作業(yè)安全距離

在帶電作業(yè)中,最大的風(fēng)險(xiǎn)就是空氣被徹底擊穿,使其絕緣特性變?yōu)閷?dǎo)體,而夾緊式機(jī)械手與導(dǎo)線之間會(huì)產(chǎn)生擊穿放電現(xiàn)象。因此在機(jī)器人帶電作業(yè)安全距離的計(jì)算過(guò)程中,需保證機(jī)器人作業(yè)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度低于機(jī)器人所能承受的電場(chǎng)最大強(qiáng)度。輸電線路的擊穿從電暈開(kāi)始的,而電暈則是多條發(fā)源于同一源頭的流注所構(gòu)成。聚集在電暈中的電流會(huì)產(chǎn)生熱量,引起大氣的熱電離化,從而形成一個(gè)引導(dǎo)通道。在先導(dǎo)通路的最前端為先導(dǎo)電暈區(qū),而先導(dǎo)電暈區(qū)則為先導(dǎo)繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)散提供必需的自由電子。此外,導(dǎo)體管的導(dǎo)電性增大,使導(dǎo)體管頭部的電場(chǎng)增大,使導(dǎo)體管頭部產(chǎn)生足夠的電場(chǎng),以誘導(dǎo)空氣電離,保持導(dǎo)體電暈。在導(dǎo)電暈和導(dǎo)流通道的相互作用下,導(dǎo)電暈一直持續(xù)延伸,直至貫穿整個(gè)氣隙。當(dāng)導(dǎo)流通過(guò)氣隙時(shí),在頭部的小縫隙內(nèi),高場(chǎng)強(qiáng)會(huì)引起電離,從而導(dǎo)致電離和熱電離現(xiàn)象。主要電離區(qū)沿著導(dǎo)流通道快速擴(kuò)散,這是主要放電過(guò)程,主要是因?yàn)閷?dǎo)流通道中有大量的游離帶電顆粒,使主放電發(fā)展很快,當(dāng)主要放電通過(guò)氣隙時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧放電。任意時(shí)刻輸電線路起暈電場(chǎng)的計(jì)算公式如式(2)所示：

式(2)中參數(shù)μ和ρa(bǔ)ir分別表示輸電線路表面的粗糙度和相對(duì)空氣密度,變量rc為輸電線半徑。得出機(jī)器人帶電作業(yè)安全距離的計(jì)算結(jié)果如式(3)所示：

其中Emax表示帶電作業(yè)機(jī)器人能夠承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度,vc為放電粒子在空氣中的移動(dòng)速度。除此之外,在機(jī)器人設(shè)備上安裝絕緣封層,提高機(jī)器人帶電作業(yè)的安全性。

1.3 規(guī)劃帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)路徑

在帶電作業(yè)機(jī)器人內(nèi)部安裝傳感器設(shè)備,該傳感器能夠發(fā)現(xiàn)前方180°以?xún)?nèi)的障礙物,機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果如式(4)所示：

其中θ1為當(dāng)前機(jī)器人的方向角,L為傳感器的探測(cè)長(zhǎng)度。結(jié)合安全距離和環(huán)境傳感反饋結(jié)果,經(jīng)過(guò)自由空間求解、確定測(cè)點(diǎn)位置以及檢測(cè)軌跡生成三個(gè)步驟,得出檢測(cè)路徑的規(guī)劃結(jié)果。自由空間的求解是路徑規(guī)劃的核心問(wèn)題之一,自由空間的形狀和維度直接關(guān)系到路徑的規(guī)劃效果和效率。將帶電作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂自由空間的求解結(jié)果如式(5)所示：

式(5)中,Cdep和Cin分別為相關(guān)構(gòu)型空間和無(wú)關(guān)構(gòu)型空間。在輸電線路上設(shè)置測(cè)點(diǎn),以輸電線路與發(fā)電設(shè)備的連接點(diǎn)為起始位置,每隔5m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),若輸電線路中存在變壓器、斷路器、絕緣子等設(shè)備,則將設(shè)備的安裝位置作為新增測(cè)點(diǎn),記錄設(shè)置測(cè)點(diǎn)的位置,并以輸電線路與用電設(shè)備的連接點(diǎn)作為檢測(cè)終點(diǎn)[3]。在此基礎(chǔ)上按照?qǐng)D1表示流程,生成帶電作業(yè)機(jī)器人的檢測(cè)路徑。

圖1 帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)路徑規(guī)劃流程圖

為了減少帶線作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)時(shí)延,在保證機(jī)器人能夠檢測(cè)到所有測(cè)點(diǎn)的前提下,對(duì)初始生成的檢測(cè)路徑進(jìn)行平滑處理。

1.4 輸電線路檢測(cè)圖像采集與預(yù)處理

將帶電作業(yè)機(jī)器人放置在輸電線路初始位置,根據(jù)機(jī)器人的路徑規(guī)劃結(jié)果,同時(shí)啟動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和控制程序,將機(jī)器人上的攝像機(jī)調(diào)整至開(kāi)啟狀態(tài),隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)獲取輸電線路各個(gè)位置的檢測(cè)圖像。由于攝像機(jī)獲取的輸電線路檢測(cè)圖像含有復(fù)雜的自然背景,在光照、噪聲等因素的干擾下,無(wú)法保證傳輸信號(hào)的清晰度和高品質(zhì)[4]。因此,需要對(duì)初始圖像進(jìn)行預(yù)處理,簡(jiǎn)化圖像的復(fù)雜性。原始圖像為彩色圖像,含有大量的信息,但改進(jìn)Hough變換技術(shù)無(wú)法對(duì)彩色圖像中的輸電線路進(jìn)行直接處理,需要執(zhí)行灰度處理操作。圖像灰度化處理結(jié)果如式(6)所示：

其中,(i,j)表示初始圖像中的像素點(diǎn)位置,R(i,j)、G(i,j)和B(i,j)表示(i,j)像素點(diǎn)的紅、綠、藍(lán)顏色分量,最終將像素點(diǎn)的分量全部轉(zhuǎn)換為灰度分量。采用中值濾波的方式去除圖像中的噪聲,處理結(jié)果如式(7)所示：

式(7),中f(i,j)和g(i,j)分別表示的是中值濾波處理前后的像素點(diǎn)灰度值,參數(shù)k和l分別為濾波滑動(dòng)窗口的長(zhǎng)度和寬度,med{}為中值處理函數(shù)。移動(dòng)選用的窗口重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程,直到窗口達(dá)到最后一個(gè)像素點(diǎn)為止。此外圖像增強(qiáng)其處理過(guò)程如式(8)所示：

式(8)中,M、N、M′和N′分別為增強(qiáng)處理前后圖像灰度最大值和最小值。將輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人獲取的所有檢測(cè)圖像按照上述步驟進(jìn)行處理,得出滿(mǎn)足精度要求的圖像處理結(jié)果。

1.5 利用改進(jìn)Hough變換技術(shù)提取輸電線路圖像特征

圖2所示的是改進(jìn)Hough變換技術(shù)的變換原理。

圖2 改進(jìn)Hough變換原理圖

在圖像空間(x,y)中,點(diǎn)P1、P2與參數(shù)空間(k,b)中的直線L1和L2一一對(duì)應(yīng),而在圖像空間(x,y)中的直線L0對(duì)應(yīng)于參數(shù)空間(k,b)中的各點(diǎn)P0。利用觀察參數(shù)空間(k,b)內(nèi)點(diǎn)的重疊度可以判定共線狀態(tài)[5]。然而,當(dāng)圖像空間中的直線為垂線時(shí),則會(huì)導(dǎo)致k、b的無(wú)邊界情況,所以,在實(shí)際的輸電線路圖像特征提取過(guò)程中用極坐標(biāo)來(lái)替代直角坐標(biāo),此時(shí)輸電線路檢測(cè)圖像中的任意一個(gè)直線圖像均可描述如式(9)所示：

式(9)中,φ為直線法向量與水平方向軸的夾角,計(jì)算結(jié)果λ為圖像坐標(biāo)系中原點(diǎn)到直線的距離。由此可以得出輸電線路檢測(cè)圖像任意紋理的方向特征提取結(jié)果如式(10)所示：

將式(9)的特征提取結(jié)果代入到式(10)中,便可得出圖像中某一個(gè)紋理的方向特征。按照上述方式可以得出檢測(cè)圖像中所有紋理和輪廓特征的提取結(jié)果,通過(guò)特征融合得出綜合特征提取結(jié)果。

1.6 實(shí)現(xiàn)輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)

輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人的檢測(cè)內(nèi)容可以分為三個(gè)部分,一部分是檢測(cè)輸電線路上元件設(shè)備的數(shù)量和位置,第二是檢測(cè)當(dāng)前輸電線路是否存在故障,故障類(lèi)型主要包括斷路、線路裸露等,最后一部分是檢測(cè)輸電線路中是否存在異物,因此主要設(shè)置輸電線路各個(gè)組成部件的輪廓標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)以及正常工作狀態(tài)下輸電線路的特征標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),分別記為τelement和τnormal。那么輸電線路的檢測(cè)過(guò)程如式(11)所示：

式(11)中,τfuse為提取的檢測(cè)圖像融合特征,計(jì)算結(jié)果?element和?line分別為元件特征與正常線路特征的匹配度。設(shè)置檢測(cè)閾值為?,若?element的計(jì)算結(jié)果大于閾值,則表示當(dāng)前帶電作業(yè)機(jī)器人收集圖像中存在設(shè)備元件,記錄特征匹配數(shù)量即為圖像中的元件數(shù)量,若小于,則說(shuō)明圖像中不存在輸電線路元件。同理,?line高于閾值,則證明當(dāng)前輸電線路處于正常運(yùn)行狀態(tài),否則說(shuō)明輸電線路存在故障點(diǎn)。確定輸電線路元件和故障點(diǎn)的具體位置,最終得出可視化檢測(cè)結(jié)果。

2 檢測(cè)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于改進(jìn)Hough變換的輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法的檢測(cè)性能,設(shè)計(jì)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),通過(guò)與預(yù)期結(jié)果的對(duì)比。

2.1 布設(shè)輸電線路實(shí)驗(yàn)對(duì)象

此次實(shí)驗(yàn)選擇某市的主網(wǎng)輸電線路作為研究對(duì)象,該輸電線路長(zhǎng)度為48.45km,共有基礎(chǔ)、鐵塔共計(jì)47基。輸電線路采用雙回路架設(shè),使用的導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/35,地線兩側(cè)均采用24芯OPGW。根據(jù)輸電線路工程的建設(shè)方案,可以將線路分為8段,每段長(zhǎng)度約為6km。在此基礎(chǔ)上通過(guò)人為破壞的方式設(shè)置線路故障,綜合每段線路中包含的電力設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)目標(biāo),具體的設(shè)置情況如表1所示。

表1 輸電線路檢測(cè)目標(biāo)設(shè)置表

收集輸電線路工程的施工數(shù)據(jù),確定各個(gè)電力元件設(shè)備的安裝位置,并記錄故障點(diǎn)的設(shè)置位置,以此作為判定輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)精度的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 帶電作業(yè)機(jī)器人的安裝與調(diào)試

選擇帶電機(jī)器人作為輸電線路的檢測(cè)設(shè)備,將其安裝在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,調(diào)整內(nèi)置攝像機(jī)設(shè)備的拍攝角度,保證攝像機(jī)能夠拍攝到輸電線路檢測(cè)目標(biāo)的完整圖像信息。

在機(jī)器人運(yùn)行之前,首先采用軟件程序?qū)ζ涔ぷ鞒绦蜻M(jìn)行檢測(cè),并將其輸入到作業(yè)環(huán)境中的工作任務(wù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí),作業(yè)人員在作業(yè)地點(diǎn)設(shè)置了導(dǎo)航板和人員隔離區(qū)。開(kāi)機(jī)后,由操作員進(jìn)行手動(dòng)遠(yuǎn)程控制,按規(guī)定路徑從倉(cāng)庫(kù)內(nèi)到達(dá)所需工作地點(diǎn)的導(dǎo)航板。之后完成人工遠(yuǎn)程控制,進(jìn)入自動(dòng)駕駛階段,由帶電機(jī)械手沿著導(dǎo)引板運(yùn)動(dòng)至預(yù)定工作點(diǎn),再將最后的定位誤差反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢查偏差是否在容許的范圍,如果有偏差,則進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。如果偏離滿(mǎn)足要求,那么就將移動(dòng)機(jī)架上的水平支架展開(kāi),并進(jìn)行水平調(diào)整。提升臺(tái)舉升工作臺(tái)至目視系統(tǒng)工作高度。然后,通過(guò)在固定端金屬工具的固定面上使用粗定位Mark點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬工具的位置。最后,通過(guò)對(duì)機(jī)器人的粗略定位,對(duì)上下滑臺(tái)的位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以確保機(jī)器人的工作空間能夠覆蓋整個(gè)工作區(qū)域。將規(guī)劃的檢測(cè)路線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)器人控制器中,通過(guò)機(jī)器人實(shí)際移動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄,判斷機(jī)器人是否能夠正常執(zhí)行檢測(cè)指令,若機(jī)器人反饋結(jié)果正常,則直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段,否則需要重新安裝帶電作業(yè)機(jī)器人,直到反饋結(jié)果顯示正常為止。

2.3 設(shè)置檢測(cè)性能量化測(cè)試指標(biāo)

此次實(shí)驗(yàn)分別從輸電線路的檢測(cè)精度、檢測(cè)時(shí)效性和安全性三個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試,設(shè)置錯(cuò)檢率和誤檢率作為檢測(cè)精度的量化測(cè)試指標(biāo),其數(shù)值結(jié)果如式(12)所示：

其中Numtarget表示待檢測(cè)的目標(biāo)數(shù)量,Numcorrect和Numout分別為檢測(cè)正確的目標(biāo)數(shù)量和機(jī)器人輸出結(jié)果中的檢測(cè)目標(biāo)數(shù)量。檢測(cè)時(shí)效性的測(cè)試指標(biāo)為檢測(cè)方法的響應(yīng)時(shí)間,可以通過(guò)帶電機(jī)器人的后臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)直接得出,而檢測(cè)安全性指標(biāo)設(shè)置為危險(xiǎn)系數(shù),其數(shù)值結(jié)果如式(13)所示：

式(13)中,dactual帶電作業(yè)機(jī)器人與輸電線路測(cè)點(diǎn)之間的實(shí)際距離,Umax為輸電線路的最大電壓。為保證檢測(cè)方法的應(yīng)用價(jià)值,要求該方法的錯(cuò)檢率和誤檢率均不得高于3%,檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間不得超過(guò)800ms,危險(xiǎn)系數(shù)不得高于0.5。

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

啟動(dòng)帶電作業(yè)機(jī)器人以及輸電線路檢測(cè)程序,得出可視化檢測(cè)結(jié)果。圖3所示的是L01輸電線路故障和異物檢測(cè)結(jié)果。

圖3 輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)所有線路區(qū)段的檢測(cè)數(shù)據(jù),得出改進(jìn)Hough變換的輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法檢測(cè)精度的測(cè)試結(jié)果,如表2所示。

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(12)中,得出輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法的平均錯(cuò)檢率和漏檢率分別為2.87%和1.78%,均低于預(yù)設(shè)值。另外通過(guò)式(13)和式(14)的計(jì)算,得出基于改進(jìn)Hough變換的輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)方法檢測(cè)時(shí)效性和安全性的測(cè)試結(jié)果,如圖4所示。

表2 輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

從圖4中可以直觀的看出,優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)方法的最大響應(yīng)時(shí)間為620ms,危險(xiǎn)系數(shù)的最大值為0.34,由此證明優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)方法的時(shí)效性和安全性均滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

圖4 檢測(cè)時(shí)延與安全性的測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),降低了輸電線路帶電作業(yè)檢測(cè)的危險(xiǎn)性,對(duì)于輸電線路的檢測(cè)工作具有重要意義。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,在保證機(jī)械臂系統(tǒng)有良好平穩(wěn)的性能為前提下,通過(guò)改進(jìn)Hough變換技術(shù)的應(yīng)用,有效提高了檢測(cè)方法的精度、時(shí)效性以及安全性,因此可以投入到實(shí)際檢測(cè)工作中。