基于機器視覺(jué)的變電站智能機器人的研制*

*國網(wǎng)浙江省電力有限公司科技創(chuàng )新項目，項目編號：DJ105002021Y0014

傳統的變電站倒閘作業(yè)以及巡檢業(yè)務(wù)主要以人力運維為主，按規定通常需要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，人員篩選嚴格，隨著(zhù)巡檢業(yè)務(wù)量的增加，人員短缺成為共性問(wèn)題。此外，多數變電站遠離市區，驅車(chē)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(zhù)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展，電網(wǎng)規模的不斷擴大，運檢業(yè)務(wù)工作量與日俱增，目前傳統的人工倒閘操作已明顯滯后于現代電網(wǎng)的飛速發(fā)展，亟需采用新技術(shù)轉變倒閘作業(yè)模式，減輕工作人員負擔，確保電力設備安全穩定運行。

隨著(zhù)人工智能技術(shù)和機器人技術(shù)的發(fā)展，由兩者結合的變電站智能機器人應運而生。本研究工作利用基于Mean Shift 的目標跟蹤算法，通過(guò)多軸機械手、浮動(dòng)操作平臺、環(huán)境監控球機、3D 視覺(jué)相機、2D 激光以及移動(dòng)平臺等手段將人工運維的絕大部分操作動(dòng)作集成到機器人上，操作者可以遠程監控機器人的狀態(tài)，并控制其實(shí)現遠程遙操，最大程度實(shí)現無(wú)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(dòng)變電站智能化建設。

1   國內外變電站機器人研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外在機器人的研究、布局上起步較早，技術(shù)優(yōu)勢顯著(zhù)。Katrasnik, J. 等人提出了一種基于圖像視覺(jué)的變電站巡檢機器人，通過(guò)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器人，該機器人采用輪腿移動(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器人的智能化^[2]。

1.2 國內研究現狀

我國關(guān)于變電站機器人研究起步較晚。魯守銀等人于2005 年提出了一種基于移動(dòng)機器人的變電站設備巡檢系統，其可以在無(wú)人值守或少人值守的變電站對室外高壓設備進(jìn)行巡檢，提高變電站設備運行的安全可靠性^[3]。肖鵬等人針對現有云臺無(wú)法滿(mǎn)足變電站現場(chǎng)巡檢要求這一情況，設計了巡檢機器人云臺控制系統，該系統可以實(shí)現精準定位和控制，能夠滿(mǎn)足巡檢任務(wù)的要求^[4]。

國家電網(wǎng)公司也成立了電力機器人重點(diǎn)實(shí)驗室，圍繞變電站巡檢機器人、高壓帶電作業(yè)機器人以及電力特種機器人進(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(kāi)始研究變電站巡檢機器人，并2004 年成功研制第一臺功能樣機^[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器人在巴南500 kV 變電站成功試運行^[6]，可實(shí)現遠程監控及自主運行。2014 年1 月，浙江國自機器人技術(shù)有限公司研制的變電站巡檢機器人在瑞安變電站投運。各類(lèi)變電站巡檢機器人已在各省市電網(wǎng)公司中得到推廣應用。

2   機器人視覺(jué)定位方法

2.1 基于Mean Shift的目標跟蹤算法

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

Mean Shift 算法的本質(zhì)是一個(gè)迭代的過(guò)程，其先算出當前點(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)，繼續移動(dòng)，不斷迭代，直至滿(mǎn)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的高維球區域，滿(mǎn)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區域。

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

將Mean Shift算法理念應用于運動(dòng)跟蹤中，首先得到跟蹤目標視頻畫(huà)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)特征相近的區域，而相似度的衡量就是使用相似函數，相似函數值越大代表所選區域與跟蹤目標越相似。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?jì)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移動(dòng)軌跡。

由公式（2-1）看出，所有落入S_h區域的點(diǎn)的權重是一樣的。但是在現實(shí)跟蹤過(guò)程中，跟蹤目標出現遮擋等影響時(shí)，外層的像素值更容易受到影響，跟蹤目標中心附近的像素比外側的更重要。因此，不同采樣點(diǎn)的權重應是不同的，故而引入核函數和權重系數來(lái)區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，增強算法的搜索跟蹤能力。本文使用的核函數為Epannechnikov 核函數：

Mean Shift 算法具體實(shí)現步驟如下：

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

（2）用初始化當前幀的位置，計算候選目標模板{p_u (y₀ )}_u=1,2,…,m；

（3）采用Bhattacharyya系數作為相似性函數計算當前窗口內個(gè)點(diǎn)的權重值：

（4）計算新目標的位置：

3   機器人系統架構設計

3.1 系統整體架構

本文實(shí)現的變電站智能機器人的系統整體架構如圖1所示。其包含機器人本體和集控中心& 工區服務(wù)器兩部分。機器人本體和集控中心& 工區服務(wù)器通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建立連接。用戶(hù)通過(guò)集控中心& 工區提供的用戶(hù)界面遠程查看站所環(huán)境和機器人狀態(tài)數據，下發(fā)巡檢和操作指令，而機器人本體接收到巡檢和操作指令后執行相應的柜體狀態(tài)識別或者倒閘目標操作。

3.2 機器人本體架構

機器人本體是巡檢和操作功能的執行主體，主要由ROS 節點(diǎn)、核心服務(wù)、文件服務(wù)、數據庫服務(wù)和實(shí)時(shí)視頻服務(wù)構成，如圖2所示。

ROS 節點(diǎn)是本體功能實(shí)現的核心載體，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入口，提供狀態(tài)查詢(xún)、數據管理、告警顯示、獨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& 工區之間交互的橋梁，實(shí)現信令和數據的上傳和下發(fā)。

數據庫服務(wù)為ROS 節點(diǎn)和核心服務(wù)提供狀態(tài)和任務(wù)數據的存儲和訪(fǎng)問(wèn)功能。

文件服務(wù)存儲ROS 節點(diǎn)在巡檢和操作中生成的結果，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò )將其上傳到工區的文件服務(wù)器。

實(shí)時(shí)視頻服務(wù)對本體搭載的多路監控視頻進(jìn)行全景拼接，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)監控機器人狀態(tài)，輔助用戶(hù)進(jìn)行操作確認和決策。

3.3 集控中心&工區架構

集控中心& 工區對分布在各站所的機器人進(jìn)行統一管理和控制，包括視頻服務(wù)器、工區數據庫、工區文件服務(wù)器和集控& 工區服務(wù)，如圖3 所示。

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

工區數據庫存儲各站所機器人的狀態(tài)和任務(wù)數據。

工區文件服務(wù)器存儲各站所機器人上傳的結果圖片、操作日志等文件。

集控& 工區服務(wù)提供用戶(hù)界面，實(shí)現所有接入站所的統一管理、查詢(xún)和控制。

4   機器人硬件設計與功能實(shí)現

4.1 系統整體架構

智能機器人的硬件主要由三部分構成：位于頂部的機械臂，位于中間的手車(chē)地刀浮動(dòng)平臺和位于底部的底盤(pán)，如圖4 所示。

圖4 智能機器人原型及實(shí)物

機械臂末端安裝操作手爪，實(shí)現對旋鈕、按鈕、鑰匙、緊急分合閘保護裝置等目標的操作，同時(shí)，機械臂末端也搭載可見(jiàn)光相機、紅外相機和局放檢測傳感器，通過(guò)機械臂末端的升降、水平旋轉和垂直俯仰來(lái)模擬云臺動(dòng)作。

手車(chē)地刀浮動(dòng)平臺實(shí)現手車(chē)和地刀的操作，通過(guò)前后兩個(gè)軸上的位移實(shí)現水平和垂直方向的角度微調。底盤(pán)主要由電池、驅動(dòng)輪、動(dòng)力系統、激光雷達及工控機等構成，主要用于承載上部執行機構，及行走導航定位。

4.2 機器人功能實(shí)現

本文實(shí)現的智能機器人主要應用于220 kV、110 kV電壓等級變電站以及10 kV 開(kāi)關(guān)室中的智能電氣設備巡檢任務(wù)執行、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)控制平臺完成。圖5展示了智能機器人實(shí)際執行倒閘操作的狀態(tài)。智能機器人在獲取運維人員下達的工作指令后，通過(guò)定位系統精準停在指定的電力控制開(kāi)關(guān)柜前，機械臂前端夾住開(kāi)關(guān)柜面上的控制旋鈕，按照預先的指令，將“遠方”切換至“就地”，完成倒閘操作后將執行結果反饋給集控中心。

以往倒閘操作往往需要兩位運維人員趕赴現場(chǎng)，而現在運維人員無(wú)需到達現場(chǎng)，通過(guò)集中控制平臺下發(fā)操作指令，實(shí)時(shí)監控機器人運行情況，等待機器人反饋執行結果，即可完成全部巡檢工作。經(jīng)統計，單間隔運行改到線(xiàn)路檢修或者從線(xiàn)路檢修改到運行的整個(gè)操作流程，機器人總耗時(shí)低至13 分鐘。

圖5 智能機器人倒閘操作

5   結論

本文開(kāi)發(fā)研制了基于立體視覺(jué)的智能巡檢機器人，實(shí)現了遠程智能巡檢、遠程開(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，提升設備狀態(tài)管控能力，推動(dòng)建設智慧變電站，保障電網(wǎng)運行可靠性。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）