基于多激光雷達的電力線安全距離監測預警系統①

劉培賢, 丁 超, 龔 楷

(云南電網有限責任公司 玉溪供電局帶電作業中心, 玉溪 653100)

電力對現代社會活動至關重要, 為了保證電力設備的正常運轉, 需要對電力線路進行有效的監測和維護, 在電力設施不足的情況下甚至需要帶電作業. 我國現階段輸電線路巡檢方法包括作業人員實地巡檢和低空巡檢[1-3]. 實地勘察由于實際作業中配電線路結構復雜、作業項目難度高、作業組織流程多等因素, 存在著安全距離不足或觸碰帶點或接地體接觸等問題, 導致安全風險較高或發生觸電事故； 低空巡檢方法則主要采用直升機進行肉眼巡查或手持儀器進行數據采集,勞動強度大, 工作效率低, 難以適應現代化電力網絡建設與維護的發展[4]. 帶電作業是提高供電可靠性的有效手段之一, 但在實際作業中由于配電線路結構的復雜性、作業項目的難度、作業組織流程多、現場安全管控能力不足、操作人員的技術技能水平及安全意識等綜合因素影響, 在作業過程會出現帶電作業的安全距離不足或觸碰帶電體或與接地體接觸, 導致安全風險較高或發生觸電事故.

傳感器技術的發展使得非接觸式巡檢的成本降低,基于可見光航拍的電力巡檢是目前的一種常用手段,通過攝像機采集照片、視頻等圖像數據進行事后數據處理, 機器視覺技術的快速發展使得故障診斷的自動化程度和精度取得巨大的提高[5]. 激光雷達測量技術是一種日漸成熟的高精度測量技術, 可以獲取目標地物的高精度空間位置信息, 與基于圖像的提取電力線檢測方式相比, 基于激光雷達點云數據的識別方法可以避免二維(2D)光柵圖像不可避免的一些問題, 如光照變化和背景混淆[6-8]. 基于以上現狀分析, 本文設計并實現了一套基于非接觸遠距離高精度的激光雷達配電線路安全距離監測預警系統, 用以安全距離測量、作業安全監測以及可視化監控, 實現作業現場的實時管控, 為作業人員的安全防護提供保障, 避免安全隱患,提高帶電作業的安全水平.

1 安全距離監測預警系統方案

為了實現10 kV配電線路帶電作業周邊環境安全距離測量與預警, 在電力作業斗臂車四周安裝4套單線激光雷達(思嵐RPLIDAR S1)與大疆GM6020云臺電機的組合設備進行三維電力帶電作業環境感知, 這樣的組合具備體積小、質量輕的特點. 通過網絡實時的將4套設備實時采集的點云數據傳輸至數據處理平臺進行可視化顯示、安全距離監測與預警. 安全距離監測預警系統整體方案如圖1所示.

圖1 安全距離監測預警系統整體方案

思嵐RPLIDAR S1是一款TOF激光雷達, 小巧輕便, 單個重量僅105 g, 采樣頻率10 Hz, 最大測量距離可達40 m, 典型角度分辨率為0.391°, 可以有效避免環境光與強日光的干擾, 實現室外場景的穩定測距.RoboMaster GM6020是一款內部集成驅動器的高性能直流無刷電機, 電機重量僅約468 g, 電機采用空心軸設計, 扭矩密度大、控制精度高、交互方式靈活、保護功能強. 點云采集通過集成的微型計算機(使用樹莓派操作系統)進行控制, 集成的點云采集設備如圖2所示.

圖2 單套集成激光雷達點云采集設備

2 多激光雷達標定

低成本激光雷達通常面臨點云稀疏無法提取有效信息的問題, 將多個激光雷達組合起來, 能夠增加激光雷達的有效測量范圍[9]. 單個激光雷達輸出的原始數據為掃描點在該激光雷達自身坐標系下的三維坐標及反射率, 由于思嵐RPLIDAR S1單線雷達和RoboMaster GM6020電機的組合設備安裝在斗臂車的側面, 相互之間并不通視, 單套設備只能感知到一個方向上的環境信息, 因此需要融合4套設備點云數據以獲取電力作業斗臂車全方位的環境信息. 4套設備之間需要標定空間位置關系以進行多激光雷達點云融合, 實際應用中應將點云歸算到以斗臂車中心點為原點的坐標系下.

為了達到目的, 我們需要精確的校準傳感器之間的六自由度剛體變換, 根據是否設置人工目標, 標定方法大致被分為兩種. 近年來, 有學者提出了一種利用場景反射強度提取點強度的方法實現多激光雷達的標定算法, 根據點云的幾何特征, 使得能夠離線的標定任意場景中多個二維激光雷達[10]. 基于人工地標的方法目前被普遍用于尋找傳感器之間的對應關系. Xie等提出了一種通用的標定解決方案, 在預先構建的環境中使用標簽(apriltags)并聯合了多個攝像頭與激光雷達[11]. R?wek?mper提出了一種跟蹤的方法, 利用重疊區域的運動目標對多個2D激光雷達進行標定[12]. 程宇航等分析了5種點云拼接的精度, 包括標靶拼接、已知后視點拼接、后方交會拼接、點云試圖拼接、特征點拼接, 結果表明在50 m測量距離范圍內, 基于標靶的點云拼接方法精度最高[13]. 考慮到本文的設備在實際應用中4個激光雷達之間互相不共視, 沒有重疊點云, 采用標靶標定的方式更適合于本文. 本文采用了一種基于標靶紙(黑白格子)的三維激光雷達標定方法,我們在封閉的室內空間布設多組標靶, 并利用高精度靜態三維激光掃描儀確定標靶位置, 將所有的激光點云標定到統一的坐標系下.

多激光雷達空間位置關系標定就是求解各個激光雷達坐標系相對于所選定的世界坐標系的旋轉參數(Roll,Pitch,Yaw) 和 平移參數( Δx,Δy,Δz). 針對三維激光雷達外參標定求解問題, 傳統方法一般根據約束關系直接對所有標定參數進行最優估計, 為了保證標定精度, 通常采用特制的標志物, 以建立嚴格的約束方程,利用約束關系同時求解6個參數.

本文在室內進行模擬實驗來對4套激光雷達設備進行標定, 標定場景如圖3所示. 在室內平整墻面上貼黑白格子標靶紙作為參照物, 在場地中央假設架設法如(Focus 3D)高精度三維激光掃描儀, 假設其為斗臂車中心點, 在其四周擺放4套激光雷達設備進行數據采集.

圖3 標定實驗場景

法如高精度三維激光掃描儀和單線激光雷達采集的三維點云如圖4所示, 在點云中可以快速便捷地提取出標靶紙的中心位置.雷達坐標系L1下 的坐標為{ (x1,y1,z1),(x2,y2,z2),···}L1,在世界坐標系W即法如坐標系下的坐標系為{(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),···}W. 世界坐標系與單線激光雷達坐標系L1之 間的平移參數表示為向量Δy,Δz分別為沿著X, Y, Z軸的平移參數, 旋轉參數表示為旋轉矩陣, α ,β,γ分別為繞X, Y, Z軸

圖4 高精度靜態點云和單線激光雷達點云

使用開源軟件CloudCompare提取標靶紙中心點的坐標, 記場景中所有標靶紙的中心坐標在單線激光旋轉的旋轉角度參數, 那么兩套坐標系有如下轉換關系:

其中,

當旋轉角度為小角度時, 可取:

相應的坐標轉換公式變為:

寫成誤差方程的形式, 可以得到:

改成矩陣的形式為:V=B·X+Δ, 其中X為待求得轉換向量,V為改正數向量, Δ為測量噪聲. 按照最小二乘法VTPV=min最小得原則, 取權值為距離的倒數, 可以列出法方程為BTPBX+BT=0, 其解為BTP. 為了求取6個轉換參數, 至少需要3組公共點.Cereres solver庫[14]構建并求解上述最小二乘優化解.通過重復上述步驟可以依次計算4個激光雷達坐標系L1與世界坐標系W的轉換參數這樣可以將4個激光雷達的數據統一到同一個世界坐標系下, 實現多激光雷達點云的拼接, 標定結果如表1所示.

表1 4臺激光雷達空間位置關系標定結果

通過標定轉換參數后, 截取4臺激光雷達融合后產生的部分點云如圖5所示, 可以看到點云重合度很高, 反映了標定參數的準確性, 統計同名點之間的差異,其RMS為0.03 m, 表明標定參數可以很好的融合不同激光雷達點云.

圖5 多激光雷達融合點云

3 軟件系統開發與安全距離監測測試

本文采用網絡通信方式將4套設備采集的點云數據實時的傳輸至數據處理平臺, 在Windows 10操作系統下基于QT平臺采用C++程序設計語言開發實時采集、處理和可視化軟件平臺, 軟件界面如圖6所示. 軟件功能主要包括: (1)多臺激光雷達傳感器實時連接及數據采集； (2)多視角點云切換(前視, 側視, 俯視等)；(3)點顯示像素大小選擇； (4)視場內點云積分時間, 可以選擇按照100 ms, 200 ms, 500 ms, 1000 ms時間顯示點云； (5)最鄰近障礙物點探測, 當在設置的監測預警范圍內出現障礙物時, 系統自動報警.

圖6 監測預警系統可視化界面

監測預警功能首先對每一幀點云進行降噪處理,然后遍歷當前點云幀中的每一個點并計算其與坐標原點的距離, 并找到最小距離, 如式(6)所示, 其中si表示當前幀第i個點的距離, 如果最小距離在預警范圍內,系統會自動語音提示報警, 預警距離限值的確定是根據電力作業時的相關安全規程確定, 本文中設定預警距離為0.5 m.

在國內某配電公司訓練場10 kV電線附近進行測試, 測試場景如圖7所示.

圖7 測試場景

測試時, 電力維修工人在斗臂車內手持激光雷達采集設備, 如圖7所示. 首先將絕緣斗臂車停于目標電線附近, 利用斗臂車絕緣斗將工作人員升到目標高度附近, 作業面與導線的距離為3 m, 這種情況下, 激光雷達能夠采集的導線的最遠點為4.69 m, 但導線的數據點不夠, 不足以看出導線的形狀, 能夠采集到比導線更細但反射強度更強的斜拉鋼索, 最遠有效測量距離為5.59 m. 現場采集及最遠距離測試結果如圖8、圖9所示.

圖9 采集點云最遠距離測試

然后移動斗臂車的作業斗, 使作業面與導線的距離為0.5 m的情況再次進行測量, 由于設置安全監測距離為0.5 m, 因此此時設備自動報警, 導線可測量的最遠距離為4.12 m.

經過現場測試得到結論, 對于10 kV的導線, 可以保證密度足夠的3 m有效測量距離. 對于金屬拉線有效距離可以達到5 m以上, 也可探測到地面大型地物,如人員, 車輛等, 能夠實現電力作業安全距離監測與預警功能.

4 總結

在本文中, 提出并實現了一種基于多激光雷達的電力線安全距離監測預警系統, 通過將單線激光雷達(思嵐RPLIDAR S1)與RoboMaster GM6020云臺電機組合實現三維環境感知, 基于Qt平臺采用C++程序設計語言開發了一套實時采集、處理和可視化軟件平臺,可實現10 kV帶電作業安全距離監測預警功能, 可以有效避免安全隱患, 提高帶電作業的安全水平.