基于改進Hough變換的輸電線路帶電作業機器人檢測方法

朱 凱，姜文東，方玉群，秦威南，傅卓君

（1.國網浙江省電力有限公司金華供電公司，金華 321000；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310000）

0 引言

輸電線路經過變壓器、斷路器等設備,將電能傳輸給用電設備的線路。輸電線路安裝在室外環境中,由于鳥類碰撞、天氣變化、自然災害以及外力破壞等原因,輸電線路及其相關設備可能會出現運行故障,不僅降低輸電線路的工作效率,同時還會影響用戶端的正常用電,甚至還可能引發一系列過電事故[1]。因此需要定期檢測輸電線路,及時發現線路安全隱患,并采取相應的維修措施。

為了降低線路檢測工作對線路輸電工作的影響,一般不會采取停電檢測方式,即檢測工作在輸電線路帶電狀態下進行,這為檢測工作帶來一定的難度和危險性,為此研發了帶電作業機器人。在考慮帶電作業安全性的前提下,利用機器人設備完成輸電線路的檢測工作,最大程度保證檢測工作的安全性,并將事故危害降至最低。

目前輸電線路帶電作業機器人檢測方法的研究成果較少,發展較為成熟的檢測方法大多應用了深度學習算法、支持向量機等技術,然而在實際的應用過程中存在明顯的檢測時延長、檢測精度和安全性低的問題,為此引入Hough變換技術。

Hough變換技術是一種基于圖像空間的曲線轉換方法,在參數空間內檢測出最優點,并確定其特征參數,并在此基礎上提取圖像中的規則曲線。而改進Hough變換技術Hough變換技術降低變化的計算量以及占用空間,通過改進Hough變換技術的應用,以期能夠提高輸電線路帶電作業機器人檢測方法的檢測性能與安全性能。

1 輸電線路帶電作業機器人檢測方法設計

1.1 構建輸電線路帶電作業機器人結構模型

輸電線路帶電作業機器人主要由移動滾輪、支撐臂、控制箱、機械臂、攝像機等設備構成,每個機械臂具有多個自由度,能自由伸縮、旋轉,并能調節臂間的距離和位置。在機械臂上裝有手爪等零件,手爪可以夾持物品,為機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調節機械臂的位置和角度。在此基礎上,安裝攝像機,并將其與傳動、控制裝置連接,利用機械手調整控制器在機身上的位置,并實現對攝像角度、高度的控制與調整。由于機器人在輸電線路帶電狀態下完成檢測作業,因此需要執行抓取動作,只需實現輸電線路實時圖像的采集工作即可[2]。在帶電作業機器人工作狀態下,第i個連桿坐標系與第j個連桿坐標系的關系可以表示如式(1)所示。

式(1)中,iRj和ipj分別表示的是第j與第i個連桿坐標系的旋轉和平移變換矩陣。由此可以得出機器人設備上任意兩個連桿之間的位置關系,從而判定當前機器人所處位姿,同理可根據機器人待執行的輸電線路檢測任務,確定各個連桿的位置信息,在控制器的驅動控制下,實現機器人實時位姿的調整。

1.2 計算機器人帶電作業安全距離

在帶電作業中,最大的風險就是空氣被徹底擊穿,使其絕緣特性變為導體,而夾緊式機械手與導線之間會產生擊穿放電現象。因此在機器人帶電作業安全距離的計算過程中,需保證機器人作業位置的電場強度低于機器人所能承受的電場最大強度。輸電線路的擊穿從電暈開始的,而電暈則是多條發源于同一源頭的流注所構成。聚集在電暈中的電流會產生熱量,引起大氣的熱電離化,從而形成一個引導通道。在先導通路的最前端為先導電暈區,而先導電暈區則為先導繼續進行擴散提供必需的自由電子。此外,導體管的導電性增大,使導體管頭部的電場增大,使導體管頭部產生足夠的電場,以誘導空氣電離,保持導體電暈。在導電暈和導流通道的相互作用下,導電暈一直持續延伸,直至貫穿整個氣隙。當導流通過氣隙時,在頭部的小縫隙內,高場強會引起電離,從而導致電離和熱電離現象。主要電離區沿著導流通道快速擴散,這是主要放電過程,主要是因為導流通道中有大量的游離帶電顆粒,使主放電發展很快,當主要放電通過氣隙時,會產生強烈的電弧放電。任意時刻輸電線路起暈電場的計算公式如式(2)所示：

式(2)中參數μ和ρair分別表示輸電線路表面的粗糙度和相對空氣密度,變量rc為輸電線半徑。得出機器人帶電作業安全距離的計算結果如式(3)所示：

其中Emax表示帶電作業機器人能夠承受的最大電場強度,vc為放電粒子在空氣中的移動速度。除此之外,在機器人設備上安裝絕緣封層,提高機器人帶電作業的安全性。

1.3 規劃帶電作業機器人檢測路徑

在帶電作業機器人內部安裝傳感器設備,該傳感器能夠發現前方180°以內的障礙物,機器人對周圍環境的實時檢測結果如式(4)所示：

其中θ1為當前機器人的方向角,L為傳感器的探測長度。結合安全距離和環境傳感反饋結果,經過自由空間求解、確定測點位置以及檢測軌跡生成三個步驟,得出檢測路徑的規劃結果。自由空間的求解是路徑規劃的核心問題之一,自由空間的形狀和維度直接關系到路徑的規劃效果和效率。將帶電作業機器人機械臂自由空間的求解結果如式(5)所示：

式(5)中,Cdep和Cin分別為相關構型空間和無關構型空間。在輸電線路上設置測點,以輸電線路與發電設備的連接點為起始位置,每隔5m設置一個測點,若輸電線路中存在變壓器、斷路器、絕緣子等設備,則將設備的安裝位置作為新增測點,記錄設置測點的位置,并以輸電線路與用電設備的連接點作為檢測終點[3]。在此基礎上按照圖1表示流程,生成帶電作業機器人的檢測路徑。

圖1 帶電作業機器人檢測路徑規劃流程圖

為了減少帶線作業機器人檢測時延,在保證機器人能夠檢測到所有測點的前提下,對初始生成的檢測路徑進行平滑處理。

1.4 輸電線路檢測圖像采集與預處理

將帶電作業機器人放置在輸電線路初始位置,根據機器人的路徑規劃結果,同時啟動機器人運動和控制程序,將機器人上的攝像機調整至開啟狀態,隨機器人的運動獲取輸電線路各個位置的檢測圖像。由于攝像機獲取的輸電線路檢測圖像含有復雜的自然背景,在光照、噪聲等因素的干擾下,無法保證傳輸信號的清晰度和高品質[4]。因此,需要對初始圖像進行預處理,簡化圖像的復雜性。原始圖像為彩色圖像,含有大量的信息,但改進Hough變換技術無法對彩色圖像中的輸電線路進行直接處理,需要執行灰度處理操作。圖像灰度化處理結果如式(6)所示：

其中,(i,j)表示初始圖像中的像素點位置,R(i,j)、G(i,j)和B(i,j)表示(i,j)像素點的紅、綠、藍顏色分量,最終將像素點的分量全部轉換為灰度分量。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灰度值,參數k和l分別為濾波滑動窗口的長度和寬度,med{}為中值處理函數。移動選用的窗口重復執行上述過程,直到窗口達到最后一個像素點為止。此外圖像增強其處理過程如式(8)所示：

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

1.5 利用改進Hough變換技術提取輸電線路圖像特征

圖2所示的是改進Hough變換技術的變換原理。

圖2 改進Hough變換原理圖

在圖像空間(x,y)中,點P1、P2與參數空間(k,b)中的直線L1和L2一一對應,而在圖像空間(x,y)中的直線L0對應于參數空間(k,b)中的各點P0。利用觀察參數空間(k,b)內點的重疊度可以判定共線狀態[5]。然而,當圖像空間中的直線為垂線時,則會導致k、b的無邊界情況,所以,在實際的輸電線路圖像特征提取過程中用極坐標來替代直角坐標,此時輸電線路檢測圖像中的任意一個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,計算結果λ為圖像坐標系中原點到直線的距離。由此可以得出輸電線路檢測圖像任意紋理的方向特征提取結果如式(10)所示：

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

1.6 實現輸電線路帶電作業機器人檢測

輸電線路帶電作業機器人的檢測內容可以分為三個部分,一部分是檢測輸電線路上元件設備的數量和位置,第二是檢測當前輸電線路是否存在故障,故障類型主要包括斷路、線路裸露等,最后一部分是檢測輸電線路中是否存在異物,因此主要設置輸電線路各個組成部件的輪廓標準特征數據以及正常工作狀態下輸電線路的特征標準數據,分別記為τelement和τnormal。那么輸電線路的檢測過程如式(11)所示：

式(11)中,τfuse為提取的檢測圖像融合特征,計算結果?element和?line分別為元件特征與正常線路特征的匹配度。設置檢測閾值為?,若?element的計算結果大于閾值,則表示當前帶電作業機器人收集圖像中存在設備元件,記錄特征匹配數量即為圖像中的元件數量,若小于,則說明圖像中不存在輸電線路元件。同理,?line高于閾值,則證明當前輸電線路處于正常運行狀態,否則說明輸電線路存在故障點。確定輸電線路元件和故障點的具體位置,最終得出可視化檢測結果。

2 檢測性能測試實驗分析

為了驗證基于改進Hough變換的輸電線路帶電作業機器人檢測方法的檢測性能,設計性能測試實驗,通過與預期結果的對比。

2.1 布設輸電線路實驗對象

此次實驗選擇某市的主網輸電線路作為研究對象,該輸電線路長度為48.45km,共有基礎、鐵塔共計47基。輸電線路采用雙回路架設,使用的導線型號為LGJ-400/35,地線兩側均采用24芯OPGW。根據輸電線路工程的建設方案,可以將線路分為8段,每段長度約為6km。在此基礎上通過人為破壞的方式設置線路故障,綜合每段線路中包含的電力設備作為實驗的檢測目標,具體的設置情況如表1所示。

表1 輸電線路檢測目標設置表

收集輸電線路工程的施工數據,確定各個電力元件設備的安裝位置,并記錄故障點的設置位置,以此作為判定輸電線路帶電作業機器人檢測精度的對比標準。

2.2 帶電作業機器人的安裝與調試

選擇帶電機器人作為輸電線路的檢測設備,將其安裝在實驗環境中,調整內置攝像機設備的拍攝角度,保證攝像機能夠拍攝到輸電線路檢測目標的完整圖像信息。

在機器人運行之前,首先采用軟件程序對其工作程序進行檢測,并將其輸入到作業環境中的工作任務和環境數據。同時,作業人員在作業地點設置了導航板和人員隔離區。開機后,由操作員進行手動遠程控制,按規定路徑從倉庫內到達所需工作地點的導航板。之后完成人工遠程控制,進入自動駕駛階段,由帶電機械手沿著導引板運動至預定工作點,再將最后的定位誤差反饋給系統。系統會自動檢查偏差是否在容許的范圍,如果有偏差,則進行自動調整。如果偏離滿足要求,那么就將移動機架上的水平支架展開,并進行水平調整。提升臺舉升工作臺至目視系統工作高度。然后,通過在固定端金屬工具的固定面上使用粗定位Mark點來實現金屬工具的位置。最后,通過對機器人的粗略定位,對上下滑臺的位置進行相應的調整,以確保機器人的工作空間能夠覆蓋整個工作區域。將規劃的檢測路線數據導入到機器人控制器中,通過機器人實際移動數據的記錄,判斷機器人是否能夠正常執行檢測指令,若機器人反饋結果正常,則直接進入實驗階段,否則需要重新安裝帶電作業機器人,直到反饋結果顯示正常為止。

2.3 設置檢測性能量化測試指標

此次實驗分別從輸電線路的檢測精度、檢測時效性和安全性三個方面進行測試,設置錯檢率和誤檢率作為檢測精度的量化測試指標,其數值結果如式(12)所示：

其中Numtarget表示待檢測的目標數量,Numcorrect和Numout分別為檢測正確的目標數量和機器人輸出結果中的檢測目標數量。檢測時效性的測試指標為檢測方法的響應時間,可以通過帶電機器人的后臺運行數據直接得出,而檢測安全性指標設置為危險系數,其數值結果如式(13)所示：

式(13)中,dactual帶電作業機器人與輸電線路測點之間的實際距離,Umax為輸電線路的最大電壓。為保證檢測方法的應用價值,要求該方法的錯檢率和誤檢率均不得高于3%,檢測響應時間不得超過800ms,危險系數不得高于0.5。

2.4 實驗過程與結果分析

啟動帶電作業機器人以及輸電線路檢測程序,得出可視化檢測結果。圖3所示的是L01輸電線路故障和異物檢測結果。

圖3 輸電線路帶電作業機器人檢測結果

統計所有線路區段的檢測數據,得出改進Hough變換的輸電線路帶電作業機器人檢測方法檢測精度的測試結果,如表2所示。

將表2中的數據代入到式(12)中,得出輸電線路帶電作業機器人檢測方法的平均錯檢率和漏檢率分別為2.87%和1.78%,均低于預設值。另外通過式(13)和式(14)的計算,得出基于改進Hough變換的輸電線路帶電作業機器人檢測方法檢測時效性和安全性的測試結果,如圖4所示。

表2 輸電線路帶電作業機器人檢測精度測試結果

從圖4中可以直觀的看出,優化設計檢測方法的最大響應時間為620ms,危險系數的最大值為0.34,由此證明優化設計檢測方法的時效性和安全性均滿足應用要求。

圖4 檢測時延與安全性的測試結果

3 結語

通過機器人設備的設計與開發,降低了輸電線路帶電作業檢測的危險性,對于輸電線路的檢測工作具有重要意義。從實驗結果中可以看出,在保證機械臂系統有良好平穩的性能為前提下,通過改進Hough變換技術的應用,有效提高了檢測方法的精度、時效性以及安全性,因此可以投入到實際檢測工作中。