， ， ，，

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

基于計(jì)算機(jī)視覺的斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡多目標(biāo)修正測量方法

吳成堅(jiān)，李明，王波，朱繼鵬，趙書濤

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

為了解決傳統(tǒng)測量方法無法帶電測試、測試精度低等問題，闡述了動觸頭運(yùn)動識別及多目標(biāo)跟蹤修正方法，利用高速相機(jī)捕捉的圖像序列中斷路器本體固定部位的位移作為參考基準(zhǔn)，以其幀間運(yùn)動坐標(biāo)差值來修正本體移位或振動引起的誤差，通過相鄰幀旋轉(zhuǎn)角差值剔除識別結(jié)果中的不良數(shù)據(jù)，以目標(biāo)匹配相似度對多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)的識別結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，并對ZN65-12型斷路器分閘運(yùn)動軌跡進(jìn)行了識別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡多目標(biāo)修正測量方法有效地修正了斷路器本體移位或振動引起的誤差，有利于動觸頭運(yùn)動坐標(biāo)的準(zhǔn)確獲取，從而提高機(jī)械特性參數(shù)的測試精度。

計(jì)算機(jī)視覺；機(jī)械特性參數(shù)；運(yùn)動軌跡；多目標(biāo)識別；振動修正

高壓斷路器運(yùn)行的可靠性對電網(wǎng)保護(hù)與控制至關(guān)重要。目前斷路器測試的研究熱點(diǎn)集中在利用振動、控制線圈電流等變化診斷其故障[1-3]。斷路器的分(合)閘時(shí)間、開距、超程、平均速度和最大速度等機(jī)械特性參數(shù)與其動觸頭運(yùn)動情況密切相關(guān)。文獻(xiàn)[4]提出一種利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)跟蹤斷路器動觸頭獲得機(jī)械特性參數(shù)的“非接觸式”測試方法，在連桿等運(yùn)動部位添加標(biāo)志物或噴涂顏色作為識別目標(biāo)，再利用圖像匹配算法[5]跟蹤高速圖像序列中的待識別目標(biāo)，與動觸頭關(guān)聯(lián)的目標(biāo)運(yùn)動軌跡計(jì)算斷路器機(jī)械特性參數(shù)。然而，斷路器分合閘動作極快、沖擊力極大，對本體劇烈撞擊會引起圖像中目標(biāo)的微小偏移，這種微小偏移將直接影響目標(biāo)運(yùn)動坐標(biāo)的準(zhǔn)確獲取和運(yùn)動軌跡的精確構(gòu)建，會造成開距和速度等參數(shù)的計(jì)算誤差。僅采用單一目標(biāo)識別方法跟蹤連桿的運(yùn)動，易受外界因素干擾，無法保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。為了克服傳統(tǒng)測試方法的不足，本文提出一種基于多目標(biāo)跟蹤的斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡修正識別方法，利用斷路器本體固定部位的幀間位移作為參考基準(zhǔn)，以其幀間運(yùn)動坐標(biāo)差值來修正本體移位或振動引起的誤差。同時(shí)在剔除不良數(shù)據(jù)后，使用匹配相似度分值對多目標(biāo)跟蹤結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。最后構(gòu)建準(zhǔn)確的目標(biāo)運(yùn)動軌跡，計(jì)算出動觸頭機(jī)械特性參數(shù)。

1 動觸頭運(yùn)動識別及多目標(biāo)跟蹤修正方法

1.1 單目標(biāo)識別的匹配失準(zhǔn)

利用高速相機(jī)捕捉斷路器分合閘過程，得到與動觸頭運(yùn)動直接關(guān)聯(lián)的高速圖像序列；運(yùn)用匹配算法對圖像運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行逐幀搜索，獲得動觸頭運(yùn)動特性。圖像匹配算法常使用歸一化互相關(guān)匹配算法(Normalized Cross Correlation，NCC)[6]：

NCC(a,b)=

(1)

式中：G(i+a,j+b)為原始圖像G中(i+a,j+b)點(diǎn)的灰度值；T(i,j)為模板T中(i,j)點(diǎn)的灰度值，(a,b)為T在G中逐一滑動時(shí)的左上角頂點(diǎn)坐標(biāo)。

該算法利用了圖像灰度信息，用一個(gè)相關(guān)值NCC來表示兩張圖之間的相似程度，是一種尋找圖像中特定目標(biāo)的匹配算法。

現(xiàn)場光線變化、相機(jī)電子噪聲、匹配算法局限性

圖1 目標(biāo)誤識別的動觸頭運(yùn)動軌跡Fig.1 Movable contact trajectoryof false objective recognition

性等因素不可避免地會對圖像匹配過程產(chǎn)生干擾，即使采用標(biāo)志物作為單目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，也時(shí)常會出現(xiàn)匹配目標(biāo)失準(zhǔn)、甚至錯(cuò)誤等現(xiàn)象。動觸頭運(yùn)動軌跡的一次誤識別如圖1所示。從圖1可以看出，這種誤識別或位置失準(zhǔn)偏離了動觸頭實(shí)際運(yùn)動軌跡，由此得到的數(shù)據(jù)稱之為不良數(shù)據(jù)。單目標(biāo)跟蹤易受外界因素影響，無法保證斷路器機(jī)械特性參數(shù)計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

1.2 本體振動位移對動觸頭運(yùn)動識別的影響

斷路器接收到分合閘動作指令后，線圈電流磁場觸發(fā)摯子釋放，在彈簧拉伸力作用下操動機(jī)構(gòu)迅速動作，使動、靜觸頭間形成相對位移，接觸或離開瞬間發(fā)生劇烈沖撞[7]，雖然滅弧室內(nèi)動觸頭波紋管可以減緩沖擊，但是斷路器本體仍然受到巨大撞擊而引起移位或振動，這種本體位移會造成較大的斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡識別誤差。

圖2 主軸拐臂分閘運(yùn)動軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of spindlecrank arm opening trajectory

本文使用NCC算法跟蹤分閘過程中與動觸頭聯(lián)動的主軸拐臂上的特征部位，得到運(yùn)動軌跡如圖2(a)所示，由此可計(jì)算斷路器機(jī)械特性參數(shù)。但是，對動觸頭運(yùn)動開始和結(jié)束階段的軌跡放大觀察，發(fā)現(xiàn)軌跡中存在大量抖動現(xiàn)象，如圖2(b)和圖2(c)所示。其中圖2(c)中軌跡往復(fù)運(yùn)動代表了動觸頭到達(dá)最大位移點(diǎn)后的彈跳過程。

運(yùn)動軌跡的抖動現(xiàn)象說明動觸頭在分閘過程中，除了沿分閘方向的運(yùn)動以外，還存在其他方向的不規(guī)則微小偏移。這種斷路器本體的移位或振動會使運(yùn)動軌跡與實(shí)際動觸頭運(yùn)動情況發(fā)生偏移，影響分(合)閘時(shí)間、開距、超程等機(jī)械特性參數(shù)的計(jì)算。

1.3 動觸頭運(yùn)動軌跡修正識別方法

本文提出一種計(jì)及本體振動位移的斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡多目標(biāo)跟蹤方法，如圖3所示。

圖3 動觸頭運(yùn)動軌跡跟蹤新方法Fig.3 A new method to track movable contact

在獲得斷路器分合閘過程的高速圖像序列后，選定斷路器本體固定部位作為參考目標(biāo)，選取操動機(jī)構(gòu)上的多處特征部位作為多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)，再使用NCC算法跟蹤目標(biāo)，得到各目標(biāo)的運(yùn)動坐標(biāo)。以參考目標(biāo)在斷路器操動過程中與其初始位置的偏移差值來逐幀修正本體移位或振動引起的誤差。最后對修正后的運(yùn)動目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別計(jì)算，得到精確的動觸頭運(yùn)動軌跡及斷路器機(jī)械特性參數(shù)。

2 振動偏移修正及多目標(biāo)跟蹤方法

針對上述單目標(biāo)識別匹配失準(zhǔn)及斷路器本體振動對機(jī)械特性參數(shù)識別的影響，提出固定目標(biāo)偏移差值修正與多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法。

2.1 固定目標(biāo)偏移差值修正

在斷路器分合閘高速圖像序列中，選定本體固定部位作為參考目標(biāo)，其與斷路器本體相對靜止。通過跟蹤圖像中的參考目標(biāo)得到其運(yùn)動坐標(biāo)，再參照其與初始位置的偏移差值便可計(jì)算出本體振動偏移量，將運(yùn)動目標(biāo)坐標(biāo)減去振動偏移量即為精確目標(biāo)坐標(biāo)。

利用對應(yīng)時(shí)刻的振動偏移量對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行振動修正，第k幀圖像中運(yùn)動目標(biāo)修正后坐標(biāo)為

(2)

運(yùn)動目標(biāo)第k幀的振動修正量Δxk定義為

(3)

式中：|d(tk)|為第k幀參考目標(biāo)的偏移距離；|ya(tk)-ya(t0)|為第k幀運(yùn)動目標(biāo)的位移距離。

參考目標(biāo)的運(yùn)動情況反映了斷路器本體的移位或振動情況，固定目標(biāo)偏移差值修正需要利用相對靜止的參考目標(biāo)振動偏移量來逐幀修正運(yùn)動目標(biāo)坐標(biāo)，得到一系列更準(zhǔn)確的坐標(biāo)，為精確計(jì)算機(jī)械特性參數(shù)做好了準(zhǔn)備。

2.2 多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法

為了解決單目標(biāo)匹配跟蹤易誤識別或識別失準(zhǔn)的問題，采用多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法，即同時(shí)跟蹤操動機(jī)構(gòu)上的多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)，以兩個(gè)運(yùn)動目標(biāo)A、B為例，在利用固定目標(biāo)偏移差值對斷路器本體移位或振動引起的誤差進(jìn)行修正后，由運(yùn)動目標(biāo)A、B坐標(biāo)計(jì)算出相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角αk、βk(分合閘過程中斷路器主軸轉(zhuǎn)過的角度稱為旋轉(zhuǎn)角，由主軸旋轉(zhuǎn)角變化情況可得到動觸頭運(yùn)動特性，故跟蹤運(yùn)動目標(biāo)坐標(biāo)為計(jì)算主軸旋轉(zhuǎn)角)。因?yàn)椴賱舆^程中主軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所以其圖像相鄰幀旋轉(zhuǎn)角差值必有一個(gè)合理的閾值范圍，根據(jù)斷路器型號、操動過程最大速度、開距、超程等先驗(yàn)知識[8]可計(jì)算此閾值w，作為剔除受環(huán)境影響不良數(shù)據(jù)的決定因子。

當(dāng)兩目標(biāo)相鄰幀的旋轉(zhuǎn)角差值均大于w時(shí)，表明此幀結(jié)果已嚴(yán)重受環(huán)境干擾影響，應(yīng)舍棄該幀；僅一個(gè)目標(biāo)的相鄰幀旋轉(zhuǎn)角差值大于w時(shí)，表明該目標(biāo)此次結(jié)果識別誤差過大，應(yīng)舍棄該目標(biāo)此幀結(jié)果值而直接選取另一目標(biāo)結(jié)果值；兩個(gè)目標(biāo)相鄰幀旋轉(zhuǎn)角差值均小于w時(shí)，根據(jù)它們的匹配相似度分值決定它們在結(jié)果中所占的權(quán)重。第k幀圖像的修正旋轉(zhuǎn)角θk計(jì)算公式如下：

θk=

(4)

對斷路器操動機(jī)構(gòu)多個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行跟蹤，利用閾值w剔除不良數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；同時(shí)以目標(biāo)的匹配相似度分?jǐn)?shù)值作為權(quán)重，使每幀中匹配相似度越高的目標(biāo)數(shù)據(jù)在結(jié)果中占有權(quán)重越大，從而提高匹配精度。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 目標(biāo)跟蹤與修正識別過程

以ZN65-12型高壓斷路器分閘過程為例，調(diào)節(jié)高速相機(jī)至合適的幀率、焦距和視場角，捕捉斷路器主軸運(yùn)動情況得到海量高速圖像序列，通過相鄰幀圖像灰度值相減的方法辨識分閘過程的開始幀與結(jié)束幀，共得228幀圖像，分閘過程持續(xù)65.1ms。斷路器分閘初始狀態(tài)圖像如圖4所示。選定圖像左側(cè)的六角形螺絲作為參考目標(biāo)，選取具有明顯灰度特征的主軸拐臂圓孔和矩形螺絲作為運(yùn)動目標(biāo)。運(yùn)動目標(biāo)以主軸中心為圓心沿圓弧順時(shí)針運(yùn)動，某時(shí)刻的運(yùn)動位置、初始位置與主軸中心連線的夾角即為旋轉(zhuǎn)角。

圖4 斷路器分閘初始狀態(tài)圖像Fig.4 Initial state image for circuit breaker opening

使用NCC算法識別上述兩個(gè)運(yùn)動目標(biāo)(圓孔和矩形螺絲)及參考目標(biāo)(六角形螺絲)在分閘過程中的坐標(biāo)。依次逐幀由參考目標(biāo)的振動偏移量對兩個(gè)運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行本體位移的修正，再使用多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法對修正后兩個(gè)運(yùn)動目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算，并由此構(gòu)建運(yùn)動軌跡、計(jì)算斷路器機(jī)械特性參數(shù)。計(jì)及本體振動位移的斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡多目標(biāo)跟蹤流程如圖5所示。

圖5 多目標(biāo)跟蹤及修正流程圖Fig.5 Flow chart of multi-objectivetrack and its modification

3.2 結(jié)果分析

跟蹤參考目標(biāo)得到其運(yùn)動軌跡如圖6(a)所示，可見在分閘過程中參考目標(biāo)坐標(biāo)發(fā)生了位移，且初始位置不同于最終位置。

由參考目標(biāo)運(yùn)動軌跡及其初始位置計(jì)算出分閘過程中每一時(shí)刻的振動偏移量d(tk)。d(tk)在X和Y方向上隨時(shí)間變化的偏移曲線如圖6(b)、6(c)所示。由圖6(b)可知，參考目標(biāo)在X方向上最大偏移距離為4像素。由圖2(a)可知，運(yùn)動目標(biāo)在X方向上的最大位移為158像素，計(jì)算得X方向上的相對誤差限為2.5%，Y方向上的相對誤差限為2.8%。因此，若忽略斷路器本體的移位或振動，將存在較大機(jī)械特性參數(shù)計(jì)算誤差。

由振動偏移量d(tk)通過式(2)對兩個(gè)運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行修正，再由式(3)計(jì)算出整個(gè)分合閘過程中的修正量Δxk，Δxk隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖6 參考目標(biāo)振動偏移量d(tk)Fig.6 Vibration offset d(tk) of reference objectives

圖7 修正量Δxk隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Correction quantity Δxk curve as time changes

由圖7可知，修正量Δxk隨著動觸頭分閘運(yùn)動由大到小發(fā)生變化。運(yùn)動開始時(shí)，運(yùn)動目標(biāo)位移小，此時(shí)修正量Δxk很大，實(shí)驗(yàn)受本體振動干擾影響最大，如不修正就會對剛分速度的計(jì)算影響很大。

根據(jù)本文方法，利用修正后的坐標(biāo)重新構(gòu)建斷路器動觸頭的運(yùn)動軌跡，結(jié)果如圖8(a)所示，對圖中的運(yùn)動開始和結(jié)束部分進(jìn)行放大觀察如圖8(b)和8(c)所示。圖8中實(shí)線為修正前的運(yùn)動軌跡，虛線為修正后的運(yùn)動軌跡，可見振動修正后的軌跡明顯不同于修正前的軌跡，微小偏差部分正是斷路器本體移位或振動引起的。

圖8 運(yùn)動軌跡修正前后對比圖Fig.8 Comparison diagram of trajectorybefore and after modification

由修正后兩個(gè)運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動軌跡坐標(biāo)計(jì)算出各幀中的旋轉(zhuǎn)角分別為αk、βk(k=1，2，…，228)，再通過多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法處理數(shù)據(jù)αk和βk，由式(4)計(jì)算得到精確旋轉(zhuǎn)角θk，數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示(間隔取10幀)。表1中每幀圖像的兩個(gè)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角均不相同，存在微小偏差，此為現(xiàn)場環(huán)境因素和NCC算法局限性造成的。而兩個(gè)目標(biāo)在每幀中的匹配程度也均不同，以匹配相似度分值為權(quán)重計(jì)算出的旋轉(zhuǎn)角與跟蹤單目標(biāo)得到的旋轉(zhuǎn)角相比具有更高的可靠性、精確性。

表1 多目標(biāo)跟蹤及振動修正數(shù)據(jù)表Table 1 Data table for multi-objectivetrack and vibration modification

多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法使用的目標(biāo)數(shù)可為兩個(gè)及以上目標(biāo)，本文實(shí)驗(yàn)中使用兩個(gè)目標(biāo)，由雙目標(biāo)得到的θk分別比單目標(biāo)獲得的αk和βk在整個(gè)分閘過程中提高了0.62%和0.76%的精確度。由θk繪制出旋轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)角θk隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Rotation angle θk curve as time changes

由圖9可知，運(yùn)動目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角的變化情況實(shí)則反映主軸轉(zhuǎn)動特性，與動觸頭運(yùn)動相關(guān)聯(lián)，動觸頭的不同運(yùn)動位置都存在一個(gè)與之對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角，故圖9也為動觸頭行程隨時(shí)間變化曲線。結(jié)合通廠家給出的主軸與動觸頭之間的函數(shù)關(guān)系，最終可計(jì)算得到斷路器機(jī)械特性參數(shù)。

4 結(jié) 論

本文利用高速相機(jī)捕捉斷路器分合閘過程，再通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)測量斷路器機(jī)械特性參數(shù)，這是非接觸式測量新方法，該方法實(shí)用化的基礎(chǔ)在于克服單目標(biāo)跟蹤易失準(zhǔn)問題和振動偏移影響。

1)高速圖像幀間的固定目標(biāo)偏移差值修正法能夠有效地解決斷路器本體移位或振動引起的動觸頭運(yùn)動軌跡識別誤差。

2)多目標(biāo)聯(lián)動加權(quán)判別法相比添加標(biāo)志物的單目標(biāo)跟蹤法具有更高的匹配精度，能夠保證機(jī)械特性參數(shù)計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3)基于計(jì)算機(jī)視覺的斷路器動觸頭運(yùn)動軌跡多目標(biāo)修正測量方法，修正了斷路器本體振動造成的目標(biāo)偏移、排除了外部干擾因素，提高了斷路器機(jī)械特性參數(shù)的測試精度，具有廣闊實(shí)際應(yīng)用前景。

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Multi-objective modification test method for circuit breaker contact trajectory based on computer vision technology

WU Chengjian,LI Ming,WANG Bo,ZHU Jipeng,ZHAO Shutao

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to solve the problem that live test can not be conducted and test precision is lower with the traditional measurement method, the movable contact motion recognition and modification method for multi-objective trajectory are expounded. Taking the displacement of the fixed part of the circuit breaker ontology in the image sequence captured by the high speed camera as the reference standard, the ontology displacement or error caused by vibration are modified by the inter-frame motion coordinate difference, the defective data in the recognition result are eliminated by the rotation angle difference between adjacent frames, and the recognition results of multiple moving objectives are weighted by the target matching similarity. Also, the identification experiment on trajectory of ZN65-12 circuit breaker opening is carried out. The experimental results show that the multi-objective modification method for circuit breaker contact trajectory can effectively correct the displacement of the circuit breaker ontology or the error caused by vibration, which is helpful to obtain the accurate moving coordinate of the movable contact, so as to improve the test precision of the mechanical property parameter.

computer vision；mechanical property parameter; trajectory multi-objective recognition; vibration correction

2017-08-04；

2017-10-09。

吳成堅(jiān)(1993—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺及其在電力中的應(yīng)用。

TM561

A

2095-6843(2017)06-0516-06

(編輯侯世春)