楊 波，彭志恒，劉德康，陳張平，王春達

基于超寬帶的變電站人員安全防護報警系統(tǒng)

楊 波，彭志恒，劉德康，陳張平，王春達

（杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，浙江 杭州 310018）

為防止變電站內(nèi)發(fā)生人員誤入非安全區(qū)，設(shè)計了一種基于超寬帶的變電站人員安全防護報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)需人員佩戴UWB定位標簽，輔以機器人指定路線巡邏進行突增非安全區(qū)域標注，并將其上傳至后臺，實現(xiàn)對人員的危險區(qū)域安全報警防護。通過在非安全區(qū)域外圍設(shè)置報警區(qū)域，一旦人員進入，立即對其報警提醒。經(jīng)測試，系統(tǒng)失報（應(yīng)報警但未報）率為0.15%，誤報（不應(yīng)報警卻發(fā)出警報）率為0.36%。

變電站；安全防護；機器人；超寬帶報警系統(tǒng)

變電站等電力行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備大型化、密集化，潛在危險多，對變電站員工的安全管理尤為重要[1]。本文設(shè)計一種基于超寬帶的變電站人員安全防護報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工作人員佩戴超寬帶（ultra wideband，UWB）標簽，輔以機器人實現(xiàn)工作人員安全防護[2-3]，通過基站后臺完成對機器人和工作人員的實時定位和實時位置顯示[4-5]。機器人以不同方式巡邏，后臺人員通過查看攝像頭畫面判定變動危險區(qū)域（變危區(qū)），將區(qū)域坐標正向標注于機器人，亦可由現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)后反向標注于機器人，設(shè)定機器人在危險區(qū)巡邏和報警，使誤入固定危險區(qū)域（固危區(qū)）、變危區(qū)的概率降低到極小值。

1 總體方案設(shè)計

基于超寬帶的變電站人員安全防護報警系統(tǒng)，以UWB的高精度定位為主、機器人為輔，實現(xiàn)在變電站環(huán)境中的提前報警。機器人的總體設(shè)計方案主要涵蓋基于三輪全向式移動底盤的運動單元、基于UWB模塊的定位單元、基于ARM的控制單元、基于攝像頭的監(jiān)控識別單元以及供電電源、串口通信。

機器人使用三輪全向輪，具有良好的運動性，可以在平面內(nèi)任意方向運動，且結(jié)構(gòu)簡單、易于控制。

UWB定位單元包括移動標簽（Tag）和固定基站（Anchor），基于雙路測距（two way ranging，TWR）[6]算法對采集的數(shù)據(jù)進行濾波優(yōu)化，得到穩(wěn)定的輸出Tag定位坐標信息。輔以陀螺儀為機器人運動提供加速度、航向角信息。

控制系統(tǒng)基于ARM芯片，處理傳感器數(shù)據(jù)決策機器人運動狀態(tài)、解算Tag坐標、控制機器人實現(xiàn)語音報警等功能。

UWB配合后臺軟件劃定電子圍欄；當(dāng)檢測到有工作人員在危險區(qū)域內(nèi)時，機器人會前往報警提示，并警示監(jiān)控室的安保人員。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 運動控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)以ARM芯片為控制核心，根據(jù)來自紅外傳感器、UWB定位系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)信息完成機器人運動狀態(tài)的控制決策，輸出PWM波形到驅(qū)動模塊。機器人采用帶編碼器的直流電機，構(gòu)成運動單元的反饋控制[7]，有效調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2 UWB定位系統(tǒng)

在復(fù)雜環(huán)境下，由于多徑效應(yīng)等的影響，各種方式的定位誤差明顯增大，UWB定位系統(tǒng)因其獨特的通信原理，具有多徑分辨率強、功耗低、抗干擾能力強等特點?；赨WB搭建的機器人定位系統(tǒng)包括3個Anchor和一個機器人端Tag。

Anchor與Tag硬件設(shè)計完全相同，均包含Stm32主控芯片和DecaWave公司開發(fā)的DW1000芯片，二者依靠SPI方式進行數(shù)據(jù)通信。UWB定位模塊負責(zé)完成Anchor-Tag測距信息的采集、濾波、優(yōu)化。Tag安裝于機器人主控板，通過串口將距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\動控制系統(tǒng)的ARM芯片，由其完成機器人實時坐標的解算。定位系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 UWB定位系統(tǒng)硬件設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

變電站人員安全防護報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括UWB實時定位、危險區(qū)域報警、智能跟隨、自定義路線巡邏、正向標注危險區(qū)域。

3.1 UWB實時定位

采用UWB是低成本、精確定位的可靠方案。本文使用TWR測距，基站和標簽進行雙向通信，交換各自的發(fā)送時間和接收時間信息，計算TOF（time of flight），得到基站—標簽間測距信息。再采用三邊測量算法實現(xiàn)標簽定位，計算標簽實時坐標位置。

3.1.1 測距算法

采用雙路測距算法，該算法雙向測量，不需要進行節(jié)點間的數(shù)據(jù)同步，數(shù)據(jù)包在空中傳遞的時間為：

最終得到基站—標簽間距離為

其中為光速。

3.1.2 三邊測量法

（4）

3.1.3 去極值最小二乘法

令：

其中：

即

得方程組：

求解得擬合方程為

3.2 危險區(qū)域報警

在巡邏過程中，機器人搭載攝像頭將采集的信息實時傳送給后臺觀測、調(diào)控并進行人臉檢測，對無關(guān)人員進行采集報備提示后臺；搭載語音模塊，實現(xiàn)與現(xiàn)場人員之間的語音交互，并提示現(xiàn)場人員注意周圍的危險區(qū)域；后臺對進入變危區(qū)的人員進行標紅，并輔以機器人提示，防范突發(fā)情況的發(fā)生。危險區(qū)域報警流程如圖5所示。

圖5 危險區(qū)域報警流程

3.3 智能跟隨

在生產(chǎn)現(xiàn)場，每個危險區(qū)域都對應(yīng)有2個預(yù)警區(qū)域組成一個報警區(qū)域（見圖6）。人員一旦踏入一級預(yù)警區(qū)域時，離人員最近的機器人開始加速向其所在的位置移動，在到達人員的附近時開啟語音預(yù)警提示人員，并實時跟隨人員；當(dāng)人員進入二級預(yù)警區(qū)域，機器人立即開啟危險區(qū)域報警；如果人員離開一級預(yù)警區(qū)域，則機器人恢復(fù)正常巡邏。

圖6 報警區(qū)域示意圖

3.4 自定義路線巡邏

機器人的巡邏方式分為2種。

（1）設(shè)定路線巡邏。機器人按照設(shè)定路線在固定的危險區(qū)域附近進行巡邏。

（2）變動路線巡邏[10]。一是變動危險區(qū)域巡邏方式，即當(dāng)后臺設(shè)定新的變危區(qū)時，離危險區(qū)域最近的空閑機器人收到后臺指令后快速前往該區(qū)域進行巡邏；二是后臺人員自定義巡邏方式，即當(dāng)工作人員想查看工廠的某些地方的情況時，就可以在后臺選中處于空閑的機器人進行自定義路線編輯，機器人收到指令后，便會開始該路線的巡邏，而工作人員通過機器人所搭載的攝像頭可以查看工廠各處情況。

3.5 正反向標注危險區(qū)域

當(dāng)出現(xiàn)變危區(qū)，且維修人員未到達之前，需要通過正反向標注危險區(qū)域以提示現(xiàn)場人員。

機器人在巡邏過程中，將所拍攝的視頻信息實時傳給后臺，后臺人員根據(jù)此視頻信息判斷危險區(qū)域，并通過機器人的遠端操控功能對危險區(qū)域重新進行范圍標注并生成報警區(qū)域。機器人將對新的變危區(qū)進行巡邏，實現(xiàn)正向標注危險區(qū)域。

當(dāng)工人發(fā)現(xiàn)新的危險區(qū)域時，開啟機器人跟隨功能，使機器人移動至該區(qū)域，通過機器人將危險區(qū)域坐標傳輸給后臺，由后臺生成報警區(qū)域，機器人將開始在新的變危區(qū)進行巡邏，實現(xiàn)反向標注危險區(qū)域。

4 實驗結(jié)果分析

在變電站環(huán)境下進行了UWB室外定位、UWB報警區(qū)域報警效果、UWB報警區(qū)域報警成功率與人的行走速度關(guān)系的實驗，并對去極值最小二乘法進行了Matlab仿真。實驗測試場地如圖7所示。

4.1 UWB室外定位實驗結(jié)果與分析

UWB定位實驗在長6.5 m、寬5 m的矩形區(qū)域內(nèi)進行，基站搭建于矩形的3個頂點，UWB定位模塊高度2.5 m。矩形區(qū)域內(nèi)選定10個測試點，標簽坐標的測量值及誤差數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 實驗測試場地

由圖可知，UWB定位精度穩(wěn)定在10 cm內(nèi)，滿足變電站人員安全防護報警所需的定位精度條件。

4.2 去極值最小二乘法仿真

采集了機器人運動過程中的一段數(shù)據(jù)，在Matlab中分別使用普通最小二乘法與去極值最小二乘法進行預(yù)測跟蹤，其中數(shù)據(jù)序列長度5，擬合函數(shù)最高次冪為2，仿真結(jié)果如圖9所示。

去極值最小二乘法可有效跟蹤實際運動軌跡，并在UWB定位缺失時提供可靠的預(yù)測結(jié)果。與普通最小二乘法相比，可有效去除數(shù)據(jù)抖動、提高平滑性。

4.3 UWB報警區(qū)域報警效果實驗結(jié)果與分析

人的行走速度和報警區(qū)域的大小都會影響系統(tǒng)的報警正確率。選擇以60.7 cm為邊長的正方形區(qū)域作為初始測試區(qū)域，每次面積縮小一半且保持正方形形狀不變，由下式可以依次得出測試的面積與邊長：

將人的運動速度分為5個等級：1級（0~0.48 m/s）；2級（0.48~0.72 m/s）；3級（0.72~0.96 m/s）；4級（0.96~1.20 m/s）；5級（1.20~1.44 m/s）。保持測試面積不變，在同一測試面積下讓人以5種不同的行走速度通過該區(qū)域，然后測試人通過該報警區(qū)域時后臺的報警成功率，具體如表1所示。

由表1可知，在邊長為21.24 cm的正方形以上的報警區(qū)域，在5種速度下報警率為100%；在邊長為21.24 cm的正方形以下的報警區(qū)域報警率隨著人的速度增大而減小。實驗結(jié)果滿足系統(tǒng)所需要的高報警率的要求。

圖8 UWB室內(nèi)定位實驗結(jié)果分析

圖9 去極值最小二乘法仿真

4.4 UWB報警區(qū)域報警效果實驗結(jié)果與分析

在工廠定位的范圍內(nèi)，人為設(shè)置一個中心坐標為（220 m，218 m），半徑為3.5 m的圓形危險區(qū)域（見圖10）。后臺自動生成一個圓心坐標不變的半徑為7.5 m的報警區(qū)域。

圖10中，虛線同心圓表示人為設(shè)定的危險區(qū)域與自動生成的報警區(qū)域，小點代表報一次警機器人的位置，加號代表了未報一次警機器人的位置，叉號代表了報警失誤一次機器人的位置。機器人在沿著報警區(qū)域邊界運行時共測試了7700次，其中失報了12次，失報率為0.15%；機器人在報警區(qū)域內(nèi)運行時共測試了2500次，其中誤報了9次，誤報率為0.36%。

表1 UWB報警區(qū)域內(nèi)報警成功率 %

圖10 UWB報警區(qū)域報警效果

5 結(jié)語

基于超寬帶變電站人員安全防護報警系統(tǒng)實現(xiàn)了對人員誤入變危區(qū)的安全報警防護，并在后臺實時顯示人員與機器人的坐標位置，通過后臺工作人員操控機器人定點到達查看各變電站的情況。該安全防護報警系統(tǒng)具有普適性，除變電站外，亦適用于其他工廠，因此超寬帶的變電站人員安全防護報警系統(tǒng)具有足夠的實用性。

[1] 朱旭，張志剛，李玲.智能變電站運維隱患危險點分析及防治[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018(32): 194.

[2] YANG G, SHENG L, XIANG W. A patrol mobile robot for power transformer substations based on ROS[C]//2018 Chinese Control And Decision Conference (CCDC), 2018: 456–460.

[3] PORTUGAL D, RUI P R. Performance Estimation and Dimensioning of Team Size for Multirobot Patrol[J]. IEEE Intelligent Systems, 2017, 32(6): 30–38.

[4] LOYEZ C, ROLLAND N, BOCQUET M. UWB technology applied to millimeter-wave indoor location systems[C]// International Radar Conference, 2014: 1–5.

[5] HANSSENS B, PLETS D, TANGHE E, et al. An Indoor Variance-Based Localization Technique Utilizing the UWB Estimation of Geometrical Propagation Parameters[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, 66(5): 2522–2533.

[6] 彭笑，張丹紅，熊斌宇，等.基于DW1000的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與穩(wěn)定性優(yōu)化[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2018, 43(5): 1803–1810.

[7] KIM K B, KIM B K. Minimum-Time Trajectory for Three- Wheeled Omnidirectional Mobile Robots Following a Bounded- Curvature Path With a Referenced Heading Profile[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2011, 27(4): 800–808.

[8] 王文華.室內(nèi)定位系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)及監(jiān)控服務(wù)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué), 2015.

[9] 賈小勇，徐傳勝，白欣.最小二乘法的創(chuàng)立及其思想方法[J].西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006, 36(3): 507–511.

[10] CHEN Xu. Fast Patrol Route Planning in Dynamic Environments[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part A: Systems and Humans, 2012, 42(4): 894–904.

Safety protection and alarm system for substation personnel based on ultra wideband

YANG Bo, PENG Zhiheng, LIU Dekang, CHEN Zhangping, WANG Chunda

(College of Automation, Hangzhou Dianzi University Hangzhou 310018, China)

In order to prevent the occurrence that people enter the unsafe area by mistake in the substation, a high-precision patrol robot system combining UWB with machine vision is designed. This system requires personnel to wear UWB positioning tags and patrol designated routes of robots to mark sudden increase of unsafe areas and upload them to the background to achieve safety alarm protection for workers in dangerous areas. By setting an early warning area on the periphery of the unsafe area, workers will be alerted as soon as they enter the area. After testing, the rate of system failure to report (should alarm but not report) is 0.15%, and the rate of system failure to report (should not alarm but alarm) is 0.36%.

substation; safety protection; robot; UWB alarm system

TP302

A

1002-4956(2019)11-0141-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.034

2019-05-08

國家自然科學(xué)基金項目（61703130）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201810336022）

楊波（1998—），男，甘肅蘭州，本科生，主要研究方向為機器視覺。E-mail: czp.apple@hdu.edu.cn

陳張平（1987—），男，浙江德清，碩士，講師，主要研究方向為功率超聲、優(yōu)化控制。