廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司 杜浩銳

電力施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝和拆卸環(huán)節(jié)經(jīng)常用到起重吊車，為保證在帶電運(yùn)行狀態(tài)下使用吊車作業(yè)的安全性，現(xiàn)有規(guī)程對(duì)吊車使用安全距離做了詳細(xì)的規(guī)定。但現(xiàn)有吊車作業(yè)均由人工司索指揮，安全距離難以準(zhǔn)確掌控，一旦吊車過(guò)于靠近帶電體則會(huì)發(fā)生放電擊穿、跳閘事故，造成設(shè)備損壞、人員傷亡，甚至導(dǎo)致大面積停電事故。針對(duì)此現(xiàn)狀，本文旨在研究一種基于立體視覺的吊車高壓接近預(yù)警系統(tǒng)，能在吊車臨近帶電體作業(yè)時(shí)對(duì)安全距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)收集吊車周圍高壓線及吊車各部件的實(shí)時(shí)信息，當(dāng)?shù)醣劬喔邏壕€安全距離不足時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警。

本文研制的吊車高壓接近預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器視覺技術(shù)，結(jié)合AI自學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)吊車臂與帶電體所在位置的空間感知、識(shí)別周圍的物體和位置測(cè)距。報(bào)警系統(tǒng)包含前置采集裝置和車載報(bào)警終端，其中前置采集裝置根據(jù)不同型號(hào)的吊車，安裝在吊車最靠近高壓線的吊臂部位。采集裝置收集到吊車周圍高壓線的環(huán)境信息、吊車各部件的位置信息后，以無(wú)線通訊的形式把信息發(fā)送至吊車操控室內(nèi)，吊車操作者就可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到吊車的位置信息，當(dāng)?shù)踯嚹硞€(gè)部件過(guò)于靠近高壓線時(shí)，該系統(tǒng)即刻發(fā)出報(bào)警信息，警示操作者警惕高壓線碰撞危險(xiǎn)。

1 前置采集裝置

作業(yè)環(huán)境的三維構(gòu)建是整個(gè)項(xiàng)目的工作重點(diǎn)，實(shí)地測(cè)量?jī)?nèi)容包括：相鄰帶電設(shè)備空間距離、吊車擺臂范圍。為實(shí)現(xiàn)相鄰帶電設(shè)備空間距離測(cè)量，我們?cè)谧鳂I(yè)車輛吊臂頂端位置5個(gè)方向均安裝雙目激光攝像頭，進(jìn)行測(cè)距及視頻采集。由于吊臂頂端的攝像頭無(wú)法對(duì)吊臂本身進(jìn)行觀察，需在吊車外額外安裝雙目激光攝像頭，實(shí)現(xiàn)吊臂自身的監(jiān)控、測(cè)量。采集裝置與車載主機(jī)之間采用WIFI或者5G通信，裝置可封裝成為一體化模塊，便于以吸附方式直接固定安裝在作業(yè)車輛吊臂頂端。

2 前置采集裝置測(cè)距原理

前置采集裝置主要完成圖像采集與圖像處理功能，計(jì)算出吊臂與相鄰帶電設(shè)備的實(shí)時(shí)空間距離，對(duì)吊車的工作場(chǎng)景進(jìn)行重建。按照相關(guān)規(guī)定，必須使作業(yè)吊車和帶電設(shè)備保持足夠的安全距離，因此必須測(cè)量出帶電設(shè)備的坐標(biāo)參數(shù)，用以界定吊臂在安全范圍內(nèi)作業(yè)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。如圖1所示，雙目攝像頭進(jìn)行視覺測(cè)量時(shí)兩個(gè)攝像頭成固定角度擺放的，與被測(cè)物構(gòu)成三角形，兩個(gè)CCD攝像頭在左右兩側(cè)分別投影，交匯成一個(gè)二維投影點(diǎn)。該投影點(diǎn)的坐標(biāo)可由兩個(gè)攝像頭投影坐標(biāo)方程聯(lián)合求解，以測(cè)得帶電設(shè)備的具體空間距離，各帶電設(shè)備與地面、設(shè)備與設(shè)備之間的空間坐標(biāo)。

圖1 雙目視覺三角測(cè)距法示意圖

2.1 基于雙目視覺的三維測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)由CCD攝像頭、振鏡和激光線投射器組成。為了將平面二維圖像和激光平面方程轉(zhuǎn)化為空間三維數(shù)據(jù)，需利用平面靶標(biāo)對(duì)攝像頭內(nèi)外部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，包括有效焦距F，透鏡畸變系數(shù)K等攝像頭內(nèi)部幾何和光學(xué)特性；外部參數(shù)是指攝像頭坐標(biāo)與外部三維坐標(biāo)的位置換算，具體包括一個(gè)正交矩陣R和一個(gè)平移矩陣T。最終利用三角形測(cè)距法測(cè)量出空間距離；計(jì)算出各帶電設(shè)備與地面、設(shè)備與設(shè)備之間的空間坐標(biāo)。

2.2 測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)

前置采集裝置基于光學(xué)三角法測(cè)量原理，由激光器提供激光源，經(jīng)反射鏡片反射后向物體投射激光束，物體反射后的激光線條由CCD攝像頭采集，送至結(jié)構(gòu)光圖像傳感器進(jìn)一步處理。測(cè)量過(guò)程如圖2所示。

圖2 激光測(cè)量系統(tǒng)原理圖

2.3 測(cè)量過(guò)程數(shù)學(xué)建模

首先要建立三維坐標(biāo)系，才能實(shí)現(xiàn)攝像頭坐標(biāo)與外部三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。我們先建立任一振鏡角度所對(duì)應(yīng)的光平面方程。光平面方程需要在像素平面（μ,υ）與攝像頭三維坐標(biāo)（x，y，z）之間進(jìn)行幾何建模，將二維像素?cái)?shù)據(jù)（μ,υ）轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)。轉(zhuǎn)化模型如圖3所示（其中原點(diǎn)0為光學(xué)中心）。為攝像頭像面坐標(biāo)系；ow xw yw zw為振鏡坐標(biāo)系，F(xiàn)為理想成像系統(tǒng)的焦距。

圖3 三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型

由圖3可判斷出：攝像頭像面坐標(biāo)系與三維世界坐標(biāo)（x,y,z）的點(diǎn)相互坐標(biāo)系的變換關(guān)系為式(1)：

式(1)中，(Nx,Ny)為圖像平面上單位距離像素點(diǎn)，為攝像頭固有屬性。

2.4 光鏡面方程推導(dǎo)

我們對(duì)振鏡建立平面坐標(biāo)系：z=f(x,y)，如圖4所示，振鏡坐標(biāo)系如圖圓心O位于振鏡轉(zhuǎn)軸上，與攝像頭鏡頭光心重合。

圖4 振鏡坐標(biāo)系

由入射光面及鏡面方程，可推導(dǎo)反射光面方程為式(2)：

其中：

入射光面方程與反射光面方程進(jìn)行聯(lián)合求解，通過(guò)二維的像面坐標(biāo)系，反演求解出吊車與高壓物體的三維空間距離。

3 車載輔助終端

前置采集裝置的攝像頭和雷達(dá)基于視覺技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)吊車臂與臨近帶電物體的空間位置感知，并計(jì)算最短相對(duì)距離。車載輔助終端則安裝在作業(yè)車輛控制室內(nèi)，采用AI自學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)帶電體所在位置的空間感知、識(shí)別周圍的物體和位置測(cè)距，吊車吊臂在三維實(shí)景中進(jìn)行模擬軌跡預(yù)演，結(jié)合多種感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)吊車作業(yè)的全方位管控，有碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)急停程序啟動(dòng)，作業(yè)吊車吊臂作業(yè)緊急中斷。

4 前置采集系統(tǒng)測(cè)試分析

吊車前置采集裝置在進(jìn)行空間距離測(cè)量時(shí)，受平面靶標(biāo)精度、參數(shù)標(biāo)定、采樣與量化等諸多因素影響，會(huì)產(chǎn)生一定的視覺誤差。因此為保證測(cè)量精度，在本系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，采取了一系列措施以提高測(cè)量精度，如：三角投影點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算、提高圖像邊緣檢測(cè)精度等。我們將吊車前置采集裝置樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)間隔50m、25m、10m等不同距離的靶標(biāo)進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示，測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證：該測(cè)量系統(tǒng)精度較穩(wěn)定，測(cè)距誤差在2%以內(nèi)，對(duì)三維空間的位置還原度好，能滿足吊臂與相鄰帶電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

表1 不同距離數(shù)次測(cè)量結(jié)果