劉培賢, 丁 超, 龔 楷

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 玉溪供電局帶電作業(yè)中心, 玉溪 653100)

電力對(duì)現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)至關(guān)重要, 為了保證電力設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn), 需要對(duì)電力線路進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和維護(hù), 在電力設(shè)施不足的情況下甚至需要帶電作業(yè). 我國現(xiàn)階段輸電線路巡檢方法包括作業(yè)人員實(shí)地巡檢和低空巡檢[1-3]. 實(shí)地勘察由于實(shí)際作業(yè)中配電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)項(xiàng)目難度高、作業(yè)組織流程多等因素, 存在著安全距離不足或觸碰帶點(diǎn)或接地體接觸等問題, 導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)較高或發(fā)生觸電事故； 低空巡檢方法則主要采用直升機(jī)進(jìn)行肉眼巡查或手持儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,勞動(dòng)強(qiáng)度大, 工作效率低, 難以適應(yīng)現(xiàn)代化電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)的發(fā)展[4]. 帶電作業(yè)是提高供電可靠性的有效手段之一, 但在實(shí)際作業(yè)中由于配電線路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、作業(yè)項(xiàng)目的難度、作業(yè)組織流程多、現(xiàn)場(chǎng)安全管控能力不足、操作人員的技術(shù)技能水平及安全意識(shí)等綜合因素影響, 在作業(yè)過程會(huì)出現(xiàn)帶電作業(yè)的安全距離不足或觸碰帶電體或與接地體接觸, 導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)較高或發(fā)生觸電事故.

傳感器技術(shù)的發(fā)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(jī)采集照片、視頻等圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理, 機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展使得故障診斷的自動(dòng)化程度和精度取得巨大的提高[5]. 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是一種日漸成熟的高精度測(cè)量技術(shù), 可以獲取目標(biāo)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(cè)方式相比, 基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的識(shí)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(xiàn)狀分析, 本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于非接觸遠(yuǎn)距離高精度的激光雷達(dá)配電線路安全距離監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng), 用以安全距離測(cè)量、作業(yè)安全監(jiān)測(cè)以及可視化監(jiān)控, 實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)管控, 為作業(yè)人員的安全防護(hù)提供保障, 避免安全隱患,提高帶電作業(yè)的安全水平.

1 安全距離監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)方案

為了實(shí)現(xiàn)10 kV配電線路帶電作業(yè)周邊環(huán)境安全距離測(cè)量與預(yù)警, 在電力作業(yè)斗臂車四周安裝4套單線激光雷達(dá)(思嵐RPLIDAR S1)與大疆GM6020云臺(tái)電機(jī)的組合設(shè)備進(jìn)行三維電力帶電作業(yè)環(huán)境感知, 這樣的組合具備體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn). 通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的將4套設(shè)備實(shí)時(shí)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行可視化顯示、安全距離監(jiān)測(cè)與預(yù)警. 安全距離監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)整體方案如圖1所示.

圖1 安全距離監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)整體方案

思嵐RPLIDAR S1是一款TOF激光雷達(dá), 小巧輕便, 單個(gè)重量僅105 g, 采樣頻率10 Hz, 最大測(cè)量距離可達(dá)40 m, 典型角度分辨率為0.391°, 可以有效避免環(huán)境光與強(qiáng)日光的干擾, 實(shí)現(xiàn)室外場(chǎng)景的穩(wěn)定測(cè)距.RoboMaster GM6020是一款內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)器的高性能直流無刷電機(jī), 電機(jī)重量僅約468 g, 電機(jī)采用空心軸設(shè)計(jì), 扭矩密度大、控制精度高、交互方式靈活、保護(hù)功能強(qiáng). 點(diǎn)云采集通過集成的微型計(jì)算機(jī)(使用樹莓派操作系統(tǒng))進(jìn)行控制, 集成的點(diǎn)云采集設(shè)備如圖2所示.

圖2 單套集成激光雷達(dá)點(diǎn)云采集設(shè)備

2 多激光雷達(dá)標(biāo)定

低成本激光雷達(dá)通常面臨點(diǎn)云稀疏無法提取有效信息的問題, 將多個(gè)激光雷達(dá)組合起來, 能夠增加激光雷達(dá)的有效測(cè)量范圍[9]. 單個(gè)激光雷達(dá)輸出的原始數(shù)據(jù)為掃描點(diǎn)在該激光雷達(dá)自身坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)及反射率, 由于思嵐RPLIDAR S1單線雷達(dá)和RoboMaster GM6020電機(jī)的組合設(shè)備安裝在斗臂車的側(cè)面, 相互之間并不通視, 單套設(shè)備只能感知到一個(gè)方向上的環(huán)境信息, 因此需要融合4套設(shè)備點(diǎn)云數(shù)據(jù)以獲取電力作業(yè)斗臂車全方位的環(huán)境信息. 4套設(shè)備之間需要標(biāo)定空間位置關(guān)系以進(jìn)行多激光雷達(dá)點(diǎn)云融合, 實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)將點(diǎn)云歸算到以斗臂車中心點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下.

為了達(dá)到目的, 我們需要精確的校準(zhǔn)傳感器之間的六自由度剛體變換, 根據(jù)是否設(shè)置人工目標(biāo), 標(biāo)定方法大致被分為兩種. 近年來, 有學(xué)者提出了一種利用場(chǎng)景反射強(qiáng)度提取點(diǎn)強(qiáng)度的方法實(shí)現(xiàn)多激光雷達(dá)的標(biāo)定算法, 根據(jù)點(diǎn)云的幾何特征, 使得能夠離線的標(biāo)定任意場(chǎng)景中多個(gè)二維激光雷達(dá)[10]. 基于人工地標(biāo)的方法目前被普遍用于尋找傳感器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系. Xie等提出了一種通用的標(biāo)定解決方案, 在預(yù)先構(gòu)建的環(huán)境中使用標(biāo)簽(apriltags)并聯(lián)合了多個(gè)攝像頭與激光雷達(dá)[11]. R?wek?mper提出了一種跟蹤的方法, 利用重疊區(qū)域的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)多個(gè)2D激光雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定[12]. 程宇航等分析了5種點(diǎn)云拼接的精度, 包括標(biāo)靶拼接、已知后視點(diǎn)拼接、后方交會(huì)拼接、點(diǎn)云試圖拼接、特征點(diǎn)拼接, 結(jié)果表明在50 m測(cè)量距離范圍內(nèi), 基于標(biāo)靶的點(diǎn)云拼接方法精度最高[13]. 考慮到本文的設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中4個(gè)激光雷達(dá)之間互相不共視, 沒有重疊點(diǎn)云, 采用標(biāo)靶標(biāo)定的方式更適合于本文. 本文采用了一種基于標(biāo)靶紙(黑白格子)的三維激光雷達(dá)標(biāo)定方法,我們?cè)诜忾]的室內(nèi)空間布設(shè)多組標(biāo)靶, 并利用高精度靜態(tài)三維激光掃描儀確定標(biāo)靶位置, 將所有的激光點(diǎn)云標(biāo)定到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下.

多激光雷達(dá)空間位置關(guān)系標(biāo)定就是求解各個(gè)激光雷達(dá)坐標(biāo)系相對(duì)于所選定的世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)參數(shù)(Roll,Pitch,Yaw) 和 平移參數(shù)( Δx,Δy,Δz). 針對(duì)三維激光雷達(dá)外參標(biāo)定求解問題, 傳統(tǒng)方法一般根據(jù)約束關(guān)系直接對(duì)所有標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì), 為了保證標(biāo)定精度, 通常采用特制的標(biāo)志物, 以建立嚴(yán)格的約束方程,利用約束關(guān)系同時(shí)求解6個(gè)參數(shù).

本文在室內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)來對(duì)4套激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定, 標(biāo)定場(chǎng)景如圖3所示. 在室內(nèi)平整墻面上貼黑白格子標(biāo)靶紙作為參照物, 在場(chǎng)地中央假設(shè)架設(shè)法如(Focus 3D)高精度三維激光掃描儀, 假設(shè)其為斗臂車中心點(diǎn), 在其四周擺放4套激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

圖3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

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

圖4 高精度靜態(tài)點(diǎn)云和單線激光雷達(dá)點(diǎn)云

使用開源軟件CloudCompare提取標(biāo)靶紙中心點(diǎn)的坐標(biāo), 記場(chǎng)景中所有標(biāo)靶紙的中心坐標(biāo)在單線激光旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù), 那么兩套坐標(biāo)系有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系:

其中,

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為小角度時(shí), 可取:

相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式變?yōu)?

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(zhuǎn)換向量,V為改正數(shù)向量, Δ為測(cè)量噪聲. 按照最小二乘法VTPV=min最小得原則, 取權(quán)值為距離的倒數(shù), 可以列出法方程為BTPBX+BT=0, 其解為BTP. 為了求取6個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù), 至少需要3組公共點(diǎn).Cereres solver庫[14]構(gòu)建并求解上述最小二乘優(yōu)化解.通過重復(fù)上述步驟可以依次計(jì)算4個(gè)激光雷達(dá)坐標(biāo)系L1與世界坐標(biāo)系W的轉(zhuǎn)換參數(shù)這樣可以將4個(gè)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)世界坐標(biāo)系下, 實(shí)現(xiàn)多激光雷達(dá)點(diǎn)云的拼接, 標(biāo)定結(jié)果如表1所示.

表1 4臺(tái)激光雷達(dá)空間位置關(guān)系標(biāo)定結(jié)果

通過標(biāo)定轉(zhuǎn)換參數(shù)后, 截取4臺(tái)激光雷達(dá)融合后產(chǎn)生的部分點(diǎn)云如圖5所示, 可以看到點(diǎn)云重合度很高, 反映了標(biāo)定參數(shù)的準(zhǔn)確性, 統(tǒng)計(jì)同名點(diǎn)之間的差異,其RMS為0.03 m, 表明標(biāo)定參數(shù)可以很好的融合不同激光雷達(dá)點(diǎn)云.

圖5 多激光雷達(dá)融合點(diǎn)云

3 軟件系統(tǒng)開發(fā)與安全距離監(jiān)測(cè)測(cè)試

本文采用網(wǎng)絡(luò)通信方式將4套設(shè)備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺(tái), 在Windows 10操作系統(tǒng)下基于QT平臺(tái)采用C++程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)實(shí)時(shí)采集、處理和可視化軟件平臺(tái), 軟件界面如圖6所示. 軟件功能主要包括: (1)多臺(tái)激光雷達(dá)傳感器實(shí)時(shí)連接及數(shù)據(jù)采集； (2)多視角點(diǎn)云切換(前視, 側(cè)視, 俯視等)；(3)點(diǎn)顯示像素大小選擇； (4)視場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)云積分時(shí)間, 可以選擇按照100 ms, 200 ms, 500 ms, 1000 ms時(shí)間顯示點(diǎn)云； (5)最鄰近障礙物點(diǎn)探測(cè), 當(dāng)在設(shè)置的監(jiān)測(cè)預(yù)警范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警.

圖6 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可視化界面

監(jiān)測(cè)預(yù)警功能首先對(duì)每一幀點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理,然后遍歷當(dāng)前點(diǎn)云幀中的每一個(gè)點(diǎn)并計(jì)算其與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離, 并找到最小距離, 如式(6)所示, 其中si表示當(dāng)前幀第i個(gè)點(diǎn)的距離, 如果最小距離在預(yù)警范圍內(nèi),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)語音提示報(bào)警, 預(yù)警距離限值的確定是根據(jù)電力作業(yè)時(shí)的相關(guān)安全規(guī)程確定, 本文中設(shè)定預(yù)警距離為0.5 m.

在國內(nèi)某配電公司訓(xùn)練場(chǎng)10 kV電線附近進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試場(chǎng)景如圖7所示.

圖7 測(cè)試場(chǎng)景

測(cè)試時(shí), 電力維修工人在斗臂車內(nèi)手持激光雷達(dá)采集設(shè)備, 如圖7所示. 首先將絕緣斗臂車停于目標(biāo)電線附近, 利用斗臂車絕緣斗將工作人員升到目標(biāo)高度附近, 作業(yè)面與導(dǎo)線的距離為3 m, 這種情況下, 激光雷達(dá)能夠采集的導(dǎo)線的最遠(yuǎn)點(diǎn)為4.69 m, 但導(dǎo)線的數(shù)據(jù)點(diǎn)不夠, 不足以看出導(dǎo)線的形狀, 能夠采集到比導(dǎo)線更細(xì)但反射強(qiáng)度更強(qiáng)的斜拉鋼索, 最遠(yuǎn)有效測(cè)量距離為5.59 m. 現(xiàn)場(chǎng)采集及最遠(yuǎn)距離測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示.

圖9 采集點(diǎn)云最遠(yuǎn)距離測(cè)試

然后移動(dòng)斗臂車的作業(yè)斗, 使作業(yè)面與導(dǎo)線的距離為0.5 m的情況再次進(jìn)行測(cè)量, 由于設(shè)置安全監(jiān)測(cè)距離為0.5 m, 因此此時(shí)設(shè)備自動(dòng)報(bào)警, 導(dǎo)線可測(cè)量的最遠(yuǎn)距離為4.12 m.

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到結(jié)論, 對(duì)于10 kV的導(dǎo)線, 可以保證密度足夠的3 m有效測(cè)量距離. 對(duì)于金屬拉線有效距離可以達(dá)到5 m以上, 也可探測(cè)到地面大型地物,如人員, 車輛等, 能夠?qū)崿F(xiàn)電力作業(yè)安全距離監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能.

4 總結(jié)

在本文中, 提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于多激光雷達(dá)的電力線安全距離監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng), 通過將單線激光雷達(dá)(思嵐RPLIDAR S1)與RoboMaster GM6020云臺(tái)電機(jī)組合實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境感知, 基于Qt平臺(tái)采用C++程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)了一套實(shí)時(shí)采集、處理和可視化軟件平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)10 kV帶電作業(yè)安全距離監(jiān)測(cè)預(yù)警功能, 可以有效避免安全隱患, 提高帶電作業(yè)的安全水平.