CN113592793A - 一种融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法 - Google Patents

Abstract

一种融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，属检测领域。在开关柜内设置一个聚合光源，在核相验电小车上设置一个摄像机，摄像机实时获取开关柜内触点位置，通过图像识别结果的反馈，使核相核相验电小车运动到开关柜前；载有高压臂的平台往开关柜内移动，使用摄像机进行光引导；根据光引导的计算结果实时向小车运动控制系统发出控制指令，调整小车的位置与姿态，完成核相验电高压臂与触点之间的高精度对准作业。其在变电站中进行三相电路核相试验时，将光引导技术和图像识别技术相融合，辅助核相验电小车的高压臂与开关柜内触点进行定位对准操作。能提高在核相验电过程中的工作稳定性，减少安全隐患，降低人员费用，提高工作效率。

Description

一种融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准 方法

技术领域

本发明属于检测领域，尤其涉及一种用于核相验电装置的高压臂高精度对准的方法。

背景技术

随着国家经济的发展，对电力的需求在不断增加，供电公司对变电站的改造也在不断深入。

核相即核对相序，主要是为了发电机、电动机的正常工作。

在电力生产实践中，发电机并网前必须做核对相序的试验，相序不对，发电机无法并网，强行并网会造成设备损坏。新建、改建、扩建后的变电所和输电线路，以及在线路检修完毕、向用户送电前，都必须进行三相电路核相试验，以确保输电线路相序与用户三相负载说需求的相序一致。

传统的核相验电工作常由4人进行：一人担任指挥，两人穿绝缘鞋、戴绝缘手套担任核相员，操作核相验电仪器，一人读表记录。

传统的人工核相验电方式明显具有以下的缺点：

1)安全性低。变电站内进行核相验电基本上都是高压带电作业，由于开关柜内设备密集，空间有限，操作人员需长时间保持高度精神集中，以确保自身安全。

2)人员成本高，操作效率低。一次核相验电操作需要4位熟练的工人同时进行，且多次重复的验电操作需要多次布置仪器设备，试验的人力、时间成本都很高。

鉴于变电站人工核相验电操作的种种弊端，使用机器人进行核相工作可以极大降低工作压力，提升工作效率，同时避免任务疏忽导致的事故。

经过多年的研究，国内外研制了一系列可移动的机器人平台，运动方式多种多样，有轮式的、履带式的、悬挂轨道式的或绳式的。为了实现核相验电操作，需要设计配套的软件和硬件系统，在系统的支持下实现定位、对准、检测、分析、记录等完整的验电测试步骤和操作功能。

在这些核相验电步骤中，核相验电机器人装载的测量系统与被测量的开关柜触点之间的定位对准工作，是整个核相验电作业的第一步，也是后续步骤的基础。因此，研究核相验电高压臂与开关柜触点的高精度对准方法，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法。其在变电站中进行三相电路核相试验时，将光引导技术和图像识别技术相融合，辅助核相验电小车的高压臂与开关柜内触点进行定位对准操作；其在不同的对准条件下，选用最优的定位检测方法，实现了高压臂与开关柜内触点之间的高精度对准。

本发明的技术方案是：提供一种融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，所述的核相验电高压臂设置在一个可移动的核相验电小车上，所述的核相验电高压臂设置在一个可移动的平台上，所述的平台能够进行升降移动和前后移动；在开关柜内设置有需要与高压臂对接的六个触点，所述的六个触点呈矩形排列模式；所述的核相验电高压臂的数量与柜内触点的数量对应相等，同样构成一个矩形排列模式；其特征是：

1)在开关柜内设置一个朝向柜外发光的聚合光源，所述的聚合光源位于六个触点组成的大矩形的中心；

2)在可移动的核相验电小车上设置一个摄像机，所述的摄像机布置在六个高压臂形成的大矩形的中心；

3)核相验电小车搭载的摄像机实时分析并获取开关柜内上部六个高压臂触点位置，进行图像识别，根据图像识别结果，实时向核相验电小车的运动控制系统发出控制指令，通过图像识别结果的反馈，使核相验电小车运动到开关柜前，准备开始进行核相试验；

4)随着对准操作的进行，载有高压臂的平台向开关柜内移动，使用摄像机检测开关柜上的聚合光源信号，进行光引导；实时计算核相验电小车上载有高压臂的平台与开关柜触点的相对位置，根据光引导的计算结果实时向小车运动控制系统发出控制指令，通过反馈调整平台或小车的位置与姿态，由此完成高精度对准作业；

5)检测高压臂与需要对接的六个触点之间是否接触？如高压臂与需要对接的六个触点之间未全部发生接触，则返回上一步，如高压臂与需要对接的六个触点之间已全部发生接触，则进行下一步；

6)结束核相验电高压臂与需要对接的六个触点之间的对准操作。

具体的，所述的核相验电高压臂高精度对准方法，将光引导技术和图像识别技术相融合，在核相操作过程中，与核相验电小车的运动控制部分配合，构成闭环控制系统，能够自动识别核相触点的位置，通过采集的数据对机械臂的核相验电操作进行控制，使得核相验电小车能够自动实现核相操作步骤和功能，以解决核相触头与触点在核相时自动对齐的问题

进一步的，所述的核相验电高压臂高精度对准方法，在变电站中进行三相电路核相试验时，将图像识别技术和光引导技术相结合，在不同的对准条件下选用对应的定位检测方法，以实现核相验电小车的高压臂与开关柜内的触点之间进行定位对准。

其所述的摄像机与开关柜内聚合光源的位置对应设置。

其所述的聚合光源为点光源。

更进一步的，所述的根据图像识别结果实时向核相验电小车的运动控制系统发出控制指令，通过反馈使核相验电小车运动到开关柜前，至少包括下列步骤：

摄像机实时获取开关管内部的视频图像，并实时识别提取图像中的触点，根据识别结果，判断触点的分布情况并计算偏差；通过比较图像位置偏差是否小于设定值，来决定下一步动作。

其图像位置偏差的计算方法包括为：水平偏差为画面中最左边触点到左边界的距离与画面中最右边触点到右边界的距离之差的绝对值，高度偏差为画面中最下方触点到下边界的距离与画面中最上方触点到上边界的距离之差的绝对值。

更进一步的，所述的根据光引导的计算结果实时向小车运动控制系统发出控制指令，通过反馈调整小车的位置与姿态，至少包括下列步骤：

摄像机检测开关柜上的聚合光源信号，识别出光源位置，根据探测结果计算出小车位置与姿态偏差，通过比较偏差是否小于设定值，来决定下一步动作。

其小车位置与姿态偏差计算方法包括：计算光斑中心到左右边界的距离差的绝对值以及光斑中心到上下边界的距离差的绝对值，判断偏差是否大于设定值；如果偏差大于设定值，控制系统根据偏差发出运动控制指令，核相验电小车运动；否则不进行运动控制。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本发明的技术方案，将图像识别技术和光引导技术相融合，采用核相验电小车自动实现核相操作步骤和功能，通过采集的数据对机械臂的核相验电操作进行控制，在不同的对准条件下，选用最优的定位检测方法，以提高在核相验电过程中工作的稳定性，减少安全隐患，降低人员费用，提高了工作效率；

2.在进行核相验电小车的初步定位阶段，采用图像定位模式，有助于快速进行核相验电小车的定位工作，定位速度快；

3.在进行对准过程中的调整阶段，采用光引导定位模式，其定位效果优于图像定位模式，有助于核相验电小车的高压臂与开关柜内触点进行高精度的定位对准。

附图说明

图1是本发明变电站开关柜触点及聚合光源位置布置示意图；

图2a是本发明核相验电小车高压臂及摄像机布置结构的正视结构示意图；

图2b是本发明核相验电小车高压臂及摄像机布置结构的侧视结构示意图；

图3是本发明核相验电高压臂与触点之间的对准流程方框图。

图中1为开关柜内与高压臂对接的触点，2为聚合光源，3为核相验电小车运动平台，4为高压臂，5为摄像机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为变电站高压开关柜(简称开关柜)内上部的触点及聚合光源位置布置示意图，图中所示主要包括了(从开关柜正面看进去的)开关柜内需要与用于三相高压相序采集臂(简称高压臂或核相臂)对接的高压触点(简称触点或核相触点)1和聚合光源2，其中聚合光源位于六个触点组成的大矩形的中心。

其采用聚合光源时为了使得光源有一个明细的发光中心，以便摄像机在进行图像识别和光引导识别时，能够有一个明显的识别对象中心(即光斑中心)。

图2a为核相小车及核相臂的正视图，图2b为核相小车及核相臂的侧视图。图中所示主要包括核相验电小车运动平台3，高压臂4和摄像机5。其中，摄像机布置在六个高压臂(由于高压供电电源均为三相制，所以，进线为A、B、C三相，出线亦为a、b、c三相，故合计六个触点，需要6个高压臂)形成的大矩形的中心，一方面确保对准时开关柜的触点在摄像机画面中对称分布，另一方面确保与开关柜内上部聚合光源的位置对应。

本发明的技术方案，涉及到在变电站中进行三相电路核相试验时，核相验电小车的高压臂与开关柜内的触点之间进行定位对准的方法。其将光引导技术和图像识别技术相融合，在不同的对准条件下选用最优的定位检测方法，实现高精度对准。

本技术方案在实施时，要求在核相验电小车上设置或搭载有摄像机，在电气开关柜中，设置有发散度较小的聚合光源(即通常所说的点光源)。

具体的，一个摄像机安装在核相验电小车六个高压臂构成的大矩形的中心，通过识别摄像机画面中开关柜中触点的位置是否完全对称分布来判定小车的位置，由此控制核相验电小车的水平与高度运动。

在本技术方案中，一个光引导系统包含安装在开关柜内上部的聚合光源，以及安装在核相验电小车上的摄像机。开关柜上光源的位置与小车上摄像机的位置一致，都位于六个触点或高压臂形成的大矩形的中心，由此确保当聚合光源的图像(光斑)中心位于摄像机画面中心时，核相验电小车的高压臂与开关柜的触点对准。

所述的将光引导技术和图像识别技术相融合的对准方法主要包含两个步骤：核相验电小车的初步定位和对准过程中的调整。

其中，核相验电小车的初步定位是指：核相验电小车搭载的摄像机实时分析并获取开关柜内上部六个高压臂触点位置，由识别结果实时向核相验电小车运动控制系统发出控制指令，通过反馈使核相验电小车运动到开关柜前准备开始进行核相试验的初始位置。

对准过程中的调整是指：随着对准操作的进行，高压臂所在的平台往开关柜内移动，摄像机所能拍摄到的有效信息将减少，此时使用小车上的摄像机检测开关柜上的聚合光源信号，实时计算核相验电小车与开关柜触点的相对位置，由计算结果实时向小车运动控制系统发出控制指令，通过反馈调整小车的位置与姿态，由此完成高精度对准作业。由于摄像机对光斑的识别精度远大于对电气触点的识别精度，故光引导的效果也会优于触点识别引导。

所述的对准方法需要配套的算法实现其功能，包括图像识别算法、光引导算法、运动控制算法以及决策控制算法。

在本发明的技术方案中，图像识别部分主要是通过OpenCV库中的算法实现的。首先是对通过图像传感器采集到的信号，计算图像的Haar-Like特征的积分图。

积分图是使用Haar-Like特征时常用的算法，可以只遍历一次图像就计算出所有区域的像素和，可以大大提高图像特征提取的计算效率。

在通过计算得到图像的Haar-Like积分图之后，由于计算方法的特性会产生大量的数据，不利于分析，例如一个24x24的检测器，在计算Haar-Like特征后会产生超过16万个矩阵，所以必须有算法能够从这大量的矩阵中筛选出合适的特征矩阵，才能够使得图像识别可行。

所以本技术方案使用AdaBoost算法。AdaBoost是Boosting算法中的一种。Boosting算法通过定义一个方法能否大量提升判断的准确率将不同的方法分类为强学习和弱学习。AdaBoost算法的特点就是能够根据弱学习的结果来调节设定的错误率，从而不需要弱学习器性能的知识，效率较高。同时AdaBoost算法也是一种基于级联分类模型的分类器，级联分类模型由多个强分类器连接在一起操作，而强分类器由多个弱分类器加权组合在一起。级联分类模型的特点是当强分类器检测到负样本后，就可以不用继续调用下面的分类器直接跳过，减少了很多检测时间。

在图像识别过程中，在图像中的大部分非检测区域在经过初期的强分类器后都会产生负样本，这样在分类器初期就筛选掉了大部分情况，大大减少了运算时间，同时由于只有证样本会被往后输送，所以后续的分类中出现负样本的几率也大大减少，提高了效率。

通过上述算法对图像的特征提取和分类后，可以实现图像识别功能，正确识别开关柜中核相触点的位置，保证核相验电操作的准确性。

实施例：

下面通过一个实施例的实施过程，来帮助理解本发明的技术方案。

图3中，当核相验电小车接收到核相任务指令时，开始进行位置对准，位于高压臂中心的摄像机实时获取视频图像，并实时识别提取图像中的触点1，根据识别结果，判断触点的分布情况并计算偏差，其采集图像的偏差的计算方法为：水平偏差为画面中最左边触点到左边界的距离与画面中最右边触点到右边界的距离之差的绝对值，高度偏差为画面中最下方触点到下边界的距离与画面中最上方触点到上边界的距离之差的绝对值。通过比较偏差是否小于设定值，来决定下一步动作。例如当画面中仅左边或右边有触点，或者左右触点在画面中和边界的距离差别较大时，计算得到的偏差值较大，控制系统根据偏差发出运动控制指令，核相验电小车运动。

然后重复上述步骤，直到偏差小于设定值(此设定值是根据开关柜的型号、工作电压等级等因素来设定的，一般而言，电压等级越高，开关柜设备的尺寸越大，所允许的偏差越大，则设定值的数值可以允许越大)，此时高压臂与触点完成了初步的对准，核相验电小车平台开始运动，进入光引导对准阶段。

摄像机识别出光源位置，根据探测结果计算出小车位置与姿态偏差。其偏差计算方法与识别触点时的计算方法类似：计算光斑中心到左右边界的距离差的绝对值以及光斑中心到上下边界的距离差的绝对值。判断偏差是否大于设定值。如果偏差较大，控制系统根据偏差发出运动控制指令，核相验电小车运动；否则不进行运动控制。接着判断高压臂与触点是否接触，如果未接触，重复上述步骤，直至高压臂与触点接触，完成对准操作步骤。

至于判断高压臂与触点是否接触，属于现有技术，可以通过测量高压臂是否能够采集、监测到与触点对应的电压来实现，也可通过常规核相方法中三相电压的相位之差来判断，故其具体测试原理和具体测试方法在此不再叙述。

本发明的技术方案，将光引导技术和图像识别技术相融合，通过自动识别核相触点的位置，使得核相验电小车能够自动实现核相操作步骤和功能，其在核相过程中，通过采集的数据对机械臂的核相验电操作进行控制，与系统的运动控制部分配合，构成了闭环控制系统，解决了核相触头与触点在核相时自动对齐的问题，以提高在核相验电过程中的工作稳定性，减少安全隐患，降低人员费用，提高工作效率。

本发明可广泛用于变电站开关柜核相验电装置的设计和制造领域。

Claims (7)

1.一种融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，所述的核相验电高压臂设置在一个可移动的核相验电小车上，所述的核相验电高压臂设置在一个可移动的平台上，所述的平台能够进行升降移动和前后移动；在开关柜内设置有需要与高压臂对接的六个触点，所述的六个触点呈矩形排列模式；所述的核相验电高压臂的数量与柜内触点的数量对应相等，同样构成一个矩形排列模式；其特征是：

1)在开关柜内设置一个朝向柜外发光的聚合光源，所述的聚合光源位于六个触点组成的大矩形的中心；

2)在可移动的核相验电小车上设置一个摄像机，所述的摄像机布置在六个高压臂形成的大矩形的中心；

3)核相验电小车搭载的摄像机实时分析并获取开关柜内上部六个高压臂触点位置，进行图像识别，根据图像识别结果，实时向核相验电小车的运动控制系统发出控制指令，通过图像识别结果的反馈，使核相验电小车运动到开关柜前，准备开始进行核相试验；

4)随着对准操作的进行，载有高压臂的平台向开关柜内移动，使用摄像机检测开关柜上的聚合光源信号，进行光引导；实时计算核相验电小车上载有高压臂的平台与开关柜触点的相对位置，根据光引导的计算结果实时向小车运动控制系统发出控制指令，通过反馈调整平台或小车的位置与姿态，由此完成高精度对准作业；

5)检测高压臂与需要对接的六个触点之间是否接触？如高压臂与需要对接的六个触点之间未全部发生接触，则返回上一步，如高压臂与需要对接的六个触点之间已全部发生接触，则进行下一步；

6)结束核相验电高压臂与需要对接的六个触点之间的对准操作。

2.按照权利要求1所述的融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，其特征是所述的核相验电高压臂高精度对准方法，将光引导技术和图像识别技术相融合，在核相操作过程中，与核相验电小车的运动控制部分配合，构成闭环控制系统，能够自动识别核相触点的位置，通过采集的数据对机械臂的核相验电操作进行控制，使得核相验电小车能够自动实现核相操作步骤和功能，以解决核相触头与触点在核相时自动对齐的问题。

3.按照权利要求1或2所述的融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，其特征是所述的核相验电高压臂高精度对准方法，在变电站中进行三相电路核相试验时，将图像识别技术和光引导技术相结合，在不同的对准条件下选用对应的定位检测方法，以实现核相验电小车的高压臂与开关柜内的触点之间进行定位对准。

4.按照权利要求1所述的融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，其特征是所述的摄像机与开关柜内聚合光源的位置对应设置。

5.按照权利要求1所述的融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，其特征是所述的聚合光源为点光源。

6.按照权利要求1所述的融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，其特征是所述的根据图像识别结果实时向核相验电小车的运动控制系统发出控制指令，通过反馈使核相验电小车运动到开关柜前，至少包括下列步骤：

摄像机实时获取开关管内部的视频图像，并实时识别提取图像中的触点，根据识别结果，判断触点的分布情况并计算偏差；通过比较图像位置偏差是否小于设定值，来决定下一步动作；

其图像位置偏差的计算方法包括为：水平偏差为画面中最左边触点到左边界的距离与画面中最右边触点到右边界的距离之差的绝对值，高度偏差为画面中最下方触点到下边界的距离与画面中最上方触点到上边界的距离之差的绝对值。

7.按照权利要求1所述的融合光引导和图像识别的核相验电高压臂高精度对准方法，其特征是所述的根据光引导的计算结果实时向小车运动控制系统发出控制指令，通过反馈调整小车的位置与姿态，至少包括下列步骤：

摄像机检测开关柜上的聚合光源信号，识别出光源位置，根据探测结果计算出小车位置与姿态偏差，通过比较偏差是否小于设定值，来决定下一步动作；

其小车位置与姿态偏差计算方法包括：计算光斑中心到左右边界的距离差的绝对值以及光斑中心到上下边界的距离差的绝对值，判断偏差是否大于设定值；如果偏差大于设定值，控制系统根据偏差发出运动控制指令，核相验电小车运动；否则不进行运动控制。

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