基于高速視頻序列的斷路器運動特性檢測

李霽寅　郭晶晶

摘要 斷路器作為最常見的一次電氣設備，在電網(wǎng)、變電站中必不可少。斷路器在電網(wǎng)架構(gòu)里肩負著控制和保護雙重任務，由于斷路器常規(guī)運動特性檢測手段具有效率低、精度差、耗人工等缺點，檢測可靠性及質(zhì)量較差。所以，本文把計算機視覺引入到對斷路器運動特性分析中，采用基于預定模板的斷路器運動特性分析法對高速視頻序列的斷路器運動特性分析，并利用滑動窗口濾波法對其運動特性參數(shù)濾波去噪，使得結(jié)果更接近于斷路器實際運動特性。此算法解決了許多目前對斷路器運動特性測試的缺點。

關鍵詞 計算機視覺；預定模板；滑動窗口濾波

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2016）14-0057-02

隨著電網(wǎng)建設對輸變電設備要求的不斷提高，對斷路器檢測也提出了更高的要求。目前各類斷路器機械特性的測試，主要依靠單片機來處理數(shù)據(jù)，同時測試儀控制的核心也是通過使用單片機處理，不同的傳感器采集相關信號并轉(zhuǎn)換為電平，進而通過處理器的運算邏輯判斷進行特性測試。然而在測量行程等關鍵性的機械參數(shù)中，多次實驗的結(jié)果都顯示，僅僅依靠提高部分傳感器的精度是無法滿足現(xiàn)實的需要，依然有很多共性的問題需要解決。比如：尺寸不同的斷路器、型號不同的設備、傳感器的批次不同精細度不同，測試設備的便攜性不高和安裝使用過程中復雜繁瑣的配置過程造成相關工作效率的降低；真空斷路器的外形結(jié)構(gòu)和相關尺寸通過現(xiàn)有技術已無法進一步縮小，而動觸頭的生產(chǎn)環(huán)境決定其周圍可供安裝位移傳感器的剩余空間很小，通常使用的直線位移傳感器、角位移傳感器受限于自身體積，在操動機構(gòu)和主軸上安裝越來越困難和成本高昂；另一方面，傳感器的個體差異和測試儀器的批次差異，也是造成測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差的重要原因。人們通常將精力集中在更高精度的光柵傳感器、更高精度的角位移傳感器的改進上，但這無法從根本上解決問題，這些改進從類別上看都屬于接觸式傳感器的微調(diào)。不可否認，“接觸式”傳感器的測量無法避免安裝配置過程中導致的匹配差異性，同時安裝效果也直接影響著測試的準確度，最終也會影響到電網(wǎng)的安全可靠運行。

本文將計算機視覺技術引入到行程測試中，計算機視覺在目標檢測技術上的應用很多，通過一幅或多幅圖像認知周圍環(huán)境信息，包括能夠感知環(huán)境中物體的幾何信息。目前，其在電力系統(tǒng)故障識別中應用比較廣泛，但是在斷路器特性檢測中的應用還是比較少，文獻初步實現(xiàn)了通過機器的視覺角度來對斷路器的機械特性參數(shù)測量和定性；但由于相機性能限制，只獲取不足十幀的機構(gòu)運動圖片，只能對斷路器行程進行局部分析。文獻在追蹤過程中采用的匹配模板和背景顏色差別不大、匹配困難、誤差高，傳統(tǒng)的系統(tǒng)匹配手段和方法在匹配效率上存在很大的不足，極低的速率限定其僅能定性計算，實用性不高。計算機視覺應用技術的兩個主要特點是高效率和針對性強。采用基于預定模板匹配的技術實現(xiàn)斷路器運動特征檢測，實現(xiàn)非接觸式測量，其具有設備組成簡捷、在線實時、非接觸、高精度等特點。從根本上解決斷路器行程測試中的諸多問題，提高測試效率。

1匹配模板算法

匹配模板是指利用一個圖像模板與源圖像進行比較，通過比對在源圖像中是否存在與模板圖像相同或相似的區(qū)域，如果存在相似區(qū)域，提取該區(qū)域并記錄相應坐標，模板圖像一般是從源圖像中獲取。常用的模板匹配法有基于灰度信息的模板匹配和基于特征點的模板匹配，由于斷路器的目標區(qū)域形狀特征不是很明顯，為了保證匹配的準確性和精度本文采用基于灰度信息的匹配算法。

像素的灰度值幾乎包含了一幅圖像的所有信息，因此基于圖像灰度特征的匹配方法是最基本的匹配方法也是最穩(wěn)定準確的匹配方法。采用某種搜索方法找出待匹配圖片中的目標區(qū)域的灰度特征，然后和參考模板的灰度信息進行相似性度量?；趫D像的灰度特征的匹配算法不需要對特想的特征進行提取，只需根據(jù)圖像的全部灰度信息進行匹配，因此能提高圖像匹配的精度屆魯棒性。但是由于基于灰度信息的匹配算法，例如互相關匹配算法中把匹配點周圍區(qū)域的點的灰度都考慮進來進行計算，這樣計算量大速度慢。本文采用歸一化相關系數(shù)匹配法。

歸一化相關系數(shù)匹配法：

其中歸一化系數(shù)：

2斷路器運動特性分析

2.1基于預定模板的斷路器匹配

通過將待匹配圖像序列的坐標進行獲取，將獲取坐標區(qū)域內(nèi)的圖像進行模板匹配，基于圖像灰度信息的模板匹配在待匹配圖像感興趣區(qū)域中搜索與模板圖像相似度最大的區(qū)域并獲得最大值點的坐標（x₀，y₀），然后以坐標（x₀，y₀）為起點坐標（x₀+W，y₀+H）為終點在待匹配圖像中畫一紅色矩形框，其中W和H分別為模板圖像的寬和高，矩形框大小與模板圖像大小一樣，最后在取矩形框中心點作為目標跟蹤的定位點坐標（x，y），其獲取公式為：

2.2運動特性參數(shù)的求解

模板圖像與連續(xù)的斷路器圖像進行匹配并獲取匹配的中心坐標（x_n，y_n）其中n=0，1，2，3……，根據(jù)獲得的斷路器坐標參數(shù)計算斷路器的瞬時速度V_n和位移S_n。

獲得運動速度和位移后對坐標參數(shù)進行濾波，然后計算新的速度和位移。濾波公式：

3試驗及結(jié)果

對斷路器所有圖像序列匹配并對目標定位跟蹤后獲得其參數(shù)，通過計算得到的斷路器的運動特性如圖1所示斷路器運動特性圖1（A）為濾波前斷路器位移曲線，圖1（a）為濾波后斷路器位移曲線，圖1（B）為濾波前速度曲線，圖1（b）為濾波后速度曲線，圖1（c）為斷路器濾波前實際運動軌跡，圖1（c）為斷路器濾波后實際運動軌跡：

由斷路器的運動特性曲線圖的分析可知，根據(jù)斷路器的位移曲線分析，斷路器在運動到終點時趨于平穩(wěn)，但是過一段時間有一個起伏很小的彈跳階段。圖1左邊是未濾波的運動特性右邊是濾波后的，左邊運動特性呈現(xiàn)的并不是平滑的運動曲線，其中速度曲線圖最明顯，這是由于斷路器的高速運動使得相鄰的兩幀圖片的運動位移太微妙，所以進行模板匹配時出現(xiàn)x_n=x_n-1，y_n=y_n-1，所以會出現(xiàn)速度V_n=0的現(xiàn)象。本文通過滑動窗口濾波的方法對斷路器的坐標參數(shù)進行濾波，從濾波后的運動特性圖可知濾波后的運動特性曲線更趨近平滑曲線更接近于斷路器實際運動特性。

4結(jié)論

本文介紹了基于預定模板的斷路器運動特性分析，利用基于灰度信息的模板匹配法對斷路器連續(xù)圖片進行匹配，然后定位跟蹤運動目標并獲取其位置坐標，通過對位置坐標的計算繪制出斷路器運動特性曲線圖，最后利用滑動窗口濾波法對位置坐標參數(shù)進行濾波，獲得更接近于斷路器實際運動特性曲線圖?；陬A定模板對斷路器的運動特性進行分析實現(xiàn)了設備組成簡捷、在線實時、精度得到提高、無需直接接觸等特點。從根本上解決斷路器的相關參數(shù)獲取和設備測試中的諸多問題，提高測試精度和準確率。endprint