激光異物清除器裝置研究

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(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094)

0 引言

從工業(yè)生產(chǎn)到家用電器，現(xiàn)代生活的方方面面都離不開電力系統(tǒng)的支持，它的安全運(yùn)行非常重要。通常在輸電線路中，各個(gè)導(dǎo)線之間都留有固定的安全間距，防止天氣變化等導(dǎo)致的電線短路。正常情況下，只要導(dǎo)線間保持這個(gè)空氣間隙，架空輸電線路就可以安全運(yùn)行。但是如果在導(dǎo)線之間存在風(fēng)箏線、網(wǎng)紗、氣球和塑料布等非絕緣體，那么，導(dǎo)線之間就經(jīng)常會(huì)通過這種物體放電，尤其是雨雪天氣，物體導(dǎo)電性能加強(qiáng)，造成線與線之間短路，使變電站的開關(guān)跳閘[1]，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

帶電清除異物是帶電作業(yè)中安全風(fēng)險(xiǎn)最高的項(xiàng)目。目前，對(duì)于輸電線路進(jìn)行異物清除的主要方法有兩種，一種是工作人員上塔清除，包括停電后電工上線摘除以及等電位帶電作業(yè)摘除。該方法耗時(shí)耗力、危險(xiǎn)性高，且不適用于復(fù)雜地形處的架空線路。同時(shí)由于異物種類、纏繞方式多種多樣，有些與電線纏繞緊密的異物，操作危險(xiǎn)性較高，只能采用停電處理，然而停電處理直接降低了供電的可靠性，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，影響正常生活。另外一種使用較多的方法是無人機(jī)搭載噴火裝置或者利用其他機(jī)械式遙控裝置除異物，該方法對(duì)設(shè)備的可操縱性要求較高，其中一些方法也會(huì)對(duì)電纜造成損害。表1中列舉了幾種國內(nèi)外常見的輸電線路異物清除裝置的類型及其技術(shù)特點(diǎn)[1]。

通過觀察上述表格可以發(fā)現(xiàn)，這些方法大多要求切割裝置與電纜有直接接觸，從而增加了工作難度。針對(duì)這個(gè)問題，江蘇省電科院在去年研制出一套手持式激光異物清除器。這套裝置利用了激光單色性好、方向性強(qiáng)、能量高、定向能量傳輸效率高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無接觸清除異物。有實(shí)驗(yàn)表明，利用光纖激光器，采用1080 nm波段連續(xù)輻照，使其功率密度范圍保持在25～30 W/cm2之間，可以快速燒蝕風(fēng)箏線、遮陽網(wǎng)等大部分常見鉤掛異物，從而達(dá)到清除異物的目的[2]，保證了利用激光清除異物的可靠性。但是，在距離較遠(yuǎn)以及大風(fēng)天氣電線晃動(dòng)的情況下，手持式激光異物清除器無法準(zhǔn)確快速地確定激光發(fā)射的方向。

表1 幾種常見異物清除裝置類型及特點(diǎn)

近年來，隨著圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣。圖像處理具有信息量大、實(shí)時(shí)性高、低風(fēng)險(xiǎn)、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。在第一代手持式激光異物清除器的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)提出了一種新型激光除異物裝置，利用架設(shè)在雙自由度轉(zhuǎn)臺(tái)上位置相對(duì)固定的攝像頭和激光發(fā)射裝置，通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服控制達(dá)到識(shí)別跟蹤并切除異物的效果。

1 激光除異物裝置實(shí)現(xiàn)原理

架空線路上的異物主要是通過纏繞、重力支撐和粘附這三種方式與電線接觸。激光清除異物的原理是通過精確控制高能激光束遠(yuǎn)程輻照異物與電線的接觸部位，使異物被輻照部位吸收激光導(dǎo)致局部溫度急劇升高后熔化，從而掉落，達(dá)到異物與電線分離的目的[2]，如圖1所示。與燃燒清除異物不同的是，激光除異物沒有汽油等可燃物，不會(huì)造成可燃物掉落導(dǎo)致的火災(zāi)等安全隱患。有實(shí)驗(yàn)表明，由于高架線路均為金屬，散熱性能良好，通過控制激光束的功率密度維持在一定范圍內(nèi)，可以確保激光束不會(huì)對(duì)高壓線路造成損害。

圖1 激光清除異物示意圖

為了有效控制激光切割的位置與方向，本裝置以手動(dòng)控制為基礎(chǔ)，根據(jù)操作界面視頻顯示結(jié)果將目標(biāo)異物鎖定在攝像頭拍攝范圍內(nèi)，在操作人員點(diǎn)選需要切割的異物點(diǎn)后，圖像處理系統(tǒng)解算出異物點(diǎn)與激光點(diǎn)的偏差，并控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)使激光點(diǎn)無差指向需要切割的異物點(diǎn)。根據(jù)圖像分析上下掃描得出纏繞點(diǎn)所在電線，給出激光切割的沿線方向，并由用戶根據(jù)纏繞異物的特性選擇激光切割的速度，最后打開激光發(fā)射裝置，完成切割任務(wù)。切割過程中，圖像處理系統(tǒng)始終保持跟蹤狀態(tài)，確保大風(fēng)天氣電線晃動(dòng)對(duì)的情況下切割點(diǎn)也隨之變化。

在控制結(jié)構(gòu)與方法上，針對(duì)大風(fēng)天氣下架空線纜的晃動(dòng)情況，同時(shí)考慮以視頻作為目標(biāo)位置的反饋，決定采用虛擬閉環(huán)的串級(jí)控制形式。根據(jù)虛擬閉環(huán)控制思想，以方位軸控制系統(tǒng)為例，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。目標(biāo)解算根據(jù)攝像頭采集到的目標(biāo)信息，解算激光點(diǎn)與目標(biāo)之間的偏差，從而產(chǎn)生方位軸需要運(yùn)動(dòng)的角度指令信號(hào)；位置控制器根據(jù)解算后的指令信號(hào)以及方位軸測(cè)量到的實(shí)際角度信息，求解出偏差信號(hào)，然后根據(jù)內(nèi)置控制律計(jì)算控制量，并輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至消除角度偏差，準(zhǔn)確指向目標(biāo)。俯仰軸控制原理與方位軸相似。同時(shí)對(duì)方位軸和俯仰軸進(jìn)行閉環(huán)控制，確保目標(biāo)位置發(fā)生變化的情況下，轉(zhuǎn)臺(tái)可以根據(jù)圖像處理結(jié)果進(jìn)行快速響應(yīng)。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖

2 裝置硬件結(jié)構(gòu)

整套異物清除裝置由激光器、鏡頭及工業(yè)相機(jī)、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制器、工控機(jī)、激光控制箱及電源幾個(gè)部分組成，其總體架構(gòu)如圖3所示。圖中箭頭方向表示通信方向，上位機(jī)與攝像機(jī)的通過RS232進(jìn)行通訊，而上位機(jī)與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)則通過RS485進(jìn)行通訊。各部分作用及主要性能參數(shù)如下。

(1)鏡頭及工業(yè)相機(jī)：

鏡頭及相機(jī)是系統(tǒng)的主要傳感裝置，負(fù)責(zé)采集目標(biāo)的信息，用于對(duì)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)和激光器的控制?？紤]到系統(tǒng)對(duì)攝像機(jī)的分辨率、幀頻等方面的需求，經(jīng)過充分市場(chǎng)調(diào)研和技術(shù)論證，原理樣機(jī)的攝像頭和鏡頭采用SONY攝像機(jī)模塊，型號(hào)為SONY FCB-EV7500。

(2)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)及控制器：

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)采用兩軸結(jié)構(gòu)，分別控制水平位置和俯仰角度。伺服轉(zhuǎn)臺(tái)采用有刷直流電機(jī)，其控制器開發(fā)采用基于STM32f407微控制器的ARM嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。

(3)工控機(jī)：

考慮到設(shè)備的便攜性和可靠性以及接口的多樣性，選擇嵌入式工控機(jī)為主機(jī)。x86工控機(jī)作為伺服瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的控制核心，實(shí)時(shí)采集工業(yè)相機(jī)的視頻圖像，識(shí)別異物和線路。

(4)激光器及其控制箱：

激光器采用光纖激光器，選擇波長1080 nm，使其功率密度保持在25～30 W/cm2，可清除大部分布料和線材異物。激光器和工業(yè)相機(jī)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位和俯仰的移動(dòng)，如圖所示。激光器和相機(jī)經(jīng)過校準(zhǔn)后相對(duì)位置保持不變，確保相機(jī)與光纖激光器同軸。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

考慮到設(shè)備的便攜性和可靠性以及接口的多樣性，選擇嵌入式工控機(jī)為主機(jī)。x86工控機(jī)作為伺服瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的控制核心，實(shí)時(shí)采集工業(yè)相機(jī)的視頻圖像，識(shí)別異物和線路。激光器和工業(yè)相機(jī)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方位和俯仰的移動(dòng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。激光器和相機(jī)經(jīng)過標(biāo)定校準(zhǔn)后相對(duì)位置保持不變，確保相機(jī)與光纖激光器同軸。

圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

伺服瞄準(zhǔn)控制器采用基于x86的嵌入式工控機(jī)為主機(jī)，操作系統(tǒng)采用Windows7以上版本，開發(fā)采用Visual C++，圖像處理部分調(diào)用Open CV數(shù)據(jù)庫，包括灰度化、濾波等基本操作和Hough直線檢測(cè)等目標(biāo)特征分析。針對(duì)系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性要求，采用多線程編程技術(shù)和MFC面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方式，利用MFC控件搭建GUI。軟件功能主要流程如圖5所示。首先初始化伺服轉(zhuǎn)臺(tái)并打開攝像頭，使轉(zhuǎn)臺(tái)自轉(zhuǎn)一周確保轉(zhuǎn)臺(tái)處于正常工作狀態(tài)，然后根據(jù)操作者觀測(cè)到的視頻圖像手動(dòng)控制調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)方位和俯仰位置，待目標(biāo)異物出現(xiàn)在視野中為止，再手動(dòng)框選目標(biāo)區(qū)域便于進(jìn)行異物跟蹤和線性識(shí)別，最后進(jìn)行模擬切割確認(rèn)無誤后啟動(dòng)激光發(fā)射器進(jìn)行切割任務(wù)。

軟件主要流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

軟件系統(tǒng)主要包括界面、視覺處理和伺服控制等幾個(gè)部分。

系統(tǒng)控制界面用于人機(jī)交互。界面設(shè)計(jì)如圖6所示，采用MFC面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方式，主要分為視頻顯示、轉(zhuǎn)臺(tái)控制、相機(jī)設(shè)置、功能選擇、切割參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)運(yùn)行日志以及系統(tǒng)狀態(tài)提示等幾個(gè)區(qū)域。操作人員通過界面中的視頻顯示區(qū)可以獲取并觀察視野內(nèi)的圖像，并通過選擇界面上的上、下、左、右操作按鈕控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使視野切換到異物所在區(qū)域，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)置了粗、細(xì)兩個(gè)調(diào)節(jié)按鈕，當(dāng)視野接近目標(biāo)區(qū)域時(shí)可以選擇細(xì)調(diào)，防止轉(zhuǎn)速過快錯(cuò)過目標(biāo)物。用戶可以根據(jù)所要進(jìn)行的操作選擇相應(yīng)的功能按鈕，比如轉(zhuǎn)臺(tái)的自檢或關(guān)機(jī)、目標(biāo)選取、異物切割、切割速度選擇等；運(yùn)行日志顯示區(qū)詳細(xì)記錄每一步操作過程，便于操作過程中出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行問題排查；狀態(tài)顯示欄可以顯示伺服狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)以及轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰角度，用戶可以通過指示燈直觀地判斷裝置的工作狀態(tài)是否正常。

圖6 裝置操作界面

視覺處理模塊主要包括視頻采集、目標(biāo)檢測(cè)和參數(shù)解算這三個(gè)部分。圖像處理是視頻跟蹤系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，需要快速準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)物體，為系統(tǒng)提供控制信號(hào)，同時(shí)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中提供反饋信號(hào)。圖像處理基本分為三個(gè)階段[3]。第一個(gè)階段是圖像處理階段，第二個(gè)是圖像分析階段，第三個(gè)是圖像理解階段。圖像處理的目的是為以后的處理工作提供方便，包括灰度化處理、濾波噪聲、銳化目標(biāo)邊界等基本操作；圖像分析是對(duì)處理圖像中感興趣的部分進(jìn)行分割、提取、測(cè)量、檢測(cè)等，簡化圖像描述并突出感興趣部分的描寫，提供描述目標(biāo)特性的數(shù)據(jù)，如Hough圖形變換檢測(cè)等；圖像理解是根據(jù)前兩個(gè)階段的處理結(jié)果，找出圖像中的特定目標(biāo)和客觀世界的聯(lián)系，并用于指導(dǎo)和規(guī)劃行為。視頻采集采用索尼電動(dòng)變焦攝像頭，使工作范圍可以達(dá)到120m，并采用60幀/秒的采集速率，確保視頻采集的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。攝像機(jī)采集到的視頻信息通過RS485實(shí)時(shí)顯示在界面的視頻顯示區(qū)供用戶觀察和選擇，一旦用戶選定異物，系統(tǒng)開始進(jìn)行圖像處理并獲取有效位置信息，通過目標(biāo)位置與預(yù)先標(biāo)定的激光點(diǎn)的位置偏差進(jìn)行參數(shù)解算得出相應(yīng)的控制信號(hào)并反饋給伺服轉(zhuǎn)臺(tái)。另外，在目標(biāo)檢測(cè)過程中，通過Hough直線變換算法檢測(cè)出圖像中的電線，通過自上而下或者自下而上掃描檢測(cè)出的直線找出與異物相交的電線，從而確定異物連接點(diǎn)以及沿線切割的方向。

伺服控制模塊主要分為兩部分，一是圖像處理部分的基于位置反饋的視覺控制模塊，包括跟蹤、通信和切割控制等；二是轉(zhuǎn)臺(tái)控制部分的電機(jī)伺服控制模塊，包括轉(zhuǎn)臺(tái)自檢、上位機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的通訊等。

其中，伺服跟蹤是保證切割效率的關(guān)鍵。由于事先將激光光軸標(biāo)定在視頻圖像的正中間，所以需要通過跟蹤算法將目標(biāo)物體移動(dòng)到視野中央。另外，由于大風(fēng)天氣等情況下異物會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，如果晃動(dòng)幅度過大容易影響切割效果，所以需要對(duì)異物進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，視覺伺服可以根據(jù)圖像處理的結(jié)果實(shí)時(shí)輸出異物與光軸即圖像中心的位置偏差，從而確定轉(zhuǎn)臺(tái)所要移動(dòng)的角度。整個(gè)視覺伺服系統(tǒng)工作流程如圖7所示，本文采用OpenCV庫中跟蹤性能較好的KCF跟蹤器進(jìn)行目標(biāo)異物的跟蹤。

圖7 視覺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

另一方面，含有方位軸和俯仰軸的雙軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)部分采用電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中經(jīng)典的三環(huán)控制，由內(nèi)到外分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，依次進(jìn)行參數(shù)整定，力求減小電機(jī)在運(yùn)行情況下的震動(dòng)超調(diào)等，其中電流環(huán)為定值不需要進(jìn)行調(diào)整。為了保護(hù)臺(tái)體，軟件部分對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了位置環(huán)的限制，其中方位軸實(shí)現(xiàn)水平方向-170°～170°旋轉(zhuǎn)，俯仰軸為豎直方向-15°～30°，基本可以確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的異物能調(diào)節(jié)到視場(chǎng)中央。兩軸控制方法相似，均采用經(jīng)典的PID控制方法，分別以各軸的速度和位置為控制量調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。速度環(huán)可以調(diào)節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)軸的速度范圍，控制精度為0.02°/s，位置環(huán)在滿足系統(tǒng)需求的前提下經(jīng)充分實(shí)驗(yàn)設(shè)為定值，-32 768～32 767對(duì)應(yīng)于-180°～180°，即控制精度約為0.005 5°，可見轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)于精度的要求比較高，所以決定采用伺服控制方法。上位機(jī)通過接收視覺處理模塊發(fā)送的位置偏差信息，并結(jié)合其余參數(shù)解算出控制轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸和俯仰軸的指令信號(hào)，通過通訊模塊將指令信號(hào)發(fā)送給轉(zhuǎn)臺(tái)使其進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際的操作過程中，為了避免因速度突變?cè)斐膳ぞ剡^大從而導(dǎo)致過流的情況，一般速度的調(diào)節(jié)范圍不宜過大，在本裝置中，速度調(diào)節(jié)范圍要求控制在5 r/m，即0.5°/s，使系統(tǒng)具有良好的跟隨性能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證多根電線的情況下，算法是否可以識(shí)別纏繞異物的線纜并進(jìn)行沿線切割，選取大約60米左右的電線為目標(biāo)線路，以視頻圖像中與電線重疊的樹葉作為目標(biāo)異物。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)使異物出現(xiàn)在視野內(nèi)，點(diǎn)擊目標(biāo)選擇按鈕并在左側(cè)視頻顯示區(qū)選取需要清除的異物，轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置解算結(jié)果產(chǎn)生的位置偏差信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，將目標(biāo)調(diào)整至中心位置(同時(shí)也是激光點(diǎn)位置)，白線部分為識(shí)別出的纏繞異物的電線，即切割示意方向，待目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定后點(diǎn)選切割按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)選定的速度進(jìn)行沿線切割直至異物脫落檢測(cè)不到新的異物點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地跟蹤選定的目標(biāo)異物，并選取相應(yīng)的線纜確定切割方向。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)示意圖

考慮到樹葉與電線之間不存在相對(duì)晃動(dòng)的情況，實(shí)驗(yàn)中模擬電線及異物的情況，將電線系在樹干上固定個(gè)，并在懸空電線上固定懸掛一個(gè)白色異物。通過人為干預(yù)在一定范圍內(nèi)晃動(dòng)電線模擬大風(fēng)天氣下的情況。實(shí)驗(yàn)表明，異物和電線一起晃動(dòng)的情況下，也能實(shí)時(shí)跟蹤選定異物以及準(zhǔn)確識(shí)別視頻圖像中的電線，確定切割方向。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)示意圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)提出了一種基于伺服控制轉(zhuǎn)臺(tái)的激光除異物跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，從激光清除異物的可行性出發(fā)，利用伺服控制原理，對(duì)視頻采集到的圖像進(jìn)行分析得到目標(biāo)異物與標(biāo)定激光點(diǎn)的相對(duì)位置信息，并解算得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制信號(hào)，通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸和俯仰軸精確完成沿線切割任務(wù)。最后通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性?？紤]到視覺圖像處理存在時(shí)延，從而會(huì)在一定程度上影響跟蹤切割的效果，后期可以使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用Open CV以及Qt開發(fā)相應(yīng)的界面，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，考慮到高架線路背景的多樣化和復(fù)雜性，開始時(shí)仍需要手動(dòng)選擇需要切割的目標(biāo)異物，后期可以投入更多時(shí)間和精力采集各種環(huán)境下的高架線路背景圖片，形成一個(gè)圖片庫并根據(jù)一定的圖像算法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，通過模板匹配達(dá)到自動(dòng)搜索并確定異物的目標(biāo)，從而提高切割效率，實(shí)現(xiàn)激光異物清除裝置的全方位自動(dòng)化。