基于UWB和視覺信息的吊裝作業(yè)安全管控系統(tǒng)

張 斌，何勇軍，程 劍，羅榮鈞，王 欽，尹習(xí)偉，劉英男

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東濟(jì)南 250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東濟(jì)南，250001；3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

0 引言

近幾年電力施工吊車作業(yè)隊(duì)伍和工程量不斷擴(kuò)大[1-3]。吊車司機(jī)很難根據(jù)肉眼目測(cè)來判斷吊車臂與帶電設(shè)備間距離，往往因距離較近而未及時(shí)停止吊車臂而引發(fā)人身安全和大范圍停電事故，國(guó)內(nèi)外公司已研制相關(guān)的吊車防碰撞系統(tǒng)并應(yīng)用于實(shí)際工程[4]：法國(guó)SMIE公司采用仿真建模技術(shù)還原吊車施工現(xiàn)場(chǎng)，吊車操作者可實(shí)時(shí)觀察吊車動(dòng)態(tài)；德國(guó)西門子公司利用超聲波技術(shù)測(cè)量吊車與障礙物距離，采用碰撞預(yù)警算法實(shí)現(xiàn)吊車防碰撞；美國(guó)CRANE公司采用無線監(jiān)視系統(tǒng)預(yù)防吊車碰撞。上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、兼容性較差，無法適用于特高壓變電站吊裝作業(yè)場(chǎng)景。文獻(xiàn)[5-8]提出測(cè)量工頻電場(chǎng)進(jìn)行安全距離預(yù)警的方法，特高壓變電站電力設(shè)備所發(fā)出的工頻電場(chǎng)是一種頻率為50 Hz的交變準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，工頻電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果受到運(yùn)行工況和多設(shè)備產(chǎn)生電場(chǎng)疊加影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，產(chǎn)生誤報(bào)漏報(bào)。UWB(ultra wide band)超寬帶測(cè)距技術(shù)廣泛應(yīng)用在室內(nèi)定位，而在特高壓變電站設(shè)備密集遮擋嚴(yán)重的室外場(chǎng)合，會(huì)導(dǎo)致UWB信號(hào)穿透力不足，大大降低測(cè)距精度[9]。

為解決特高壓變電站建設(shè)過程中對(duì)吊車吊臂距離探測(cè)和工頻電場(chǎng)測(cè)量存在誤差的問題，本文基于UWB和視覺信息，設(shè)計(jì)了一種特高壓變電站吊裝作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集吊車和吊臂位置，實(shí)現(xiàn)吊車作業(yè)過程中的全方位安全管控。

1 總體方案

基于UWB和視覺信息的吊裝作業(yè)安全管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)單元和站級(jí)管控系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)單元包括視覺探測(cè)模塊、UWB定位標(biāo)簽、UWB定位基站，其中視覺探測(cè)模塊采用雙目立體攝像機(jī)，采集的吊車圖像通過WiFi網(wǎng)橋傳輸至站級(jí)管控系統(tǒng)；UWB定位標(biāo)簽包括UWB模塊DWM1000、控制芯片STM32F411CE和WiFi網(wǎng)橋，負(fù)責(zé)吊車吊臂距離探測(cè)和上傳；UWB定位基站包括UWB模塊DWM1000和控制芯片STM32F411CE，負(fù)責(zé)提供位置基準(zhǔn)和發(fā)射UWB信號(hào)。站級(jí)管控系統(tǒng)由WiFi基站和站級(jí)服務(wù)器組成，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)單元采集的UWB定位信息和吊車視覺信息通過WiFi信號(hào)傳輸至站站級(jí)服務(wù)器，站級(jí)服務(wù)器搭載變電站設(shè)備3D模型，根據(jù)變電站設(shè)備3D模型計(jì)算吊車位置和吊臂位置，并計(jì)算吊臂與帶電設(shè)備之間距離。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了UWB定位標(biāo)簽和基站的硬件電路，主要包括STM32F411CE硬件最小系統(tǒng)、UWB定位芯片DWM1000硬件最小系統(tǒng)、供電電路等3個(gè)部分。

2.1 STM32F411CE硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F411CE是一款基于Cortex-M4內(nèi)核的CPU，擁有512K字節(jié)的片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器，128 K字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器，最高工作頻率100 MHz，1個(gè)SDIO接口，可以實(shí)現(xiàn)與802.11b網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的WiFi設(shè)備進(jìn)行通信。其硬件最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 UWB定位芯片DWM1000硬件最小系統(tǒng)

本文采用Decawave公司所生產(chǎn)的射頻收發(fā)芯片DWM1000作為核心，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)UWB基站和移動(dòng)標(biāo)簽的電路。DWM1000與STM32F411CE通過SPI接口通信。DWM1000硬件最小系統(tǒng)如圖3所示。

2.3 供電電路

本系統(tǒng)采用鋰電池供電，鋰電池輸出接入SP6205電源轉(zhuǎn)換芯片，電源電路如圖4所示。SP6205是200 kHz固定開關(guān)頻率PWM直流降壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器輸入電壓在5～80 V范圍內(nèi)，輸出0.5 A連續(xù)電流，內(nèi)建頻率補(bǔ)償和固定頻率振蕩器。PWM控制電路可以將占空比從0～100%線性調(diào)整。具有EN功能，過流保護(hù)功能，在輸出短路保護(hù)情況下，開關(guān)頻率可從200 kHz降至45 kHz，保證電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

3 基于UWB和視覺信息的位置計(jì)算

特高壓變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多、體積大，不易安裝UWB定位基站，本文將定位基站和標(biāo)簽安裝在吊車上，結(jié)合視覺技術(shù)定位吊車位置，并將該位置映射到變電站3D模型中，從而獲取實(shí)時(shí)吊裝設(shè)備空間坐標(biāo)和帶電設(shè)備之間的距離。

3.1 UWB測(cè)距計(jì)算

根據(jù)汽車吊的設(shè)置，UWB的3個(gè)定位基站分別部署在汽車駕駛室左右兩側(cè)以及吊車駕駛室的前方固定位置，3個(gè)基站距離地面高度一致均為h1，標(biāo)簽強(qiáng)磁吸附在吊鉤上，部署方式如圖5所示。

其中，以定位基站A為坐標(biāo)原點(diǎn)，標(biāo)簽i映射到基站平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(xi,yi)，基站A坐標(biāo)為(0,0)、基站B坐標(biāo)為(0,yB)、基站C坐標(biāo)為(xc,0)標(biāo)簽到基站坐標(biāo)平面高度為h。

dA2=xi2+yi2+h2

(1)

dB2=xi2+(yB-yi)2+h2

(2)

dC2=(xC-xi)2+yi2+h2

(3)

由式(1)～式(3)求解標(biāo)簽i的坐標(biāo)(xi,yi)及標(biāo)簽所處高度h。

3.2 基于視覺位置的吊車位置計(jì)算

在特高壓變電站，固定安裝視覺探測(cè)模塊，監(jiān)控范圍覆蓋整個(gè)變電站。當(dāng)?shù)踯囘M(jìn)入并停止在施工區(qū)域，雙目攝像頭開始采集吊車圖像，兩個(gè)攝像頭位置不同，吊車目標(biāo)點(diǎn)的采集的左右圖像中的成像點(diǎn)必然存在一定的像素差，即視差[9]。根據(jù)相似三角形測(cè)距原理，即可由算法提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)視差值計(jì)算吊車對(duì)雙目相機(jī)的深度距離。

如圖6所示，雙目攝像機(jī)左右光軸互相平行，成像平面處于同一平面上，光心到成像平面距離即攝像機(jī)的焦距為d1，左右光心之間平移距離為兩攝像機(jī)之間的極限距離d2，空間中吊車目標(biāo)投影到左右相平面成像點(diǎn)上，d3和d4分別是吊機(jī)投影到左右像平面成像點(diǎn)和成像平面主點(diǎn)之間距離，d是吊機(jī)到雙目攝像機(jī)之間的距離，由距離可獲取吊車坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)錄入到變電站3D模型中。

由參考文獻(xiàn)[10]可得d的計(jì)算公式：

(4)

3.3 預(yù)警計(jì)算

吊車在吊裝作業(yè)過程中，會(huì)不斷移動(dòng)，本文采用碰撞時(shí)間(time to collision,TTC)作為吊車吊裝作業(yè)安全的評(píng)估指標(biāo)[10-13]。根據(jù)連續(xù)2個(gè)時(shí)刻內(nèi)標(biāo)簽相對(duì)位置的變化計(jì)算出吊車吊臂移動(dòng)速度v，通過測(cè)出的距離值，計(jì)算得到TTC值來評(píng)估吊車與帶電設(shè)備的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

吊車運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)有水平方向和垂直方向碰撞帶電設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，分別計(jì)算水平方向和垂直方向TTC，標(biāo)簽由A移動(dòng)到B點(diǎn)軌跡如圖8所示，計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

式中：v為吊車運(yùn)動(dòng)速度；Δt為連續(xù)2時(shí)刻間的時(shí)間間隔，即檢測(cè)系統(tǒng)更新吊車位置的時(shí)間間隔；θ為吊車運(yùn)動(dòng)速度方向與水平方向間的夾角；d水平、d垂直為吊車標(biāo)簽距離水平方向和垂直方向帶電設(shè)備的間距。

當(dāng)計(jì)算出的水平和垂直TTC值達(dá)到安全閾值時(shí)，判定此時(shí)吊車超越安全距離，有觸電風(fēng)險(xiǎn)。

為了將UWB定位及視覺檢測(cè)吊車位置相融合，建立世界坐標(biāo)系，將UWB定位結(jié)果與視覺檢測(cè)的吊車位置分別轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中，如圖9所示，設(shè)置主控樓為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，攝像頭在世界坐標(biāo)系位置已知，通過視覺技術(shù)獲取吊車與攝像頭的距離，可確定吊車處于世界坐標(biāo)系的具體位置，將UWB測(cè)量定位的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

站級(jí)服務(wù)器獲取吊車吊裝位置，通過實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，站級(jí)服務(wù)器根據(jù)3D設(shè)備模型各個(gè)帶電設(shè)備位置坐標(biāo)，計(jì)算吊裝設(shè)備距離帶電設(shè)備之間的水平和垂直方向距離，計(jì)算水平和垂直方向的碰撞時(shí)間，判斷TTC是否達(dá)到安全閾值，超過閾值進(jìn)行觸電預(yù)警，系統(tǒng)流程如圖10所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)應(yīng)用在某1 000 kV特高壓變電站，吊裝標(biāo)簽安裝位置如圖11所示，攝像頭拍攝吊車圖像如圖12所示。

DWM1000測(cè)距理論精度小于5 cm，測(cè)距范圍100 m。攝像機(jī)采用雙目立體攝像機(jī)，鏡頭焦距4 mm，兩鏡頭距離160 mm，測(cè)距范圍50 m。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試誤差結(jié)果如表1和表2所示。

表1 視覺測(cè)距誤差

表2 UWB定位誤差

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知：

(1)在雙目攝像頭距離吊車20 m以內(nèi)，測(cè)距平均誤差在81 cm以內(nèi)，滿足吊車定位精度；

(2)在吊車移動(dòng)速度小于7 m/h時(shí)，UWB測(cè)距平均誤差11 cm以內(nèi)，滿足吊裝定位精度要求。

在1 000 kV主變區(qū)域吊裝時(shí)，當(dāng)?shù)跹b設(shè)備移動(dòng)在1 000 kV避雷器周圍時(shí)，超過碰撞時(shí)間閾值，吊裝預(yù)警，預(yù)警結(jié)果如圖13所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)了一種融合UWB和視覺信息的特高壓變電站吊裝作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠用來檢測(cè)吊車所處變電站位置和吊裝位置，并提高吊車吊裝碰撞預(yù)警系統(tǒng)的可靠性。UWB定位技術(shù)廣泛應(yīng)用在室內(nèi)定位，本文將UWB基站和標(biāo)簽與吊車車身結(jié)合，減少了變電站設(shè)備遮擋，提高了UWB測(cè)距精度和可移植性，為UWB技術(shù)在電力安全生產(chǎn)應(yīng)用中提供了一種新的思路。