基于智能機(jī)器人的變電站儀表識(shí)別系統(tǒng)

劉培焱，葉爾扎提·努爾德別克，孫 敏，金印彬

（西安交通大學(xué) 電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，西安 710049）

變電站是電力系統(tǒng)中對(duì)電能進(jìn)行傳輸與分配的樞紐。變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，是確保電力系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變電站中的事故，將對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成重大損失[1]，因此，保障變電站的長期安全運(yùn)行十分重要。

目前，變電站中的運(yùn)維管理工作大多是以人工巡檢的方式為主，隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷增加，巡檢任務(wù)強(qiáng)度不斷上升，變電站中的人工巡檢投入也因此不斷增大，同時(shí)，由于變電站的高溫、高壓、高輻射環(huán)境，人工巡檢也會(huì)對(duì)工作人員的健康和人身安全產(chǎn)生威脅[2]。在電力物聯(lián)網(wǎng)的新背景下，通過人工智能、機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備數(shù)據(jù)的精確采集，對(duì)變電站的安全可靠運(yùn)行具有重大意義[3]。智能機(jī)器人的應(yīng)用，可以幫助實(shí)現(xiàn)變電站的巡視無人化、操作自動(dòng)化、維護(hù)少人化，提升變電站的智能化技術(shù)水平，促進(jìn)電網(wǎng)安全。

變電站中主要存在數(shù)字式儀表和指針式儀表兩種類型。指針式儀表的生命周期長、抗干擾能力強(qiáng)，因此多用于變電站室外的高溫、高壓、高輻射環(huán)境中；數(shù)字式儀表的精確度高、測量速度快，因此多用于變電站的室內(nèi)環(huán)境中[1]。本文針對(duì)于這兩種不同類型的儀表，設(shè)計(jì)了一款智能機(jī)器人，為變電站中的儀表識(shí)別提供了一種新思路。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

為了實(shí)現(xiàn)在變電站中的實(shí)際應(yīng)用，本文基于OpenMV 攝像頭模塊，STM32F103RCT6 單片機(jī)，搭建了一個(gè)智能儀表識(shí)別機(jī)器人，并具有以下功能：

（1）智能機(jī)器人：可沿固定路線前進(jìn)或后退運(yùn)行，并能在指定點(diǎn)停留，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)儀表循環(huán)檢測。

（2）儀表識(shí)別：OpenMV 拍攝儀表照片并識(shí)別儀表讀數(shù)，通過WiFi 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)。

（3）藍(lán)牙模塊：接收儀表讀數(shù)。

（4）報(bào)警：OpenMV 識(shí)別讀數(shù)后，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給STM32，若讀數(shù)超過閾值，則報(bào)警。

2 智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該智能機(jī)器人的硬件系統(tǒng)采用分立模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。智能機(jī)器人搭載的模塊包括：

圖1 控制電路硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Hardware design block diagram of control circuit

（1）單片機(jī)控制板。采用STM32 系列單片機(jī)作為主控板。STM32 系列微控制器接口資源豐富，可連接多種傳感器，且采用庫函數(shù)開發(fā)方式，易于開發(fā)[4]。

（2）智能機(jī)器人底盤。本文采用兩驅(qū)動(dòng)輪底盤，底盤前端為萬向輪。機(jī)器人采用霍爾編碼器電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)TB6612 接收主控板STM32 的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)編碼器輸出正交編碼信號(hào)，用于位置PID 控制。

（3）OpenMV：本文選用的型號(hào)為OpenMV4。它是一款機(jī)器視覺模塊，處理器采用STM32H743，感光元件為OV7725[5]。OpenMV 采用MicroPython 語言編程，內(nèi)置了一些圖像處理算法，用戶通過簡單的Python 命令，便可輕松完成機(jī)器視覺任務(wù)。

（4）WiFi 模塊。本文的WiFi 模塊選用ATWINC1500，它是OpenMV 的WiFi 擴(kuò)展模塊。通過將兩個(gè)模塊連接，OpenMV 可以將拍攝的圖片或視頻通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳，手機(jī)或電腦端僅需進(jìn)入對(duì)應(yīng)網(wǎng)址即可查看上傳內(nèi)容。

（5）蜂鳴器模塊。本文選擇MH-FMD 有源蜂鳴器模塊作為報(bào)警裝置。MH-FMD 有源蜂鳴器使用簡單，僅通過改變高低電平即可控制其工作狀態(tài)。該模塊僅有3 個(gè)引腳，且有螺栓孔，便于固定。

2.2 智能機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)小車在規(guī)定路線上進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)圖1中系統(tǒng)各模塊的控制特點(diǎn)，分配硬件資源，如表1所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)TB6612 可控制2 個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)需要2 個(gè)IO 口控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，一個(gè)PWM 信號(hào)控制速度。為了實(shí)現(xiàn)位置PID 控制，本文通過定時(shí)器編碼器功能測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。蜂鳴器模塊通過I/O 口的高低電平控制。OpenMV 模塊和藍(lán)牙通過串口與主控板STM32 通信。

表1 單片機(jī)硬件資源需求Tab.1 MCU hardware resource requirements

機(jī)器人系統(tǒng)軟件控制框圖如圖2 所示。上電啟動(dòng)后，STM32 首先對(duì)定時(shí)器、GPIO 及串口進(jìn)行初始化配置。在定時(shí)器中斷中，運(yùn)用位置PID 算法控制機(jī)器人在兩個(gè)儀表間循環(huán)運(yùn)動(dòng)，并在每個(gè)儀表位置處暫停約5 s。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)儀表位置后，OpenMV拍攝儀表照片并識(shí)別。若OpenMV 識(shí)別成功，則將儀表數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送，STM32 產(chǎn)生串口中斷，接收儀表數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)。在主程序中，對(duì)儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，處理方法為：連續(xù)5 次儀表數(shù)據(jù)相同時(shí)記為一次有效數(shù)據(jù)，若有效數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值，則蜂鳴器報(bào)警，若有效數(shù)據(jù)正常，則蜂鳴器停止報(bào)警。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)軟件控制框圖Fig.2 Software control block diagram of robot system

3 OpenMV 儀表識(shí)別

基于OpenMV 的儀表識(shí)別是本文的重要內(nèi)容。為了便于編程和調(diào)試，本文在OpenMV IDE 平臺(tái)上運(yùn)用MicroPython 語言對(duì)OpenMV 模塊進(jìn)行開發(fā)。針對(duì)變電站中的指針式和數(shù)字式兩種儀表，本文所采用的儀表識(shí)別軟件流程如圖3 所示。

圖3 OpenMV 儀表識(shí)別軟件流程Fig.3 Software flow chart of OpenMV instrument recognition

當(dāng)OpenMV 啟動(dòng)后，首先啟動(dòng)WiFi 模塊，并開啟熱點(diǎn)，等待外部設(shè)備連接。當(dāng)外部設(shè)備連接熱點(diǎn)后，OpenMV 獲取拍攝的儀表圖片，并判斷圖片中的儀表類型：若識(shí)別到大小合適的圓形和直線，則判斷為指針式儀表，否則進(jìn)行數(shù)字式儀表的識(shí)別流程。根據(jù)儀表類型識(shí)別讀數(shù)后，將其通過串口發(fā)送至STM32，完成一次儀表識(shí)別。

3.1 指針式儀表識(shí)別

對(duì)于指針式儀表的識(shí)別，目前存在多種方法。文獻(xiàn)[6]使用了同心圓環(huán)搜索算法對(duì)指針角度進(jìn)行識(shí)別，該方法在圖形區(qū)域內(nèi)，按照一定的步長在同心圓環(huán)中尋找指針與同心圓環(huán)的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)之間形成的線段的斜率計(jì)算角度，通過角度計(jì)算儀表值；文獻(xiàn)[7]使用差影法識(shí)別指針角度，該方法首先掃描每個(gè)像素點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行判斷，如果識(shí)別區(qū)域中當(dāng)前坐標(biāo)的像素為1，而上一幅圖像（指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)）中該位置的像素為0，那么在掃描后的區(qū)域中就置當(dāng)前的像素為1，其他位置為0，得到指針的像素點(diǎn)，并利用最小二乘法擬合指針直線，獲取直線角度從而計(jì)算儀表讀數(shù)。而本文針對(duì)指針式儀表，采用Hough 圓檢測法和直線檢測法分別對(duì)儀表盤和指針進(jìn)行識(shí)別，獲取指針位置和方向，通過儀表量程與指針的位置關(guān)系計(jì)算讀數(shù)。

本文使用的指針式儀表如圖4 所示。在指針式儀表識(shí)別時(shí)，首先運(yùn)用霍夫變換圓檢測技術(shù)識(shí)別儀表圓盤。根據(jù)圓的標(biāo)準(zhǔn)方程可知，通過圓心坐標(biāo)（a，b）以及圓的半徑r 可以完全確定一個(gè)圓。因此，圓的霍夫參數(shù)空間為（a，b，r）組成的三維空間。將平面空間中的圓上一點(diǎn)映射到霍夫參數(shù)空間中，則會(huì)形成一個(gè)錐面簇。若將平面空間中圓上的所有點(diǎn)映射到圓的霍夫參數(shù)空間中，當(dāng)所有的錐面簇交于一點(diǎn)（A，B，R）時(shí)，則參數(shù)（A，B，R）在平面空間中所確定的圓即為檢測出的圓。

圖4 指針式儀表模型Fig.4 Pointer type instrument model

OpenMV 庫函數(shù)中的find_circles（）函數(shù)，就是利用霍夫變換進(jìn)行圓檢測，實(shí)現(xiàn)查找感興趣區(qū)域中的完整圓。若感興趣區(qū)域中的圓不完整，則無法識(shí)別，圓在直角坐標(biāo)系中有4 個(gè)值：圓心的橫縱坐標(biāo)、圓的半徑和圓的模，其中圓的模是組成圓的所有索貝爾濾波像素大小的總和。根據(jù)圓的?？梢栽O(shè)置圓檢測過程的閾值threshold，只返回大于或等于threshold的圓，通過反復(fù)調(diào)試設(shè)置適合的threshold，可以過濾圖像區(qū)域中雜亂的小圓，提高對(duì)儀表圓盤的識(shí)別精度。

在識(shí)別出儀表圓盤后，采用霍夫變換線檢測的方式對(duì)儀表指針的位置進(jìn)行識(shí)別?；舴蜃儞Q線檢測的原理是：在平面直角坐標(biāo)系下，通過一條直線上的兩點(diǎn)確定該直線的斜率k 和截距b，并以（k，b）構(gòu)成直線的霍夫參數(shù)空間。若將平面直角坐標(biāo)系中的線段上足夠多的點(diǎn)映射到直線的霍夫參數(shù)空間中，則會(huì)在霍夫參數(shù)空間中得到許多直線。若這些直線交于一點(diǎn)（K，B），則參數(shù)（K，B）在平面直角坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的直線即為檢測出的直線。

OpenMV 庫函數(shù)中的find_lines（）函數(shù)利用霍夫變換進(jìn)行直線識(shí)別，實(shí)現(xiàn)查找感興趣區(qū)域中的直線，返回其兩端坐標(biāo)和直線與縱軸的角度值，根據(jù)儀表盤的量程和指針當(dāng)前的角度，即可求出指針式儀表的讀數(shù)[8]。

利用上述方法對(duì)圖4 所示指針儀表進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果如表2 所示，這說明本文所采用的儀表識(shí)別方法可以準(zhǔn)確地識(shí)別指針式儀表的讀數(shù)。

表2 指針儀表識(shí)別結(jié)果Tab.2 Identification results of pointer instrument

3.2 數(shù)字式儀表識(shí)別

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字式儀表的識(shí)別，本文基于色塊切割和模板匹配設(shè)計(jì)了一種識(shí)別方法。首先通過色塊切割將圖片中的數(shù)字從表盤中提取出來，在此基礎(chǔ)上，對(duì)色塊進(jìn)行模板匹配從而得到色塊所對(duì)應(yīng)的數(shù)字，并根據(jù)色塊的坐標(biāo)位置對(duì)數(shù)字進(jìn)行排序，得到儀表讀數(shù)。該種方法可以在占據(jù)處理器資源較少的情況下，提高識(shí)別精度。

在OpenMV 初始化時(shí)，為了提高識(shí)別精度，減少數(shù)字識(shí)別所占據(jù)的OpenMV 處理器資源，本文設(shè)置攝像頭獲取的圖像為灰度圖。從黑色至白色，灰度值由0 變化至255。因此，可以在圖像中定義灰度閾值變量threshold[9]，用于控制需要切割的色塊顏色范圍。通過命令blobs=img.find_blobs（［threshold］）完成數(shù)字切割。如圖5 所示，其中本文所識(shí)別的數(shù)字儀表如圖5（a）所示；程序次采用的數(shù)字儀表模板如圖5（b）所示。

圖5 數(shù)字式儀表模型Fig.5 Digital instrument model

基于該數(shù)字式儀表，可以設(shè)置灰度閾值為threshold=（190，255），從而將接近白色的色塊從黑色的表盤中切割出來。由于受到環(huán)境因素的影響，切割出的色塊中往往會(huì)存在許多無用的色塊，影響識(shí)別精度，如圖6 所示。

圖6 未經(jīng)過濾的色塊圖片F(xiàn)ig.6 Unfiltered color block image

因此，需要在色塊切割后，對(duì)保存的色塊圖片進(jìn)行過濾，保留像素個(gè)數(shù)適中且像素?cái)?shù)目接近的色塊。在本文的數(shù)字儀表模板中，將高度大于80 像素，小于10 像素、寬度小于3 像素、總像素個(gè)數(shù)小于40 的色塊濾除，經(jīng)過過濾后得到最終的色塊圖片，如圖7 所示。

圖7 經(jīng)過過濾的色塊圖片F(xiàn)ig.7 Filtered color block image

由圖7 可知，經(jīng)過色塊過濾后，所保存的色塊圖片全為數(shù)字所在的矩形框圖，說明過濾效果良好。由于本文所采用的數(shù)字識(shí)別方法為模板匹配，因此需要事先將模板圖片保存在OpenMV 中。提取本文所使用的數(shù)字式儀表中的每個(gè)數(shù)字的圖片，并根據(jù)數(shù)字邊緣裁剪為矩形，得到模板圖片如圖8 所示。

圖8 數(shù)字模板圖片F(xiàn)ig.8 Digital template images

將切割的色塊圖片與模板圖片進(jìn)行像素比對(duì)，當(dāng)兩者的匹配相似度達(dá)到一定程度時(shí)認(rèn)為匹配成功，即該色塊對(duì)應(yīng)某個(gè)模板圖片數(shù)字。經(jīng)過多次測試，本文所設(shè)置的像素匹配相似度為72%。本文對(duì)圖5（a）所示真實(shí)數(shù)字式儀表進(jìn)行多次識(shí)別，其中的5 次識(shí)別結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，本文采用色塊切割后進(jìn)行模板匹配的識(shí)別方法，識(shí)別數(shù)字式儀表的正確率達(dá)到100%。

表3 數(shù)字儀表的識(shí)別結(jié)果Tab.3 Identification results of digital instrument

3.3 WiFi 視頻傳輸

WiFi 通信是一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有運(yùn)行速度快、覆蓋面積大和適用范圍廣的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于智能移動(dòng)終端中[10]。本文將WiFi 通信技術(shù)應(yīng)用于傳輸OpenMV 拍攝的圖像，便于工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)位置以及變電站設(shè)備的讀數(shù)，提高變電站的智能化水平。

本文選擇的WiFi 模塊是與OpenMV 配合使用，因此該模塊仍然通過OpenMV IDE 平臺(tái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。為了便于手機(jī)或電腦端接收視頻流，本項(xiàng)目采用WiFi 模塊的熱點(diǎn)模式實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。在初始化設(shè)置中，首先定義WiFi 模塊的熱點(diǎn)信息并啟動(dòng)模塊程序，在程序的主循環(huán)中，熱點(diǎn)等待外部設(shè)備的連接。當(dāng)有外部設(shè)備接入時(shí)，WiFi 模塊則開始將視頻流通過WiFi 傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備上，實(shí)現(xiàn)圖像傳輸。在手機(jī)端連接WiFi 熱點(diǎn)，進(jìn)入192.168.1.1：8080 端口，即可以在手機(jī)上觀察到視頻流，如圖9 所示。

圖9 手機(jī)端接收的視頻流Fig.9 Video stream received by the mobile phone

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

兩輪差速智能機(jī)器人識(shí)別儀表讀數(shù)的現(xiàn)場測試照片，如圖10 所示。智能機(jī)器人將儀表識(shí)別結(jié)果通過藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)藍(lán)牙助手的截圖，如圖11 所示。圖11 中數(shù)據(jù)后綴為x 表示指針式儀表，數(shù)據(jù)后綴為y 表示數(shù)字式儀表。根據(jù)儀表數(shù)據(jù)可知智能機(jī)器人能夠按照設(shè)置路線循環(huán)運(yùn)動(dòng)，且能正確識(shí)別指針式和數(shù)字式儀表讀數(shù)。

圖10 兩輪差速小車Fig.10 Two wheel differential car

圖11 手機(jī)藍(lán)牙端數(shù)據(jù)接收Fig.11 Data reception of mobile phone Bluetooth

5 結(jié)語

本文是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的設(shè)計(jì)成果，以電力系統(tǒng)變電站智能巡檢為背景，設(shè)計(jì)了一款可用于變電站儀表識(shí)別的智能機(jī)器人，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人的位置PID 控制、基于OpenMV 的儀表識(shí)別、通過WiFi 熱點(diǎn)模式的圖像實(shí)時(shí)傳輸功能，從而對(duì)數(shù)字式儀表和指針式儀表進(jìn)行精確識(shí)別。若出現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)異常，智能機(jī)器人則可以實(shí)時(shí)報(bào)警。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的變電站智能機(jī)器人，為變電站的日常巡檢提供了一種思路，可以促進(jìn)電網(wǎng)的“信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”發(fā)展。