基于逆反射技術(shù)的刀閘到位視覺檢測(cè)方法研究

范 俊，陶 衛(wèi)，楊金峰，趙 輝

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

刀閘是高壓開關(guān)電器中使用最多的一種電器，包括隔離刀閘和接地刀閘。顧名思義，是在電路中起隔離作用的它本身的工作原理及結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，對(duì)變電所、電廠的設(shè)計(jì)、建立和安全運(yùn)行的影響均較大。刀閘的主要特點(diǎn)是無滅弧能力，只能在沒有負(fù)荷電流的情況下分、合電路[1]。

目前存在的主要問題是：刀閘本體操作不到位，移動(dòng)臂由于潤(rùn)滑失效、銹蝕、機(jī)械疲勞、結(jié)冰等，造成合不到指定位置或是到位但夾緊力不夠，最終接觸電阻增大發(fā)熱或放電。因此，目前需要解決的重點(diǎn)問題是：在110～550 kV電壓等級(jí)高壓電線傳輸系統(tǒng)中，對(duì)拐臂式刀閘的閉合情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷其前端動(dòng)觸頭是否到位，并按照預(yù)期夾住了靜觸頭桿，并且是否夾緊。目前刀閘到位與否更多的是采用人工現(xiàn)場(chǎng)利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)、主管判斷的手段來完成。這種方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，而且容易受到觀測(cè)者的主觀影響。

針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種基于逆反射技術(shù)的視覺檢測(cè)方法，利用機(jī)器視覺替代人眼實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站所有刀閘的實(shí)時(shí)監(jiān)控。與傳統(tǒng)視覺檢測(cè)方法不同的是，該方法利用逆反射技術(shù)排除了太陽光及環(huán)境光的干擾，突出目標(biāo)物，從而獲得更高的檢測(cè)精度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀閘到位情況的準(zhǔn)確檢測(cè)，為變電站刀閘到位檢測(cè)提供了新的有效的方法和手段。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該刀閘到位檢測(cè)系統(tǒng)由探測(cè)器以及控制器組成。探測(cè)器的主要功能，是獲取某設(shè)備三相刀閘的有關(guān)信息，并傳遞給控制器?？刂破鞯墓δ苁菍?duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，通過處理和判斷，得出刀閘是否到位的結(jié)論，并將結(jié)果傳送給上位機(jī)。若刀閘合閘不到位，上位機(jī)會(huì)控制未到位刀閘再合閘一次，然后再有控制器進(jìn)行判斷，直至合閘到位為止。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow

探測(cè)器由工業(yè)攝像機(jī)、照明光源和防護(hù)殼體3個(gè)部分組成。工業(yè)攝像機(jī)直接獲取刀閘接觸點(diǎn)所在區(qū)域的圖像，照明光源為攝像機(jī)提供足夠的照度并克服陰天及夜晚照明不足的影響，防護(hù)機(jī)構(gòu)為攝像組件提供電磁屏蔽及防水防塵保護(hù)。

為了可靠監(jiān)測(cè)刀閘是否到位，基于視覺原理的探測(cè)器必須處于與刀閘靜觸頭所處平面的垂直方位，即探測(cè)器應(yīng)安裝在刀閘靜觸頭的正側(cè)方，以期獲得最大的檢測(cè)準(zhǔn)確性。探測(cè)器安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 探測(cè)器安裝位置示意圖Fig.2 Detector installation position

2 刀閘到位依據(jù)選擇

根據(jù)刀閘到位后動(dòng)靜觸頭互相接觸的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，動(dòng)觸頭前段的兩個(gè)彈性夾的相對(duì)空間位置關(guān)系與刀閘是否到位并可靠接觸十分相關(guān)：當(dāng)?shù)堕l未到位時(shí)，兩個(gè)彈性夾頭處于一個(gè)較大的張角（約20°）；當(dāng)?shù)堕l到位并可靠接觸后，兩個(gè)彈性夾頭呈現(xiàn)平行姿態(tài)，張角約為零度。圖3為刀閘動(dòng)觸頭示意圖。

圖3 刀閘動(dòng)觸頭示意圖Fig.3 Switch contactor

3 逆反射標(biāo)志相關(guān)研究

3.1 逆反射原理

逆反射材料是用玻璃微珠或微棱鏡采用光學(xué)折射與反射原理制成的薄膜材料，表層是由無數(shù)個(gè)反射元素（玻璃微珠或微棱鏡）構(gòu)成。由于其獨(dú)特的表面狀態(tài)，使其不同于鏡面反射和漫反射，當(dāng)一束光由光源射向其表面反射元素時(shí)，分別經(jīng)由折射-反射-反射-折射后，幾乎所有入射光線以光椎形式反射回去。該光椎的軸線是入射光光徑，其中大部分反射光光強(qiáng)都集中在軸線附近，離軸線越遠(yuǎn)，光強(qiáng)越弱[2]。為此，我們提出一種基于定向照明和逆反射技術(shù)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)新方法，采用半導(dǎo)體激光束進(jìn)行定向照明，采用具有逆反射性能的薄膜材料制作反射標(biāo)志，將主動(dòng)光源的入射光進(jìn)行定向反射，同時(shí)輔以窄帶濾光技術(shù)，可以有效減小太陽光和其他環(huán)境光的影響，顯著提高檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測(cè)精度。

3.2 逆反射標(biāo)志設(shè)計(jì)

反射標(biāo)識(shí)由漫反射區(qū)和逆反射區(qū)兩部分組成。漫反射區(qū)也是整個(gè)反射標(biāo)志的基板，涂有亞光漫反射涂料，應(yīng)為長(zhǎng)方形較妥，適合各種規(guī)格的刀閘安裝，也應(yīng)具有足夠的尺寸，以增強(qiáng)測(cè)量可靠性。逆反射區(qū)居于漫反射區(qū)的中心位置，貼有逆反射材料，為長(zhǎng)方形，其尺寸顯著小于漫反射區(qū)的尺寸。一般而言，漫反射區(qū)的尺寸要大于逆反射區(qū)尺寸兩倍以上較佳[3]。圖4為反射標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)。

圖4 反射標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)Fig.4 Reflective logo structure

當(dāng)來自光源發(fā)出的光束照射到反射標(biāo)志的敏感區(qū) （包含逆反射區(qū)在內(nèi)的較大區(qū)域，但小于整個(gè)反射標(biāo)志）時(shí)，由于逆反射材料的逆反射特性，絕大部分的反射光均將沿著與入射光平行的方向返回，并由CCD攝像機(jī)接收。因此，在攝像機(jī)上的成像不僅僅是整個(gè)反射標(biāo)志，還有逆反射區(qū)形成的光斑。光斑的形狀恰好就是逆反射區(qū)的形狀，光斑的能量中心恰好就是逆反射區(qū)的中心，也就是整個(gè)反射標(biāo)志的中心。

4 刀閘到位檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

為了對(duì)圖像采集系統(tǒng)讀取的圖像進(jìn)行處理，獲得反射標(biāo)識(shí)的夾角，設(shè)計(jì)了圖像處理的軟件和算法。將采集到的圖像通過二值化、濾波及閾值分割[4]之后，采用霍夫變換[5]來提取出刀閘觸頭標(biāo)志所成的直線角度，從而計(jì)算兩觸頭所成夾角。但是由于刀閘在圖像中的占很小一部分，霍夫變換會(huì)大大降低識(shí)別效率，故還需要對(duì)圖像進(jìn)行開窗[6]處理，提高運(yùn)算效率。編寫完成之后，進(jìn)行重復(fù)性及穩(wěn)定性試驗(yàn)，完善軟件。程序流程如圖5所示。

圖5 刀閘到位檢測(cè)算法流程圖Fig.5 Algorithm flow of switch monitoring system

5 刀閘到位檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

本方法中采用了德國(guó)AVT Manta G-125B/C 120萬像素千兆網(wǎng)攝像機(jī)，最高幀頻 30 fps，1292×964pixel，1/2″CCD。 日本COMPUTAR百萬像素固定焦距鏡頭M1614-MP，鏡頭焦距為 16 mm，視角 28.2×22.7×17.1（1/2″），分辨率 100lpm。編程環(huán)境為Windows XP下Visual Studio 6.0。

5.1 攝像系統(tǒng)及反射標(biāo)識(shí)實(shí)驗(yàn)室安裝及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)及逆反射標(biāo)識(shí)的效果進(jìn)行驗(yàn)證，采用上述算法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，獲取了圖像并計(jì)算了測(cè)量結(jié)果。圖6是進(jìn)行室內(nèi)拍攝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，X軸代表實(shí)驗(yàn)序號(hào)，Y軸代表角度。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Experiment data

圖6 是攝像機(jī)置于刀閘后側(cè)上方時(shí)五次連續(xù)拍攝的圖像的處理結(jié)果，從上述數(shù)據(jù)中可以看出：（1）刀閘到位與接觸過程中，觸頭夾角在1°～11°之間變化，呈現(xiàn)明確的由大到小的變化過程；（2）當(dāng)動(dòng)觸頭到位并與靜觸頭接觸之后，觸頭夾角基本處于一個(gè)最小的數(shù)值，且基本不變；（3）可以利用觸頭夾角判斷刀閘是否到位并接觸：若夾角大于某臨界值，則刀閘為到位；當(dāng)夾角小于某臨界值，則可靠接觸。

5.2 刀閘到位檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)所設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性及重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證，將系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，獲取了圖像并計(jì)算了測(cè)量結(jié)果。圖7是進(jìn)行室內(nèi)拍攝的重復(fù)性及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，X軸代表實(shí)驗(yàn)序號(hào)，Y軸代表角度。

圖7 重復(fù)性及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Experiment data of Repeatability and stability

如上圖所示，穩(wěn)定性及重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的誤差均在0.1°，完全可以滿足系統(tǒng)需要。

6 結(jié)束語

本文圍繞刀閘到位檢測(cè)的精度難點(diǎn)進(jìn)行了研究，提出了基于逆反射材料的實(shí)時(shí)視覺檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其可行性、穩(wěn)定性以及重復(fù)性進(jìn)行了驗(yàn)證。其創(chuàng)新點(diǎn)是利用機(jī)器視覺代替人眼，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候?qū)崟r(shí)高精度非接觸式遠(yuǎn)距離測(cè)量。并且將逆反射技術(shù)與傳統(tǒng)視覺檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，利用逆反射材料的回歸反射特性，降低環(huán)境光的干擾，提高視覺檢測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方法可以有效監(jiān)控刀閘到位情況，并且精度較高，重復(fù)性及穩(wěn)定性較好，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)在線監(jiān)控刀閘到位情況，為變電站刀閘到位檢測(cè)提供了新的有效的方法和手段，幫助實(shí)現(xiàn)智能化變電站。

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