激光異物清除器裝置研究

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(南京理工大學 自動化學院，南京 210094)

0 引言

從工業生產到家用電器，現代生活的方方面面都離不開電力系統的支持，它的安全運行非常重要。通常在輸電線路中，各個導線之間都留有固定的安全間距，防止天氣變化等導致的電線短路。正常情況下，只要導線間保持這個空氣間隙，架空輸電線路就可以安全運行。但是如果在導線之間存在風箏線、網紗、氣球和塑料布等非絕緣體，那么，導線之間就經常會通過這種物體放電，尤其是雨雪天氣，物體導電性能加強，造成線與線之間短路，使變電站的開關跳閘[1]，嚴重影響到電網的運行安全。

帶電清除異物是帶電作業中安全風險最高的項目。目前，對于輸電線路進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摘除。該方法耗時耗力、危險性高，且不適用于復雜地形處的架空線路。同時由于異物種類、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，造成社會經濟損失，影響正常生活。另外一種使用較多的方法是無人機搭載噴火裝置或者利用其他機械式遙控裝置除異物，該方法對設備的可操縱性要求較高，其中一些方法也會對電纜造成損害。表1中列舉了幾種國內外常見的輸電線路異物清除裝置的類型及其技術特點[1]。

通過觀察上述表格可以發現，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。針對這個問題，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、能量高、定向能量傳輸效率高等特點，實現了遠距離無接觸清除異物。有實驗表明，利用光纖激光器，采用1080 nm波段連續輻照，使其功率密度范圍保持在25～30 W/cm2之間，可以快速燒蝕風箏線、遮陽網等大部分常見鉤掛異物，從而達到清除異物的目的[2]，保證了利用激光清除異物的可靠性。但是，在距離較遠以及大風天氣電線晃動的情況下，手持式激光異物清除器無法準確快速地確定激光發射的方向。

表1 幾種常見異物清除裝置類型及特點

近年來，隨著圖像處理技術的快速發展，其應用范圍也越來越廣。圖像處理具有信息量大、實時性高、低風險、非接觸等優點。在第一代手持式激光異物清除器的基礎上，本文結合數字圖像處理技術提出了一種新型激光除異物裝置，利用架設在雙自由度轉臺上位置相對固定的攝像頭和激光發射裝置，通過對轉臺的伺服控制達到識別跟蹤并切除異物的效果。

1 激光除異物裝置實現原理

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致局部溫度急劇升高后熔化，從而掉落，達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，不會造成可燃物掉落導致的火災等安全隱患。有實驗表明，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，可以確保激光束不會對高壓線路造成損害。

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，本裝置以手動控制為基礎，根據操作界面視頻顯示結果將目標異物鎖定在攝像頭拍攝范圍內，在操作人員點選需要切割的異物點后，圖像處理系統解算出異物點與激光點的偏差，并控制伺服轉臺轉動使激光點無差指向需要切割的異物點。根據圖像分析上下掃描得出纏繞點所在電線，給出激光切割的沿線方向，并由用戶根據纏繞異物的特性選擇激光切割的速度，最后打開激光發射裝置，完成切割任務。切割過程中，圖像處理系統始終保持跟蹤狀態，確保大風天氣電線晃動對的情況下切割點也隨之變化。

在控制結構與方法上，針對大風天氣下架空線纜的晃動情況，同時考慮以視頻作為目標位置的反饋，決定采用虛擬閉環的串級控制形式。根據虛擬閉環控制思想，以方位軸控制系統為例，結構圖如圖2所示。目標解算根據攝像頭采集到的目標信息，解算激光點與目標之間的偏差，從而產生方位軸需要運動的角度指令信號；位置控制器根據解算后的指令信號以及方位軸測量到的實際角度信息，求解出偏差信號，然后根據內置控制律計算控制量，并輸出驅動電機運轉至消除角度偏差，準確指向目標。俯仰軸控制原理與方位軸相似。同時對方位軸和俯仰軸進行閉環控制，確保目標位置發生變化的情況下，轉臺可以根據圖像處理結果進行快速響應。

圖2 系統控制結構示意圖

2 裝置硬件結構

整套異物清除裝置由激光器、鏡頭及工業相機、伺服轉臺及其控制器、工控機、激光控制箱及電源幾個部分組成，其總體架構如圖3所示。圖中箭頭方向表示通信方向，上位機與攝像機的通過RS232進行通訊，而上位機與伺服轉臺則通過RS485進行通訊。各部分作用及主要性能參數如下。

(1)鏡頭及工業相機：

鏡頭及相機是系統的主要傳感裝置，負責采集目標的信息，用于對伺服轉臺和激光器的控制。考慮到系統對攝像機的分辨率、幀頻等方面的需求，經過充分市場調研和技術論證，原理樣機的攝像頭和鏡頭采用SONY攝像機模塊，型號為SONY FCB-EV7500。

(2)伺服轉臺及控制器：

伺服轉臺采用兩軸結構，分別控制水平位置和俯仰角度。伺服轉臺采用有刷直流電機，其控制器開發采用基于STM32f407微控制器的ARM嵌入式開發系統。

(3)工控機：

考慮到設備的便攜性和可靠性以及接口的多樣性，選擇嵌入式工控機為主機。x86工控機作為伺服瞄準系統的控制核心，實時采集工業相機的視頻圖像，識別異物和線路。

(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。激光器和工業相機固定在轉臺上，跟隨轉臺轉動實現方位和俯仰的移動，如圖所示。激光器和相機經過校準后相對位置保持不變，確保相機與光纖激光器同軸。

圖3 系統架構示意圖

考慮到設備的便攜性和可靠性以及接口的多樣性，選擇嵌入式工控機為主機。x86工控機作為伺服瞄準系統的控制核心，實時采集工業相機的視頻圖像，識別異物和線路。激光器和工業相機固定在轉臺上，跟隨轉臺轉動實現方位和俯仰的移動，硬件結構如圖4所示。激光器和相機經過標定校準后相對位置保持不變，確保相機與光纖激光器同軸。

圖4 轉臺結構圖

3 系統軟件結構

伺服瞄準控制器采用基于x86的嵌入式工控機為主機，操作系統采用Windows7以上版本，開發采用Visual C++，圖像處理部分調用Open CV數據庫，包括灰度化、濾波等基本操作和Hough直線檢測等目標特征分析。針對系統處理的實時性要求，采用多線程編程技術和MFC面向對象的程序設計方式，利用MFC控件搭建GUI。軟件功能主要流程如圖5所示。首先初始化伺服轉臺并打開攝像頭，使轉臺自轉一周確保轉臺處于正常工作狀態，然后根據操作者觀測到的視頻圖像手動控制調整轉臺方位和俯仰位置，待目標異物出現在視野中為止，再手動框選目標區域便于進行異物跟蹤和線性識別，最后進行模擬切割確認無誤后啟動激光發射器進行切割任務。

軟件主要流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

軟件系統主要包括界面、視覺處理和伺服控制等幾個部分。

系統控制界面用于人機交互。界面設計如圖6所示，采用MFC面向對象的程序設計方式，主要分為視頻顯示、轉臺控制、相機設置、功能選擇、切割參數調整和系統運行日志以及系統狀態提示等幾個區域。操作人員通過界面中的視頻顯示區可以獲取并觀察視野內的圖像，并通過選擇界面上的上、下、左、右操作按鈕控制伺服轉臺的轉動，使視野切換到異物所在區域，轉臺轉速設置了粗、細兩個調節按鈕，當視野接近目標區域時可以選擇細調，防止轉速過快錯過目標物。用戶可以根據所要進行的操作選擇相應的功能按鈕，比如轉臺的自檢或關機、目標選取、異物切割、切割速度選擇等；運行日志顯示區詳細記錄每一步操作過程，便于操作過程中出現故障時進行問題排查；狀態顯示欄可以顯示伺服狀態和跟蹤狀態以及轉臺的方位和俯仰角度，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、目標檢測和參數解算這三個部分。圖像處理是視頻跟蹤系統中的關鍵部分，需要快速準確識別目標物體，為系統提供控制信號，同時在閉環控制系統中提供反饋信號。圖像處理基本分為三個階段[3]。第一個階段是圖像處理階段，第二個是圖像分析階段，第三個是圖像理解階段。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、銳化目標邊界等基本操作；圖像分析是對處理圖像中感興趣的部分進行分割、提取、測量、檢測等，簡化圖像描述并突出感興趣部分的描寫，提供描述目標特性的數據，如Hough圖形變換檢測等；圖像理解是根據前兩個階段的處理結果，找出圖像中的特定目標和客觀世界的聯系，并用于指導和規劃行為。視頻采集采用索尼電動變焦攝像頭，使工作范圍可以達到120m，并采用60幀/秒的采集速率，確保視頻采集的連續性和實時性。攝像機采集到的視頻信息通過RS485實時顯示在界面的視頻顯示區供用戶觀察和選擇，一旦用戶選定異物，系統開始進行圖像處理并獲取有效位置信息，通過目標位置與預先標定的激光點的位置偏差進行參數解算得出相應的控制信號并反饋給伺服轉臺。另外，在目標檢測過程中，通過Hough直線變換算法檢測出圖像中的電線，通過自上而下或者自下而上掃描檢測出的直線找出與異物相交的電線，從而確定異物連接點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；二是轉臺控制部分的電機伺服控制模塊，包括轉臺自檢、上位機與轉臺之間的通訊等。

其中，伺服跟蹤是保證切割效率的關鍵。由于事先將激光光軸標定在視頻圖像的正中間，所以需要通過跟蹤算法將目標物體移動到視野中央。另外，由于大風天氣等情況下異物會發生晃動，如果晃動幅度過大容易影響切割效果，所以需要對異物進行實時跟蹤，視覺伺服可以根據圖像處理的結果實時輸出異物與光軸即圖像中心的位置偏差，從而確定轉臺所要移動的角度。整個視覺伺服系統工作流程如圖7所示，本文采用OpenCV庫中跟蹤性能較好的KCF跟蹤器進行目標異物的跟蹤。

圖7 視覺伺服系統結構圖

另一方面，含有方位軸和俯仰軸的雙軸伺服轉臺部分采用電機伺服控制系統中經典的三環控制，由內到外分別是電流環、速度環和位置環，依次進行參數整定，力求減小電機在運行情況下的震動超調等，其中電流環為定值不需要進行調整。為了保護臺體，軟件部分對原理樣機進行了位置環的限制，其中方位軸實現水平方向-170°～170°旋轉，俯仰軸為豎直方向-15°～30°，基本可以確保實驗場地的異物能調節到視場中央。兩軸控制方法相似，均采用經典的PID控制方法，分別以各軸的速度和位置為控制量調整相應參數。速度環可以調節相應轉軸的速度范圍，控制精度為0.02°/s，位置環在滿足系統需求的前提下經充分實驗設為定值，-32 768～32 767對應于-180°～180°，即控制精度約為0.005 5°，可見轉臺對于精度的要求比較高，所以決定采用伺服控制方法。上位機通過接收視覺處理模塊發送的位置偏差信息，并結合其余參數解算出控制轉臺的方位軸和俯仰軸的指令信號，通過通訊模塊將指令信號發送給轉臺使其進行伺服運動。在實際的操作過程中，為了避免因速度突變造成扭矩過大從而導致過流的情況，一般速度的調節范圍不宜過大，在本裝置中，速度調節范圍要求控制在5 r/m，即0.5°/s，使系統具有良好的跟隨性能。

4 實驗結果與分析

為了驗證多根電線的情況下，算法是否可以識別纏繞異物的線纜并進行沿線切割，選取大約60米左右的電線為目標線路，以視頻圖像中與電線重疊的樹葉作為目標異物。轉動轉臺使異物出現在視野內，點擊目標選擇按鈕并在左側視頻顯示區選取需要清除的異物，轉臺根據目標點位置解算結果產生的位置偏差信號自動轉動，將目標調整至中心位置(同時也是激光點位置)，白線部分為識別出的纏繞異物的電線，即切割示意方向，待目標跟蹤穩定后點選切割按鈕，轉臺根據選定的速度進行沿線切割直至異物脫落檢測不到新的異物點。實驗表明，系統可以準確實時地跟蹤選定的目標異物，并選取相應的線纜確定切割方向。實驗示意圖如圖8所示。

圖8 實驗示意圖

考慮到樹葉與電線之間不存在相對晃動的情況，實驗中模擬電線及異物的情況，將電線系在樹干上固定個，并在懸空電線上固定懸掛一個白色異物。通過人為干預在一定范圍內晃動電線模擬大風天氣下的情況。實驗表明，異物和電線一起晃動的情況下，也能實時跟蹤選定異物以及準確識別視頻圖像中的電線，確定切割方向。實驗示意圖如圖9所示。

圖9 實驗示意圖

5 結論

本文結合數字圖像處理技術提出了一種基于伺服控制轉臺的激光除異物跟蹤瞄準系統，從激光清除異物的可行性出發，利用伺服控制原理，對視頻采集到的圖像進行分析得到目標異物與標定激光點的相對位置信息，并解算得出相應的轉臺控制信號，通過控制轉臺的方位軸和俯仰軸精確完成沿線切割任務。最后通過模擬實驗驗證了該方案的可行性。考慮到視覺圖像處理存在時延，從而會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時操作系統，利用Open CV以及Qt開發相應的界面，以提高系統的實時性。另外，考慮到高架線路背景的多樣化和復雜性，開始時仍需要手動選擇需要切割的目標異物，后期可以投入更多時間和精力采集各種環境下的高架線路背景圖片，形成一個圖片庫并根據一定的圖像算法對其進行訓練，通過模板匹配達到自動搜索并確定異物的目標，從而提高切割效率，實現激光異物清除裝置的全方位自動化。