基于激光雷達的變電所帶電施工掃描避障技術研究

錢志杰 周冬成 嚴申劼 萬建軍 徐建鋒＊ 俞開云

（1、紹興建元電力集團有限公司，浙江 紹興 312000 2、國網紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

變電所日常關聯的電力設備及裝置數量是較多的，電路布設繁雜，一旦出現故障，便需要帶電施工掃描，在特定的環境下，實現多方向、多目標掃描避障[1]。傳統的掃描壁障通常是采用單向識別或者異常捕捉的方式，先對變電所電路異常位置進行定位，與此同時，利用專業的設備，對特定區域掃描識別，進而實現避障的目標[2]。這種方式雖然可以完成預期的避障任務，但是在實際應用的過程中，常常會受到外部因素的影響，造成多維度的避障誤差，嚴重的甚至會對變電所的關聯電路造成損壞，形成更大的經濟損失[3]。因此，對基于激光雷達的變電所帶電施工掃描避障技術進行研究與分析。

1 變電所帶電施工掃描避障技術

1.1 ORB 避障特征點提取

激光雷達對于目標對象或者電路異常位置的掃描一般是針對于存在的特征點，依據特征的變動，定位對應的特征點，以此來完成掃描任務[4-6]。可以在變電所施工的過程中，標定區域安裝EKF 或者UKF 型號的濾波器，獲取基礎的避障信號，結合控制平臺，獲取相機位姿和建圖初始數值信息[7]。隨后，采用SLAM法建立施工覆蓋線程，改進后計算處描述算子。此時的描述點每一個層級均需要設定對應的ORB 特征目標，根據其日常自變化的規律，定位出核心點的異常點，也就是避障特征點。

消除一部分不合理的特征值，計算出此時的初始灰度值，一般需要控制在1.05～2.35 之間即可。將雷達獲取的數值與核心異常點相關聯，逐漸形成特征描述算子，此時，需要采用二進制的方式，計算出實時灰度值，具體如公式（1）所示：

1.2 近電感應進行多維監測

在變電所中安裝信號放大器，將裝置捕捉的信號無限放大，確保電壓信號與電場強度成正比，形成穩定的監測環境。關聯電場及施工區域周圍的所有感應裝置，控制系統中設定多維監測目標。根據避障需求，不斷調整監測距離及范圍，明確雷達避障的有效區域。隨后，根據上述獲取的ORB 避障特征點，采用ORB.SLAM算法計算出避障單元誤差，具體如公式（2）所示：

公式（2）中：H 表示避障單元誤差，g 表示避障預設距離，β 表示異常算子數量，i 表示單次描述頻率，通過上述計算，最終可以得出實際的避障單元誤差，劃定對應的避障誤差標準，通過調整監測維度，結合近電感應技術，完成多方向的避障數據信息實時監測。

1.3 引導式激光電子避障圍欄構建

建立平移避障矩陣來搭建電力圍欄的框架，在定位到合適的旋轉避障點之后，根據電荷的運動規律，結合激光雷達，進行多方向定位，并將提取的特征點進行三角化處理，并形成電子避障描述圖示，具體如圖1 所示。

根據圖1，可以完成對電子避障圍欄描述的分析與框架設計。在標定的三角避障范圍之內，植入引導式的描述結構，搭配識別指令應用，定位變電所帶電施工時的異常位置點，當避障延伸距離到達一定的標準時，預設坐標會與相位坐標系實現重合，激光雷達光心之間的距離通常在10.5 以上。通過激光電子避障圍欄，計算出避障的重疊覆蓋比，根據得出的避障重疊覆蓋比，再結合雷達感應技術，可以進一步明確對施工避障的距離單元區域范圍。不斷調整引導避障目標，利用激光電子避障圍欄，設定對應的避障防護環境，完成對引導式激光電子避障圍欄的構建。

圖1 電子避障圍欄描述圖示

1.4 避障監測警報結構建立

針對于變電所帶電施工的多元性及靈活性，針對于不同的區域，可以安裝關聯對應的警報程序。通常可以劃定為兩種警報形式，分別是屏幕警報和聲光警報。在基礎場景中設定識別程序，針對于帶電物體或者電子圍欄作出初始識別，利用激光雷達裝置，獲取相應的數據及信息，在3D 場景中掃描定向的障礙物。需要注意的是，此時指的障礙物一般是固態障礙物，而針對于動態障礙物，可以采用動態辨識方式，獲取激光雷達掃描的點云數據，識別的距離默認為1m。一旦帶電施工過程中出現障礙物或者異常，主控系統中會立刻發生警報，在安全范圍1m 之內的物體點云數據會顯示紅色，在2m 左右的物體點云數據顯示黃色，2m 之外的顯示綠色，同時控制屏端顯示“報警：即將發生碰撞”并發出報警聲音。

1.5 改進DBSCAN 激光雷達避障模型設計

首先明確警報區域，采用定向操作的方式，轉換避障視角遠近，左轉，右轉，對模型進行基礎訓練。點云控制平臺中的LidarService 會選擇當前掃描障礙點云對比場景，決定是否發出對應警報。在標定的范圍之內，進行避障視角的重置，結合碰撞體的解析原理及點云避障執行視角，計算出單向的避障反射率，具體如公式（3）所示：

1.6 多目標聚類掃描矩陣構建

通常情況下，變電所的代表施工動態性相對較強，并且涉及到多個關聯位置，所以，可以采用多目標的聚類避障方式，搭配激光雷達應用。以多目標聚類掃描矩陣的方式展開分析，設定矩陣的單質距離在15m 以上，預設的避障時限在0.2～0.5 之間。劃定多目標避障矩陣的原理，完成結構排布設定，在標定的范圍之內，利用改進DBSCAN 雷達模型，將所需要避障的區域劃分為幾簇，每一簇均需要設定關聯性較強的避障監測節點，形成任意形狀聚類目標，隨著變電站電力的供應，電荷移動的方向及狀態也會發生相關的變化，形成多維聚類掃描避避障機制，在標定的聚類空間中，關聯相應的避障范圍，以預設的基礎避障目標以及邊緣目標設定在矩陣之內，調整相應的指標參數，營造穩定、可靠的聚類掃描避障環境，與避障模型相結合，可以實現首次避障，并完成對多目標聚類掃描矩陣的構建。

1.7 等效多傳感處理實現施工掃描避障

在激光雷達行安裝一個多傳感器，與主控平臺相連接。將所有的約束避障指令轉化為多傳感避讓指令，計算得出避障殘差項，利用激光雷達在標定的區域之中等效識別掃描，標記區域之內的障礙物，并將圖片、視頻等資料以特定的信號格式傳輸至管控平臺之中，施工人員可以根據得出的數值盡量避開異常區域。使用二維激光雷達SLAM獲取氣壓計以及超聲波傳感器收集的數值、信息，待帶電施工基本避繞過障礙物時關閉激光雷達，在同一位置上，以不同傾斜角度進行相位對比，并計算出位姿耦合值，具體如公式（4）所示：

2 實例分析

2.1 實力背景

本次主要是對基于激光雷達的變電所帶電施工掃描避障技術實際應用效果進行分析與研究。考慮到最終實例分析結果的真實性與可靠性，本文選擇紹興市大興電氣承裝有限公司下屬的變電所A 作為測試的主要目標對象。設定傳統轉換避障測試組、傳統定向多傳感避障測試組、激光雷達避障測試組，以對比的形式展開分析。測試需要在穩定、安全的環境下進行，所以，在測定之前，需要核驗設備及裝置是否處于穩定的運行狀態，并確保不存在影響最終測試結果外部因素，核定無誤后，開始實例分析。

2.2 A 變電所避障實證

根據上述多A 變電所帶電施工項目的掃描避障現狀的分析，結合實際的避障需求及標準，進行實證分析。首先，標定激光類雷達的覆蓋范圍，在區域之中布設一定數量的雷達避障監測節點。利用激光雷達構建逆觀測模型，投入一束激光，當其經過若干柵格后碰到障礙物返回，即可完成設計。計算激光雷達避障測試組響應時間，并進行最終測定分析，具體如表1 所示。

表1 測試結果對比分析表

根據表1，表明在實際應用的過程中，對于施工區域內障礙物的識別速度較迅速，效果更佳，具有實際的應用價值。

結束語

綜上所述，便是對基于激光雷達的變電所帶電施工掃描避障技術的研究和討論。與傳統的單向避障方法相對比，本文融合激光雷達技術，在上述基礎中，進一步擴大了避障的覆蓋范圍，設定多方向的避障處理目標，加速施工的同時，還可以保證施工人員的安全。激光雷達可以更好地避免避障誤差的出現，從根源上增強整體的避障識別精度，將帶電施工的水平偏差控制在合理的范圍之內，通過功能化及模塊化的并行化流處理模式，再結合雙目視覺避障輔助平臺，逐步營造更加穩定、安全的避障模式，一定程度上簡化了變電所整體的管理避障工作，為后續的應用提供理論依據。