1、电气与自动化陈昊，等基于激光传感器阵列的绝缘子识别定位方法基金项目:国家自然科学基金项目(51807028)第一作者简介:陈昊(1980)，男，江苏南京人，研究员级高工，高级技师，博士，从事变电检修研究。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301047基于激光传感器阵列的绝缘子识别定位方法陈昊1，陈玮光1，徐鹏1，徐伟伦2，叶俊杰3(1 国网江苏省电力有限公司 检修分公司，江苏 南京 211102;2 国网江苏省电力有限公司 南京供电分公司，江苏 南京 210019;3 东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)摘要:为了解决变电站绝缘子自动清扫的识别定
2、位问题，提出一种基于特定分布结构的激光传感器阵列的柱状绝缘子识别定位方法。确定激光传感器阵列空间分布和位姿约束;提出基于竖直同轴传感器阵列测距结果处理绝缘子的检测方法;采用特定位姿变换中同轴传感器阵列记录的传感器测距结果的伞裙半径特征检测方法，提出基于同轴传感器阵列测距差的朝向校对方法，搭建仿真模型完成硬件设计与研制。现场试验结果验证了所提方法的可行性和有效性。关键词:绝缘子清扫;激光传感器阵列;特征检测;自动定位中图分类号:TP3919文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0189-05An Insulator Identification and Location M
3、ethod Based on Laser Sensor ArrayCHEN Hao1，CHEN Weiguang1，XU Peng1，XU Weilun2，YE Junjie3(1 Branch Company，State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance，Nanjing 211102，China;2 Nanjing Power Supply Branch Company，State Grid Jiangsu Electric Power Co，Ltd，Nanjing 210019，China;3 School of Electrical Engi
4、neering，Southeast University，Nanjing 210096，China)Abstract:To solve the problems of identifying and locating automatic insulator cleaning of tranformer substation，a method based onranging data from laser sensor array with specific distribution structure is proposed The spatial distribution and pose
5、constraints oflaser sensor array are determined A detection method based on the distance measurement results of vertical coaxial sensor array isput forward A feature detection method aiming at shed radical of insulator based on the sensor ranging results recorded by coaxialsensor array in specific p
6、ose transformation is applied to design an orientation correction method based on the ranging error ofcoaxial sensor array，with which，a simulation model is built to complete hardware design and development The field test resultsverify the feasibility and effectiveness of the proposed algorithmKeywor
7、ds:insulator cleaning;laser sensor array;feature detection;automatic positioning0引言随着我国超特高压电网建设的不断推进，超特高压变电站电气设备的安全运行水平日益为人瞩目1。绝缘子作为电气设备的外绝缘，其性能直接关系到电气设备的健康水平。随着设备运行时间的增加，绝缘子表面上会逐渐附着污秽，造成绝缘水平降低，引发污闪，甚至造成设备损坏或停电。绝缘子清扫是防污闪的重要措施2。传统的清扫方式主要依靠人力进行绝缘子清扫，但是此方法清扫效率低、难度大、需要登高作业，清扫人员的安全性难以保障。目前围绕绝缘子清扫机器装置已经进行
8、了许多研究，文献 3 实现免登高辅助清扫，仍然属于人工清扫范畴;文献 45 通过升降平台配合替代人力清扫，但是其不具备识别和检测绝缘子的能力，需要人工对准绝缘子。为了进一步提高机器人的自动化，需要着手解决绝缘子机器人的绝缘子检测与定位问题，从而提升绝缘子清扫机器人的智能化水平6。此外，为了保证清扫的有效性，应保证清扫刷头能够有效对准绝缘子伞裙之间的柱芯处。目前已有的绝缘子检测主流思路是通过机器视觉算法或其他模型训练检测算法710，基于可见光图像数据实现绝缘子的识别，但是其运算量较大且无法获取绝缘子相对于机器人的深度信息。变电站中常见的立式陶瓷支柱绝缘子具备两个空间几何特征:1)伞裙分布高度间隔
9、相等;2)伞裙半径近似相等。本文基于此研究了一种基于激光传感器11 阵列测距结果的绝缘子识别定位方法12，该方法首先将激光传感器在空间中按照特定位姿要求进行排布，而后通过读取阵列测距信息，结合绝缘子伞裙特征对阵列探测物体进行特征筛选，实现绝缘子的初步检测。而后激光传感器阵列进行特定位姿变换，并在此过程中持续记录激光测距传感器981电气与自动化陈昊，等基于激光传感器阵列的绝缘子识别定位方法阵列数据并对结果进行分析，从而实现绝缘子的目标检测、绝缘子中心轴定位以及绝缘子截面圆最大半径对应高度的定位，并根据定位反馈结果校正清扫机械臂的位置，从而实现绝缘子附污的有效清扫。1绝缘子特征建模针对本文所研究的
10、变电站陶瓷支柱式绝缘子，其典型结构如图 1(a)所示，提取其空间结构几何特征及相关参数，其具备以下特征:1)绝缘子水平横截面可视作圆形;2)绝缘子水平截面圆半径与横截面离地高度呈现明显的周期性变化规律;3)绝缘子存在大小伞裙，故其水平截面圆的半径随高度变化存在交替的峰值，但谷值相同。由于本方法的检测目标为伞裙的最小半径，与绝缘子纵截面曲线形状不直接相关。这里选取复合正弦函数对绝缘子侧面伞裙截面圆半径随高度的变化规律进行近似拟合，拟合公式如式(1)所示。r=min+abs LsinhT2()+l+tL=max2min+sec2l=maxsec2(1)式中:max、sec、min依次表示绝缘子的最
11、大半径、第二半径和最小半径;T 表示绝缘子相邻最大半径伞裙的高度差;r 表示伞裙高度为 h 时绝缘子横截面的圆形半径;t表示随机误差，服从密度函数为下式的广义 t 分布。fGT(t;，g)=2tbg1B(1，g)1+tgbt()g+1(2)式中:参数 0，g0 且有 g2;Beta 函数 B(1，g)(1)(g)/(1+g);t为 t的 标 准 差;b(1)(g)/(31)(g21);当=2 时，广义 t分布退化为 t 分布，自由度为 2g;当 时，广义 t 分布退化为广义误差分布。据此，建立绝缘子表面模型如下:x2+y2=r2(h)hminhhmax(3)式中:hmax和 hmin分别是绝缘
12、子的顶端高度和末端高度;x和 y 分别为绝缘子水平剖面的径向和轴向的坐标位置。本文选用的典型绝缘子特征数据如表 1 所示，设定相关参数后构建绝缘子数学模型如图 1(b)所示。表 1典型绝缘子参数单位:cm伞裙高度差最大半径第二半径最小半径最大高度最低高度102422162000图 1绝缘子建模结果2激光传感器阵列建模本课题设计并研制相应的绝缘子清扫机器人如图 2所示，其中配套相应的丝杠模组和电机驱动模块，可以控制清扫手爪进行平面移动或升降。清扫手爪安装于丝杠模组上，具备开合能力，且集成有两组清扫刷。通过清扫刷的旋转可以有效去除绝缘子表面的灰尘或污渍。图 2基于激光传感器阵列的绝缘子清扫机器人激
13、光传感器阵列由 5 个激光传感器组成，按照空间分布规律主要可以分为两部分:水平阵列和垂直阵列，如图 3 所示。为针对绝缘子识别定位过程进行仿真，首先需要确定激光阵列传感器的空间位置。以地面为基准面，以垂直传感器阵列的投影点为原点建立如图 3 所示的 Oxyz坐标系以描述该空间位置信息。由于激光传感器均安装于清扫手爪上，忽略激光传感器物理尺寸，采用(xi，yi，zi)表示 5 个传感器的空间坐标位置，其中 i=1，2，3，4，5。图 3激光传感器阵列示意图1)竖直阵列竖直阵列由 3 个激光测距传感器组成，其安装于开合091电气与自动化陈昊，等基于激光传感器阵列的绝缘子识别定位方法清扫手爪的根部。
14、3 个传感器位于同一竖直轴且朝向一致。根据安装位置从高到低分别为 3 号传感器、1 号传感器和 2 号传感器。其中 h0为绝缘子特征检测过程中所得到的机器人清扫手爪离地的初始高度，k 为正整数，T 为竖直阵列传感器高度差。根据图 3 所建立的坐标系，1 号传感器的初始坐标位置为(0，0，h0)。进一步根据竖直分布特点，2 号传感器的初始坐标可以表示为(0，0，h0kT)，3 号传感器的初始坐标可以表示为(0，0，h0+kT)。2)水平阵列水平阵列由两个激光测距传感器组成，其安装于机械臂清扫手爪上，与 1 号传感器处于同一水平面内。为了便于表述，规定在俯视情况下安装于 1 号传感器左侧的为 4号
15、传感器，右侧为 5 号传感器。1 号传感器到 4 号传感器、5 号传感器距离为 d，且其连线与竖直平面的夹角大小相等，均为 arm。同理，结合水平分布特点，4 号传感器的初始坐标可以表示为(dcosarm，dsinarm，h0)，5 号传感器的初始坐标可以表示为(dcosarm，dsinarm，h0)。根据上述传感器坐标定义，当绝缘子清扫机器人的清扫手爪进行平面开合动作时，13 号传感器的位置保持不变。4 号和 5 号传感器的高度保持不变，投影位置随开合角度 产生变化，其位置坐标表示为式(4)所示。x4=x5=dcos(arm+)y4=y5=dsin(arm+)z4=z5=h0(4)当绝缘子清
16、扫机器人进行升降操作时，所有传感器的投影位置不变，高度同步增减，具体位姿描述如式(5)所示。xi=x0i，(i=1，2，3，4，5)yi=y0i，(i=1，2，3，4，5)zi=z0i+z，(i=1，2，3，4，5)hminzihmax，(i=1，2，3，4，5)(5)式中:z 表示上升高度;hmin和 hmax表示清扫装置升降允许的最小和最大高度。3绝缘子检测与定位方法本文所用机械臂的手爪结构由两个可以开合的弧形刚体臂组成，如图 4(a)所示。在进行绝缘子检测与定位时手爪处于打开状态，在完成绝缘子朝向校对和伞裙位置检测后手爪闭合，并开始清扫。需要注意的是，由于激光测距传感器为点对点测距，其波束很窄，相较于超声波测距方式而言并不会产生耦合效应。因此，只需要通过对各个传感器的测距结果进行综合判断即可。基于激光传感器阵列的绝缘子检测定位的具体工作流程如图 5 所示，主要步骤如下。步骤 1:读取 13 号传感器的测距结果，进行绝缘子初步检测;步骤2:识别到可能是绝缘子的物件后，清扫机器人缓慢下降2T 高度(两倍绝缘子相邻最大半径伞裙的高度差)，如图4(b)所示，记录激光传感器测距结果，进行绝
