一种电力系统设备安防定位装置及方法与流程

1.本发明涉及电力系统设备安防技术领域，尤其涉及一种电力系统设备安防定位装置及方法。


背景技术：

2.随着信息化社会的发展，保障各类公共设施及周边环境的安全尤为重要，推进智能化的重要设施，如电力、银行、社区及机关单位的安防研究，并实现安防系统无人化、高效化具有重要意义。
3.目前变电站以及其他电力设施的安防巡检，仍然主要依靠人员结合固定摄像头来实现。其中存在的第一个问题便是难以实现全天候安防覆盖，当巡逻人员换班、监控室人员疲惫等人为因素出现时，易发生纰漏造成事故。例如，小动物进入电力设施等情况导致故障跳闸等安全隐患，难以被实时发现。此外，传统的监控系统缺乏实时性，只能作为事故发生后的寻因追责依据，而起不到实时防患于未然的作用，即在发现隐患后的实时确认及采取措施方面存在欠缺。在传统的安防系统中，若监控中心发现问题，需通知巡逻人员前往问题地点查看，或调用附近监控设备调整观测角度进一步确认，有时入侵物早已移动变换位置，而欠缺灵活性及实时性。这两大问题钳制了安防系统的效率，也为人们的生产生活带来了隐患。其中，以常见的市区变电设施的野生动物入侵为例，以野猫为主的小型、灵活的动物入侵往往易造成严重电力事故。但是，此类小型动物动作快、善攀高、易躲避入监控死角，传统的监控系统较难发现，也难以及时地进行驱离。因此，迫切的需要将人工智能技术应用到安防中，研究结合机器人与人工智能技术的智能安防监控系统，可以大大改善目前重要设施安防监控系统的实时性、可靠性及效率，在事故预防方面做出改进，增强安防系统的防患于未然功能。
4.目前，国内外无人值守变电站安防技术根据其防护特点不同主要分为三类：
5.第一类为物理阻挡类，该种模式的防护措施主要由高压电网技术、脉冲电子围栏技术等具有物理阻挡作用的安防措施组成；第二类为入侵自动恢复类，该种模式的防护措施主要由红外围栏技术、激光围栏技术等具有非接触、入侵后可自动恢复的安防措施组成；第三类为视频监控技术等。这些安防技术在一定程度上保证了变电站的安全，然而在实际应用中各种技术在实用性和可靠性方面均存在不同程度的不足。物理阻挡类安防措施主要由高压电网或脉冲电子围栏组成，此种防护措施的特点在于防护周界由多条金属导线构成防护网。由于具有物理防护功能，因此能在很大程度上对入侵者进行威慑。入侵自动恢复类安防措施主要由红外围栏或激光围栏组成，由于这种安防技术使用红外线或者激光对入侵进行检测，因此可以在入侵过后自动恢复，能够对本次入侵后再次发生的入侵进行有效检测。红外围栏的原理是在要设防的周界设立一定数量的竖杆状的红外发射器和接收器组成一个不可见围栏，当有入侵者翻越时会隔断红外回路，从而产生报警信息。除了以上提到的各种安防技术外，视频监控技术也在国内安防领域被广泛运用。该种安防措施能够对入侵证据进行采集，便于司法人员后期对入侵犯罪行为进行惩治。相比于其他安防技术，视频监
控技术在国内起步较晚。目前国内主要有清华大学、北京大学、中科院等科研机构以及海康威视、大华等厂家进行开发研究。视频监控技术主要经历了三个阶段的发展，分别为：模拟监控系统阶段，数字化监控系统阶段，网络监控系统阶段。模拟监控系统是最早被运用的一种视频监控手段，最初主要由一台摄像机和一台显示器组成，后来发展为多台摄像机和一台显示器，也就是我们常说的闭路电视系统。该种监控系统的运用使人们可以不亲临现场就能掌握现场的工作状况。
6.综上，变电站现阶段常用的安防措施，无论是物理阻挡类、入侵自恢复类还是视频监控类，在对变电站进行防护时均既有优点又有不足。其中，物理阻挡类缺点在于该方式属于被动防护，不能在入侵发生前对入侵进行检测避免入侵事故的发生。此外，在变电站的强电磁环境下，金属导线上感应出的电动势可能对入侵人员造成伤害从而引起法律纠纷，而且也不具有入侵证据采集的功能。
7.入侵自恢复类的缺点在于只能发出报警信息，不能对入侵物进行实时定位，需要人工去现场进行位置锁定，同时也不能实现入侵证据采集。视频监控类的优点在于能够对入侵过程进行记录，方便司法人员后期惩办犯罪行为。但现有的技术中，视频监控还不能对入侵物进行实时精准定位。


技术实现要素：

8.为了解决相关技术问题，本技术的目的是提供一种电力系统设备安防定位装置及方法。
9.为实现本技术的目的，本技术提供的技术方案如下：
10.一种电力系统设备安防定位方法，包括如下步骤：
11.步骤1：获取相机实时采集的图像信息；
12.步骤2：根据采集的图像信息进行入侵物识别判断，若存在入侵物，则控制云台对入侵物进行实时追踪；
13.步骤3：根据云台的转动角度计算目标位置信息；
14.步骤4：将目标位置信息发送给监控平台。
15.进一步地，所述步骤3具体包括：
16.步骤3.1：获取入侵物在图像中所处的目标位置，与相机图像中心点位置进行比较，根据目标位置与中心位置误差进行补偿轴位移，使得入侵物时刻位于图像中心位置；
17.步骤3.2：得到云台两轴分别转动的角度，计算出两台或两台以上云台的位姿信息与原始云台位姿的变化量；
18.步骤3.3：通过aoa算法计算得出入侵物位置信息。
19.进一步地，所述步骤3.3中，入侵物位置坐标与相机间的位置关系可表示为：
[0020][0021]
其中，(x，y)为入侵物位置坐标,相机事先标定的坐标分别为(xi，yi)，αi为云台转动的角度。
[0022]
进一步地，所述云台的控制策略采用三闭环pid，最外层是位置环，用于保证稳态精度和动态的跟踪能力，反馈直接影响系统的精度，内层是速度环和电流环组成双闭环控
制系统。
[0023]
进一步地，所述方法包括利粒子群优化算法对所述pid的参数进行寻优的步骤。
[0024]
进一步地，所述方法包括在pid控制系统输入前利用iir滤波器对入侵物位置坐标偏移量进行滤波处理的步骤。
[0025]
与上述方法相对应地，本技术还提供了一种电力系统设备安防定位装置，包括如下单元：图像采集单元、入侵物位置跟踪单元、控制器；
[0026]
所述图像采集单元用于实时采集图像信息；
[0027]
所述入侵物位置跟踪单元用于对入侵物的位置进行实时跟踪；
[0028]
所述控制器用于根据采集的图像信息进行入侵物识别判断，若存在入侵物，则控制入侵物位置跟踪单元对入侵物进行实时追踪；另外，用于根据入侵物位置跟踪单元的转动角度计算目标位置信息，并将目标位置信息发送给监控平台。
[0029]
进一步地，所述图像采集单元为相机。
[0030]
进一步地，所述入侵物位置跟踪单元为云台。
[0031]
进一步地，所述云台的控制策略采用三闭环pid，最外层是位置环，用于保证稳态精度和动态的跟踪能力，反馈直接影响系统的精度，内层是速度环和电流环组成双闭环控制系统。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果为，
[0033]
本发明采用图像识别的方法对入侵物进行识别判断，将云台相机分布范围扩大就能提前发现入侵物，并且通过云台进行实时跟随，确定目标的位置信息，并且通过网络将入侵物的位置信息实时传送给终端监控设备，这一过程无需人的参与，可以实现全天候、全自动、无人化的安防监控。
附图说明
[0034]
图1为本技术提供的系统一种实施例结构示意图；
[0035]
图2为本技术提供的控制器一种实施例结构示意图；
[0036]
图3为本技术中偏移量计算示意图；
[0037]
图4为本技术中云台控制原理示意图；
[0038]
图5为本技术中三闭环pid示意图；
[0039]
图6为本技术中直接型iir滤波器基本结构示意图；
[0040]
图7为本技术中iir一阶butterworth滤波器结构图；
[0041]
图8为本技术提供的定位方法示意图；
[0042]
图9为利用本技术pso优化的pid控制效果实验图；
[0043]
图10为利用本技术进行定位效果仿真实验图。
具体实施方式
[0044]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0045]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
[0047]
实施例1
[0048]
本实施例提供了一种电力系统设备安防定位方法，包括如下步骤：
[0049]
步骤1：获取相机实时采集的图像信息；
[0050]
步骤2：根据采集的图像信息进行入侵物识别判断，若存在入侵物，则控制云台对入侵物进行实时追踪；
[0051]
步骤3：根据云台的转动角度计算目标位置信息；
[0052]
步骤3.1：获取入侵物在图像中所处的目标位置，与相机图像中心点位置进行比较，根据目标位置与中心位置误差进行补偿轴位移，使得入侵物时刻位于图像中心位置；
[0053]
步骤3.2：得到云台两轴分别转动的角度，计算出两台或两台以上云台的位姿信息与原始云台位姿的变化量；
[0054]
步骤3.3：通过aoa算法计算得出入侵物位置信息。
[0055]
入侵物位置坐标与相机间的位置关系可表示为：
[0056][0057]
其中，(x，y)为入侵物位置坐标,相机事先标定的坐标分别为(xi，yi)，αi为云台转动的角度。
[0058]
步骤4：将目标位置信息发送给监控平台。
[0059]
其中，所述云台的控制策略采用三闭环pid，最外层是位置环，用于保证稳态精度和动态的跟踪能力，反馈直接影响系统的精度，内层是速度环和电流环组成双闭环控制系统。
[0060]
其中，所述方法包括利粒子群优化算法对所述pid的参数进行寻优的步骤。
[0061]
其中，所述方法包括在pid控制系统输入前利用iir滤波器对入侵物位置坐标偏移量进行滤波处理的步骤。
[0062]
实施例2
[0063]
本实施例中提供了一种与上述方法相对应地的电力系统设备安防定位装置，包括相机、云台以及控制器；
[0064]
所述相机用于实时采集图像信息；所述云台用于对入侵物的位置进行实时跟踪；所述控制器用于根据采集的图像信息进行入侵物识别判断，若存在入侵物，则控制入侵物位置跟踪单元对入侵物进行实时追踪；另外，用于根据入侵物位置跟踪单元的转动角度计算目标位置信息，并将目标位置信息发送给监控平台。
[0065]
需要说明的是，监控平台可以为安装有相应软件的pc或手机、pad等设备。
[0066]
如图1所示，云台包括底座、电机1、电机2以及连接杆，所述控制器放置于底座下侧，控制器接收采集的数据并进行处理以及控制算法的运行，底座用于将整个装置固定在指定位置，底座上固定着电机2，电机2通过连接杆与电机1连接，电机2能够带动电机1和连接杆进行水平方向的转动；其中连接杆优先采用90
°
连杆，电机1的转轴与90
°
连杆一端连
接，电机2与另一端连接，电机1的转轴连接相机侧面，带动相机进行垂直方向进行旋转，整体来看相机可以在水平以及竖直方向进行两个自由度的转动，对目标进行跟随。
[0067]
需要说明的是，本技术的电机既可以是直流伺服电机也可以使用舵机、步进电机等其它类型的电机；另外，上述为采用的二轴云台，也可以用更多自由度的云台替代，或是其他可以在空间两个垂直方向运动的装置。
[0068]
如图2所示，控制器包括处理器、通信模块、电源模块，所述处理器采用arm高性能深度学习芯片，能够完成图像处理以及主体算法的运行；所述处理器通过usb连接相机，从而获取图像数据流，并传输给处理器进行对入侵物的识别，检测到入侵物后根据相机实时反馈的目标位置与相机中心位置误差进行补偿轴位移，控制两个电机转动，确保入侵物位于视野中心，通过两个电机转动的角度反推出入侵物在该相机中所处的相对位置。
[0069]
优选地，可采用在电机上设置编码器的方式，采集电机转动的角度。编码器采用英飞凌公司的非接触式磁编码器tle5012b。该编码器基于igmr原理，可检测平行于封装表面磁场360
°
变化，分辨率为15位，精度
±
0.1
°
，通过磁编码器记录两个电机的位置信息以及速度信息，并将数据反馈给处理器。编码器既可以是磁编码器也可以是机械式编码器，也可使用imu或其他角位移传感器替代。
[0070]
通信模块包含了与电机通信的rs485部分和与监控平台通信的5g网络通信部分。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。rs485是最常用的一种串行通信接口。5g网络通信模块具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点，因此用来作为连接监控平台的桥梁。电源模块为各个子模块提供电源。
[0071]
本装置系统运行时，处理器通过深度学习训练的模型对入侵物进行识别，识别后将入侵物圈在矩形框内，提取矩形框对角坐标，通过中点坐标公式计算得出矩形框中心坐标，与视野中心进行偏移量计算，得到(δx，δy)如图3所示。
[0072]
为了得到入侵物的位置坐标，需要云台相机时刻将目标锁定在视野中央，跟随目标转动，因此高精度的云台控制方案对整个系统具有至关重要的影响。如图4所示为云台位置控制原理图。期望位置来源于视野中心的像素点坐标，由于本实施例采用640*480分辨率的图像，因此中心点坐标为(320，240)，初始位置是系统启动时安装在云台电机上的两个电机的编码器读数，量测位置是通过磁编码器实时读取估计得到的。
[0073]
为提高本装置中云台的响应速度、控制精度及鲁棒性，云台的控制采用pid方案。pid控制是一种闭环反馈调节方法，通过传感器获取被控制量的实际值，与被控制量的期望值作比较得到误差值，再利用误差来修正系统输出，将输出赋予系统的执行单元，在理想条件下，可使误差无限逼近于零。本系统采用三闭环pid控制策略，最外层是位置环，用于保证稳态精度和动态的跟踪能力，反馈直接影响系统的精度，内层是速度环和电流环组成双闭环控制系统。其中速度环是用来保证云台系统的抗负载扰动的能力并实现稳态无误差，速度环的输入就是位置环pid调节后的输出，其偏差值来自于编码器数值经过微分计算得出的。为了确保云台系统的安全，需要限制电流的最大值。电流环的输入来源于速度环控制器pid整定后的值，其反馈来自于霍尔电流传感器和数字滤波后的三相定子电流值。
[0074]
外层输入位置参考信号，经位置控制器输出速度参考信号；经速度pi控制器输出扭矩参考信号；经电流控制器输出扭矩参考信号。基于三闭环pid实现智能安防系统云台相
机位姿控制的系统框图如图所示。图5中x、y、ω、i分别为x轴位置、y轴位置、转速和电流值。
[0075]
pid控制器由三部分组成，pid控制器通过控制给定值和实际输出值之间的偏差来控制对象。pid控制器公式如下：
[0076][0077]
式中e(t)表示系统误差，u(t)表示设定值，k
p
表示比例系数，ki表示积分系数，kd表示微分系数。
[0078]
外环误差量为角位置，输出角速度期望再输入到中间环，中间环用角速度误差作pid计算，其中量测角速度由编码器给出，内环用电流误差作pid计算，其中量测电流由电流采样传感器给出，内环输出就是系统总的输出，将其叠加到pwm传递给电机驱动器。最终的pid输出值是赋予电子调速器的pwm值。
[0079]
传统的pid控制器在工程系统中应用广泛，云台作为一种非线性、大滞后的控制系统，控制器参数无法整定到最佳状态，控制系统无法取得良好的控制效果。要解决pid的参数难以整定的问题，本文采用粒子群优化算法(particle swarm optimization,pso)对pid的参数进行寻优，从而提高算法的收敛速度以及收敛精度。
[0080]
粒子群优化更新公式为：
[0081]vt+1
＝ωv
t
+c1r1(p
t-x
t
)+c2r2(g
t-x
t
)
[0082]
x
t+1
＝x
t
+v
t+1
[0083]
式中，t为迭代次数，c1、c2表示学习因子，r1、r2是[0,1]区间的随机数v、x分别表示粒子速度和位置，p表示个体粒子目前搜索过的最优位置，g表示整个粒子目前搜索过的最优位置。本专利引入pso算法来优化pid控制器参数，提高了控制精度和系统响应速度，鲁棒性好，改善了控制系统性能。
[0084]
为了增强系统的稳定性，在pid控制系统输入前对入侵物坐标偏移量进行滤波处理，iir滤波包含反馈环路，其输入和输出是相互影响的，它是一种递归型的滤波器。如图6所示。
[0085]
iir滤波器的差分方程形式为：
[0086][0087]
在对系统量测的数据进行iir滤波时，可以采用其一阶形式，一阶iir巴特沃斯(butterworth)低通滤波器为：
[0088][0089]
式中，ωc为滤波器截止角频率，t为采样周期。令ωc＝2πf，式(3-42)的差分方程形式为：
[0090]
y(n)＝(1-2πft)y(n-1)+2πftx(n)
[0091]
一阶butterworth滤波器结构如图7所示：
[0092]
本技术由相机进行定位，先要将至少两个相机置于所需区域，并且使得整个区域被相机所覆盖，目标进入区域时提取至少两个相机视角的目标方向角，然后通过aoa算法解算出目标位置。所谓aoa定位方法就是通过到达角度来进行定位，当目标进入相机可捕捉区
域时，云台相机使用深度学习算法将目标识别出来，并且进行跟踪，云台上的无刷电机所转动的角度即可以用来进行aoa算法解算，将云台相机与目标之间的连线记为方位线，当两台相机分别与目标点所连成的交点进行解算并得到最终位置，示意图如下图8所示：
[0093]
目标位置与相机间的位置关系可表示为：
[0094][0095]
如图8所示设目标在进入视野范围内时的点坐标为(x，y),相机事先标定的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)，通过控制器读取相机的云台装置转动的角度，即可得到αi，最后通过这几个值解算出最终目标所在的位置(x，y)。
[0096]
本发明的技术创新性说明如下：
[0097]
1.目前的安防监控系统过度依赖人类，仍缺乏智能性。本发明采用图像识别的方法对入侵物进行识别判断，并且通过云台进行实时跟随，根据云台转动的角度反推目标的位置信息，并且通过网络将入侵物的位置信息实时传送给终端监控设备，这一过程无需人的参与，可以实现全天候、全自动、无人化的安防监控。
[0098]
2.位置信息由相机跟随目标产生的偏移角来推算，不需要使用卫星定位或其他被动式定位手段即可确定目标位置，大大提高了定位入侵物的效率。
[0099]
3.在面对变电站等复杂环境，不可避免会受到大风、机械震动、负载扰动等多个因素的干扰，这些随机因素会导致云台系统控制精度降低，本装置控制使pso优化的三闭环的pid，可以提高整个系统的响应速度、控制精度及鲁棒性。
[0100]
本专利的技术经过了matlab实验验证。图9所示进行pso优化的pid控制效果实验。图10所示进行定位效果仿真实验。在matlab中生成仿真轨迹的位置数据，然后在云台识别入侵物并转动的角度中加入随机误差，将加入误差后的数据带入aoa算法公式进行位置计算，最终得出定位结果曲线。实验验证中，本专利提出的方法可以准确精确控制云台电机上，并且通过云台电机上转动角度对入侵物进行实时位置计算，有效证明了该方法的可行性与准确性。
[0101]
需要说明的是，本技术中未详述的技术方案，采用公知技术。
[0102]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。