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一种基于路径动态规划的变电站巡检方法及系统

申请号 CN202311715096.5 申请日 2023-12-14 公开(公告)号 CN117955232A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 贵州电网有限责任公司; 发明人 周仲波; 陈家辉; 肖力; 杨兴强; 陈超人; 李金鑫; 王大力; 李旭; 王楠; 郑磊; 邹胤; 董泽强;
摘要 本 发明 所述方法及系统,涉及电 力 系统与设备维护技术领域包括:采集 深度图 像 和 定位 信息,构建 电子 地图,基于电子地图和环境调整巡检路径规划,通过实时监控对巡检执行进行指导,并对设备故障响应。本发明提供的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法通过采集深度图像和定位信息构建电子地图,引入动态特征点的剔除机制,可以排除因动态目标带来的误差,从而提高地图的准确性为变电站巡检系统提供了空间信息 基础 ,确保了系统的高效、安全和准确运行,同时通过巡检,可以定期对变电站内的设备进行 健康状态 检查,确保正常、稳定地运行,及时发现潜在的问题或故障,从而避免更大的损失或事故,本发明在效率、准确性和安全性方面都取得更加良好的效果。
权利要求

1.一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于,包括:
采集深度图像和定位信息,构建电子地图;
基于电子地图和环境调整巡检路径规划;
通过实时监控对巡检执行进行指导,并对设备故障响应。
2.如权利要求1所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于:所述采集深度图像和定位信息包括通过双目摄像头采集深度图像,通过北斗定位器采集位置信息。
3.如权利要求1所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于:所述构建电子地图包括基于ORB‑SLAM2算法框架,通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图;
输入深度图像序列,选择第一作为初始化帧,提取ORB特征点和描述子,等待下一帧;
对于后续的图像帧,提取ORB特征点和描述子,与初始化帧进行匹配;
若匹配的特征点数量达到2000个,选择帧作为第二帧,否则继续等待下一帧;
根据初始化帧和第二帧的匹配点,使用RANSAC算法输出基础矩阵和单应矩阵,根据重投影误差和场景假设选择模型,根据的模型,使用三化或DLT算法恢复相机位姿和地图点;
基于YOLOv3检测深度图像中的潜在动态目标,利用LK光流估算目标运动并通过对极几何判断动态特征点,判断保留或剔除特定区域的特征;
根据帧的位姿搜索局部地图的关键帧和地图点,使用ORB匹配和优化算法调整帧位姿,并判断是否加入关键帧;
基于关键帧,使用YOLOv3检测结果为图像赋予语义信息,标记动态目标并利用相邻帧弥补丢失信息,产生三维点
将关键帧插入局部地图并更新关系,对关键帧内的特征点进行融合或添加,并进行外点剔除和冗余关键帧删除;
三维点云构成关键帧三维点云PCkf,表示为:
‑1
PCkf={Pi|Pi=π (pi,dpi)}
‑1
其中,π (·)表示二维到三维的逆投影变换,pi为像素点,dpi为深度值,K为定位坐标,Pi为相机坐标系下形成三维点。
4.如权利要求1所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于:所述基于电子地图和环境调整巡检路径规划包括控制中心基于电子地图和预设的巡检安排生成全息投影巡检路径图,并根据环境感应调整;
当巡检人员戴上设备,设备进行生物识别,确定巡检员的身份,根据巡检员的过去记录,生成巡检路径,并实时显示在全息投影中;
可穿戴设备实时感知周围环境,温度、湿度、气体浓度,并根据环境变化动态调整巡检路径,若环境出现异常,设备将全息投影一个虚拟安全路径,指引巡检员离开危险区域;
在全息投影的路径中,除了显示基础的路径和禁区,根据控制中心的任务安排,显示虚拟任务标志,当巡检员靠近标志,设备会展开一个任务链,同时完成一个任务,都会有相应的反馈音效和视觉效果,鼓励巡检员按计划完成任务;
若场地存在三名以上巡检员同时进行任务,可穿戴设备互相感知,展示巡检员的位置,若一个巡检员进入另一个巡检员的预定巡检区域,两者的设备受到警告,并提示调整路径以避免重复工作;
在巡检前,可穿戴设备模拟设备故障、突发火灾,巡检员在模拟情境中进行训练。
5.如权利要求1所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于:所述基于电子地图和环境调整巡检路径规划包括通过D算法从目标点出发,输出路径,表示为:
f(n)=g(n)+h(n)
其中,f(n)为节点n的总代价,g(n)为从起始点到节点n的实际代价,h(n)为从节点n到目标点的启发代价;
定义节点状态向量,表示为:
其中, 为定义节点状态向量;
利用旋转矩阵来表示节点间的关系,表示为:
其中,θ为基于节点间代价变化的角度,c(n,m)为从节点n到m的代价;
更新函数,表示为:
其中, 为节点间代价的变化;
环境变化下的代价修正表示为,当节点间代价c(n,m)发生变化时,根据代价的增加和减少,更新RAISE或LOWER集合;
对于RAISE集合中的每个元素,重新计算影响路径的代价并更新;
对于LOWER集合中的每个元素,重新寻找路径。
6.如权利要求1所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于:所述通过实时监控对巡检执行进行指导包括通过检测巡检人员的位置信息与预设巡检路线进行比较,对于巡检人员偏离巡检路径做出预警;
若巡检员即将偏离预定路径,设备的全息投影上会显示动态红色警告标记,并伴随语音提示;
设备将根据周围环境的亮度自动调整全息投影的亮度;
若巡检员靠近禁区或高险区,设备会进行振动和声音警告,并全息投影显示危险,同时自动发送紧急消息到控制中心;
巡检员在检查电气设备时,设备将自动记录并同步检查状态到控制中心;
若巡检员遇到紧急情况,按下可穿戴设备上设置的一个虚拟SOS按钮,控制中心将立刻收到紧急信号,同时设备会根据最近的安全出口全息投影出一个逃生路径。
7.如权利要求1所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,其特征在于:所述对设备故障响应包括设备监测装置监测电气设备的健康状态,上报控制中心同时更新电子地图,引导巡检人员按照更新后的路线继续进行巡检,以确保人员安全;
当设备监测到电器故障,可穿戴设备会提示巡检员进行确认,巡检员通过语音或手势反馈确认信息;
若确认设备故障,电子地图寻找附近巡检员,发出全息投影任务提示,同时,其他巡检员的路径也会进行微调以适应新的情况;
巡检员靠近故障设备时,可穿戴设备显示设备的维护记录、故障历史信息;
若巡检员无法处理故障,巡检员通过穿戴设备发起实时的协作请求,在线的技术专家实时观测巡检员的视角并给出建议。
8.一种采用如权利要求1~7任一所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的系统,其特征在于:包括电子地图构建模,变电站巡检模块,故障反映模块;
所述电子地图构建模块用于通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图;
所述变电站巡检模块用于检测设备健康状态,对环境实时监测,并对数据收集上传;
所述故障反应模块用于快速对故障设备区域做出反应,确保实时响应、安全防护和优化资源分配。
9.一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的步骤。

说明书全文

一种基于路径动态规划的变电站巡检方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电系统与设备维护技术领域,具体为一种基于路径动态规划的变电站巡检方法及系统。

背景技术

[0002] 变电站是整个电网正常运行的关键因素,是连接电源和用户的中心枢纽,变电站发生安全险将直接影响用户端与电源端的正常连接,如若处理不及时将影响电网的稳定性,严重的会导致大规模的停电。目前巡检工作主要以人工巡检为主,但变电站建筑面积较大,且作为典型的高危工作区域,站内巡检线路纵横交错,电器设备相似,巡检人员单次巡检工作量大,耗时长,在实际巡检执行过程中,巡视人员自身知识平、责任意识以及巡视路线合理性都对人员的安全性有着较高的要求,同时也影响变电站的巡检效果。
[0003] 现有方法包括:可穿戴MR设备模,扫描巡检变电站的室内信息,获取粗糙的表面数据;后台服务器,包括Unity图像处理模块以及遗传算法模块,Unity图像处理模块对可穿戴MR设备模块获取的粗糙表面数据进行处理,后台服务器根据巡检任务清单上列出的设备以及Unity图像处理模块的处理结果,调取遗传算法模块生成室内路径规划;通信层模块,可穿戴MR设备模块通过通信层模块与后台服务器模块进行信息的双向传输。
[0004] 上述方法是基于静态的地图生成室内路径规划,并未考虑到变电站的电气设备故障时也存在较大的安全隐患,若按原路径进行巡检,将会为巡检人员带来危险。

发明内容

[0005] 鉴于上述存在的问题,提出了本发明。
[0006] 因此,本发明解决的技术问题是:现有的变电站巡检路径规划方法存在现场信息采集不全面,故障响应慢,成本较高,以及动态路径规划不合理的优化问题。
[0007] 为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,包括:采集深度图像和定位信息,构建电子地图,基于电子地图和环境调整巡检路径规划,通过实时监控对巡检执行进行指导,并对设备故障响应。
[0008] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的一种优选方案,其中:所述采集深度图像和定位信息包括通过双目摄像头采集深度图像,通过北斗定位器采集位置信息。
[0009] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的一种优选方案,其中:所述构建电子地图包括基于ORB‑SLAM2算法框架,通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图;
[0010] 输入深度图像序列,选择第一作为初始化帧,提取ORB特征点和描述子,等待下一帧;
[0011] 对于后续的图像帧,提取ORB特征点和描述子,与初始化帧进行匹配;
[0012] 若匹配的特征点数量达到2000个,选择帧作为第二帧,否则继续等待下一帧;
[0013] 根据初始化帧和第二帧的匹配点,使用RANSAC算法输出基础矩阵和单应矩阵,根据重投影误差和场景假设选择模型,根据的模型,使用三化或DLT算法恢复相机位姿和地图点;
[0014] 基于YOLOv3检测深度图像中的潜在动态目标,利用LK光流估算目标运动并通过对极几何判断动态特征点,判断保留或剔除特定区域的特征;
[0015] 根据帧的位姿搜索局部地图的关键帧和地图点,使用ORB匹配和优化算法调整帧位姿,并判断是否加入关键帧;
[0016] 基于关键帧,使用YOLOv3检测结果为图像赋予语义信息,标记动态目标并利用相邻帧弥补丢失信息,产生三维点
[0017] 将关键帧插入局部地图并更新关系,对关键帧内的特征点进行融合或添加,并进行外点剔除和冗余关键帧删除;
[0018] 三维点云构成关键帧三维点云PCkf,表示为:
[0019] PCkf={Pi|Pi=π‑1(pi,dpi)}
[0020] 其中,π‑1(·)表示二维到三维的逆投影变换,pi为像素点,dpi为深度值,K为定位坐标,Pi为相机坐标系下形成三维点。
[0021] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的一种优选方案,其中:所述基于电子地图和环境调整巡检路径规划包括控制中心基于电子地图和预设的巡检安排生成全息投影巡检路径图,并根据环境感应调整;
[0022] 当巡检人员戴上设备,设备进行生物识别,确定巡检员的身份,根据巡检员的过去记录,生成巡检路径,并实时显示在全息投影中;
[0023] 可穿戴设备实时感知周围环境,温度、湿度、气体浓度,并根据环境变化动态调整巡检路径,若环境出现异常,设备将全息投影一个虚拟安全路径,指引巡检员离开危险区域;
[0024] 在全息投影的路径中,除了显示基础的路径和禁区,根据控制中心的任务安排,显示虚拟任务标志,当巡检员靠近标志,设备会展开一个任务链,同时完成一个任务,都会有相应的反馈音效和视觉效果,鼓励巡检员按计划完成任务;
[0025] 若场地存在三名以上巡检员同时进行任务,可穿戴设备互相感知,展示巡检员的位置,若一个巡检员进入另一个巡检员的预定巡检区域,两者的设备受到警告,并提示调整路径以避免重复工作;
[0026] 在巡检前,可穿戴设备模拟设备故障、突发火灾,巡检员在模拟情境中进行训练。
[0027] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的一种优选方案,其中:所述基于电子地图和环境调整巡检路径规划包括通过D算法从目标点出发,输出路径,表示为:
[0028] f(n)=g(n)+h(n)
[0029] 其中,f(n)为节点n的总代价,g(n)为从起始点到节点n的实际代价,h(n)为从节点n到目标点的启发代价;
[0030] 定义节点状态向量,表示为:
[0031]
[0032] 其中, 为定义节点状态向量;
[0033] 利用旋转矩阵来表示节点间的关系,表示为:
[0034]
[0035]
[0036] 其中,θ为基于节点间代价变化的角度,c(n,m)为从节点n到m的代价;
[0037] 更新函数,表示为:
[0038]
[0039] 其中, 为节点间代价的变化;
[0040] 环境变化下的代价修正表示为,当节点间代价c(n,m)发生变化时,根据代价的增加和减少,更新RAISE或LOWER集合;
[0041] 对于RAISE集合中的每个元素,重新计算影响路径的代价并更新;
[0042] 对于LOWER集合中的每个元素,重新寻找路径。
[0043] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的一种优选方案,其中:所述通过实时监控对巡检执行进行指导包括通过检测巡检人员的位置信息与预设巡检路线进行比较,对于巡检人员偏离巡检路径做出预警;
[0044] 若巡检员即将偏离预定路径,设备的全息投影上会显示动态红色警告标记,并伴随语音提示;
[0045] 设备将根据周围环境的亮度自动调整全息投影的亮度;
[0046] 若巡检员靠近禁区或高风险区,设备会进行振动和声音警告,并全息投影显示危险,同时自动发送紧急消息到控制中心;
[0047] 巡检员在检查电气设备时,设备将自动记录并同步检查状态到控制中心;
[0048] 若巡检员遇到紧急情况,按下可穿戴设备上设置的一个虚拟SOS按钮,控制中心将立刻收到紧急信号,同时设备会根据最近的安全出口全息投影出一个逃生路径。
[0049] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的一种优选方案,其中:所述对设备故障响应包括设备监测装置监测电气设备的健康状态,上报控制中心同时更新电子地图,引导巡检人员按照更新后的路线继续进行巡检,以确保人员安全;
[0050] 当设备监测到电器故障,可穿戴设备会提示巡检员进行确认,巡检员通过语音或手势反馈确认信息;
[0051] 若确认设备故障,电子地图寻找附近巡检员,发出全息投影任务提示,同时,其他巡检员的路径也会进行微调以适应新的情况;
[0052] 巡检员靠近故障设备时,可穿戴设备显示设备的维护记录、故障历史信息;
[0053] 若巡检员无法处理故障,巡检员通过穿戴设备发起实时的协作请求,在线的技术专家实时观测巡检员的视角并给出建议。
[0054] 本发明的另外一个目的是提供一种基于路径动态规划的变电站巡检系统,其能通过设备监测装置、可穿戴设备和控制中心引导各巡检人员按照规划的路径完成巡检,解决了目前的变电站巡检路径规划方法未考虑到变电站的电气设备故障时也存在较大安全隐患的问题。
[0055] 作为本发明所述的一种基于路径动态规划的变电站巡检系统的一种优选方案,其中:包括电子地图构建模块,变电站巡检模块,故障反应模块;所述电子地图构建模块用于通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图;所述变电站巡检模块用于检测设备健康状态,对环境实时监测,并对数据收集上传;所述故障反应模块用于快速对故障设备区域做出反应,确保实时响应、安全防护和优化资源分配。
[0056] 一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序是实现一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的步骤。
[0057] 一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的步骤。
[0058] 本发明的有益效果:本发明提供的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法通过采集深度图像和定位信息构建电子地图,引入动态特征点的剔除机制,可以排除因动态目标带来的误差,从而提高地图的准确性为变电站巡检系统提供了空间信息基础,确保了系统的高效、安全和准确运行,同时通过巡检,可以定期对变电站内的设备进行健康状态检查,确保它们正常、稳定地运行,及时发现潜在的问题或故障,从而避免更大的损失或事故,本发明在效率、准确性和安全性方面都取得更加良好的效果。附图说明
[0059] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
[0060] 图1为本发明第一个实施例提供的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的整体流程图
[0061] 图2为本发明第一个实施例提供的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的技术方案图。
[0062] 图3为本发明第一个实施例提供的一种基于路径动态规划的变电站巡检方法的巡检流程图。
[0063] 图4为本发明第三个实施例提供的一种基于路径动态规划的变电站巡检系统的整体流程图。

具体实施方式

[0064] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明的保护的范围。
[0065] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0066] 其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0067] 本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0068] 同时在本发明的描述中,需要说明的是,术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一,第二或第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0069] 本发明中除非另有明确的规定和限定,术语“安装、相连、连接”应做广义理解,例如:可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接;同样可以是机械连接、电连接或直接连接,也可以通过中间媒介间接相连,也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0070] 实施例1
[0071] 参照图1‑3,为本发明的一个实施例,提供了一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,包括:
[0072] S1:采集深度图像和定位信息,构建电子地图。
[0073] 更进一步的,系统主要包括设备监测装置、可穿戴设备和控制中心,其中,可穿戴设备为头戴式设备,包括双目摄像头(采集深度图像),北斗定位器(采集位置信息),MR全息投影(投影巡检路径和变电站禁区)和内置计算芯片。可穿戴设备的功能包含两个模块:地图构建模块和变电站巡检模块。
[0074] 应说明的是,在地图构建模块中,通过工作人员佩戴的可穿戴设备采集深度图像和定位信息,在ORB‑SLAM2算法框架基础上,通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图,再将构建好的电子地图发送至控制中心,以用于后续变电站全局地图的更新。
[0075] 还应说明的是,基于ORB‑SLAM2算法框架,通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图;
[0076] 输入深度图像序列,选择第一帧作为初始化帧,提取ORB特征点和描述子,等待下一帧;
[0077] 对于后续的图像帧,提取ORB特征点和描述子,与初始化帧进行匹配;
[0078] 若匹配的特征点数量达到2000个,选择该帧作为第二帧,否则继续等待下一帧;
[0079] 根据初始化帧和第二帧的匹配点,使用RANSAC算法输出基础矩阵和单应矩阵,根据重投影误差和场景假设选择模型,根据的模型,使用三角化或DLT算法恢复相机位姿和地图点。
[0080] 更进一步的,动态特征点剔除,跟踪质量和局部地图的大小,语义建图,局部构图;
[0081] 基于YOLOv3检测深度图像中的潜在动态目标,利用LK光流估算目标运动并通过对极几何判断动态特征点,判断保留或剔除特定区域的特征;
[0082] 根据帧的位姿搜索局部地图的关键帧和地图点,使用ORB匹配和优化算法调整帧位姿,并判断是否加入关键帧;
[0083] 基于关键帧,使用YOLOv3检测结果为图像赋予语义信息,标记动态目标并利用相邻帧弥补丢失信息,产生三维点云;
[0084] 将关键帧插入局部地图并更新关系,对关键帧内的特征点进行融合或添加,并进行外点剔除和冗余关键帧删除。
[0085] 应说明的是,电子地图的构建方法包括:(1)初始化:对于输入的深度图像序列,选择第一帧作为初始化帧,提取ORB特征点和描述子,然后等待下一帧;对于后续的图像帧,提取ORB特征点和描述子,然后与初始化帧进行匹配,如果匹配的特征点数量足够多且分布合理,就选择该帧作为第二帧,否则继续等待下一帧。然后根据初始化帧和第二帧的匹配点,使用RANSAC算法分别计算基础矩阵和单应矩阵,然后根据重投影误差和场景假设选择合适的模型。根据选择的模型,使用三角化或DLT算法恢复相机位姿和地图点。
[0086] (2)动态特征点剔除:首先将原始深度图像输入目标检测模块,利用YOLOv3算法得到每一帧图像的潜在目标区域,对连续两帧图像内的潜在动态目标区域计算稀疏LK(Lucas‑Kanade)光流金字塔,获得若干对无需描述子的光流匹配点对,根据这些光流匹配点对恢复出两帧之间的相对变换关系,利用该相对变换关系和上一帧中的ORB关键点,得到当前帧中的极线。基于对极几何理论,根据当前帧上ORB关键点到极线的距离来判断该ORB关键点是否为动态特征点(距离大于1为动态特征点)。最后遍历潜在动态目标区域内的所有特征点,根据其中动态特征点的占比来判断该潜在动态目标是否在运动,如果被判定为真正的动态目标,那么删除该区域内的所有特征点都会被剔除,剩余的特征点保留至后续跟踪和语义建图时使用。
[0087] (3)跟踪:根据当前帧的位姿,搜索局部地图中的关键帧和地图点,使用ORB匹配器找到更多的匹配点,然后使用优化器优化当前帧的位姿和地图点的位置。根据当前帧的跟踪质量和局部地图的大小,判断是否需要将当前帧插入局部地图作为新的关键帧。
[0088] (4)语义建图:将跟踪步骤中生成的关键帧作为语义建图的基础,并结合YOLOv3目标检测结果,对这些关键帧进行处理。结合当前关键帧所对应的深度图,根据目标检测框的平均深度来判断物体的前后关系。其次所有被判定为潜在动态目标的检测框,会被填充为白色。在语义建图过程中,白色就被认为是丢弃的像素点,不会参与建图任务,而由白色带来的空缺的部分会由前后多张相邻的关键帧进行弥补。
[0089] 记处理后的关键帧上的每个像素点为pi,根据对应的深度值dpi和定位坐标K投影到相机坐标系下形成3维点Pi,所有的3维点就构成了当前关键帧对应的3维点云PCkf,具体‑1 ‑1公式为PCkf={Pi|Pi=π (pi,dpi)}。其中,π (·)表示2维到3维的逆投影变换。
[0090] (5)局部构图:如果当前帧被判断为新的关键帧,就将其插入局部地图,并更新其词袋向量和共视关系。对于当前关键帧的每一个地图点,搜索其共视关键帧中的匹配点,如果存在重复的地图点,就将它们融合为一个。对于当前关键帧的每一个未匹配的特征点,搜索其共视关键帧中的匹配点,如果满足几何和光度条件,就使用三角化算法创建新的地图点,并更新其观测关系。对于当前关键帧和其共视关键帧,以及它们观测到的地图点,构建重投影误差方程,使用优化器优化它们的位姿和位置,然后剔除外点。对于局部地图中的每一个关键帧,计算其冗余度,如果冗余度过高,就将其从局部地图中剔除
[0091] S2:基于电子地图和环境调整巡检路径规划。
[0092] 更进一步的,巡检时,控制中心基于电子地图和预设的巡检安排生成相应的巡检路径图,各巡检人员戴上可穿戴设备后,相应的巡检路径图传输至可穿戴设备,并通过该设备进行全息投影显示,以引导巡检人员根据对应的路径图进行巡检;另外,控制中心还发送变电站的禁区范围至可穿戴设备,以在可穿戴设备中同步进行全息投影显示。
[0093] 应说明的是,控制中心基于电子地图和预设的巡检安排生成全息投影巡检路径图,并根据环境感应调整;
[0094] 当巡检人员戴上设备,设备进行生物识别,确定巡检员的身份,根据巡检员的过去记录,生成巡检路径,并实时显示在全息投影中;
[0095] 可穿戴设备会实时感知周围环境,温度、湿度、气体浓度,并根据环境变化动态调整巡检路径,若环境出现异常,设备将全息投影一个虚拟安全路径,指引巡检员迅速离开危险区域;
[0096] 在全息投影的路径中,除了显示基础的路径和禁区,还将根据控制中心的任务安排,在某些区域显示虚拟任务标志,当巡检员靠近标志,设备会展开一个任务链,同时完成一个任务,都会有相应的反馈音效和视觉效果,鼓励巡检员按计划完成任务;
[0097] 若场地较大,多名巡检员同时进行任务,可穿戴设备互相感知,展示巡检员的位置,若一个巡检员进入另一个巡检员的预定巡检区域,两者的设备都会收到警告,并提示调整路径以避免重复工作;
[0098] 在巡检前,可穿戴设备模拟设备故障、突发火灾,并提醒巡检员如何应对,同时巡检员在模拟情境中进行训练,提高应对突发事件的能力。
[0099] 还应说明的是,通过D算法从目标点出发,输出路径,表示为:
[0100] f(n)=g(n)+h(n)
[0101] 其中,f(n)为节点n的总代价,g(n)为从起始点到节点n的实际代价,h(n)为从节点n到目标点的启发代价;
[0102] 定义节点状态向量,表示为:
[0103]
[0104] 其中, 为定义节点状态向量;
[0105] 利用旋转矩阵来表示节点间的关系,表示为:
[0106]
[0107]
[0108] 其中,θ为基于节点间代价变化的角度,c(n,m)为从节点n到m的代价;
[0109] 更新函数,表示为:
[0110]
[0111] 其中, 为节点间代价的变化;
[0112] 环境变化下的代价修正表示为,当节点间代价c(n,m)发生变化时,根据代价的增加和减少,更新RAISE或LOWER集合;
[0113] 对于RAISE集合中的每个元素,重新计算影响路径的代价并更新;
[0114] 对于LOWER集合中的每个元素,重新寻找路径。
[0115] S3:通过实时监控对巡检执行进行指导,并对设备故障响应。
[0116] 更进一步的,巡检过程中,可穿戴设备通过检测巡检人员的位置信息与预设巡检路线进行比较,对于巡检人员偏离巡检路径做出预警,同时,控制中心通过可穿戴设备的定位装置实时接收各巡检人员当前的位置信息,并记录巡检人员的历史巡检路径,确保各工作人员按照规定路径进行巡检,避免漏检;另外,可穿戴设备通过将巡检人员的当前位置信息与实时的变电站禁区范围进行比较,如果发现巡检人员位于禁区内则对巡检人员警告,并同步发送给控制中心。巡检人员通过可穿戴设备直接记录电器设备的状态数据(拍照、录像等)。
[0117] 应说明的是,当设备监测装置监测到某一电器设备疑似故障或某一巡检人员检查到某一电器设备存在故障时,通过可穿戴设备对控制中心上报电气设备的健康状态。控制中心根据该电器设备的健康状态实时更新电子地图,此时更新后的地图将该电器设备所在区域划入危险区域,并基于更新后的地图同步调整巡检路径图,再将调整好的路径图传输至各可穿戴设备,以覆盖原先的巡检路径图,从而引导其他巡检人员按照更新后的路线继续进行巡检,以确保人员安全。
[0118] 特殊的是,若是由设备监测装置监测到的设备疑似故障,则控制中心对定位信息距离该故障设备最近的巡检人员的巡检路径图中增加该设备的故障排查工作,引导该人员先前往对应设备处进行故障确认。
[0119] 还应说明的是,通过检测巡检人员的位置信息与预设巡检路线进行比较,对于巡检人员偏离巡检路径做出预警;
[0120] 若巡检员即将偏离预定路径,设备的全息投影上会显示动态红色警告标记,并伴随语音提示;
[0121] 设备将根据周围环境的亮度自动调整全息投影的亮度,确保巡检员在任何光线条件下都能清晰地看到投影路径;
[0122] 若巡检员靠近禁区或高风险区,设备会进行振动和声音警告,并全息投影显示危险,同时自动发送紧急消息到控制中心;
[0123] 巡检员在检查电气设备时,设备将自动记录并同步检查状态到控制中心;
[0124] 若巡检员遇到紧急情况,按下可穿戴设备上设置的一个虚拟SOS按钮,控制中心将立刻收到紧急信号,同时设备会根据最近的安全出口全息投影出一个逃生路径。
[0125] 更进一步的,设备监测装置监测电气设备的健康状态,上报控制中心同时更新电子地图,引导巡检人员按照更新后的路线继续进行巡检,以确保人员安全;
[0126] 当设备监测到电器故障,可穿戴设备会提示巡检员进行确认,巡检员通过语音或手势反馈确认信息;
[0127] 若确认有设备故障,电子地图会寻找附近巡检员,发出全息投影任务提示,同时,其他巡检员的路径也会进行微调以适应新的情况;
[0128] 巡检员靠近故障设备时,可穿戴设备会显示设备的维护记录、故障历史信息;
[0129] 若故障较为复杂,巡检员通过可穿戴设备发起一个实时的协作请求,在线的技术专家实时观测巡检员的视角并给出建议。
[0130] 应说明的是,具体的,电子地图的实时更新方法为:使用可见性图(Visibility Graph)来表示地图,使用已知故障的电器设备的信息来确定地图中的障碍物来更新可见性图:
[0131] 将地图中的障碍物用多边形表示,将多边形的顶点作为可见性图的节点,对于每一对节点,如果它们之间没有被其他多边形遮挡,则在它们之间添加一条边,表示它们之间是可见的。
[0132] 选择一个起点和一个终点,将它们也加入可见性图中,并与其他可见的节点相连。
[0133] 使用动态规划算法,从起点开始,计算每个节点到终点的最短距离,并记录前驱节点。
[0134] 从终点开始,根据前驱节点回溯,得到从起点到终点的最优路径。
[0135] 还应说明的是,其中基于动态环境的路径规划算法,使用D*算法(一种增量式路径规划算法,能够在环境发生变化时,快速地更新最优路径)。
[0136] 首先从目标点出发,计算每个节点的启发值(h值),并将其存储在一个开放列表中。然后,从起始点出发,根据每个节点的启发值和实际代价(g值),选择最小的f值(f=g+h)的节点作为下一个节点,直到到达目标点。如果在搜索过程中,发现某些节点的实际代价发生了变化(例如障碍物出现或消失),则需要对这些节点进行修正,并将它们的邻居节点加入一个修正列表中。然后,根据修正列表中的节点,更新开放列表中的节点的启发值,并重新搜索最优路径。
[0137] D*算法的公式如下:
[0138] f(n)=g(n)+h(n)
[0139] 其中,f(n)表示节点n的总代价,g(n)表示从起始点到节点n的实际代价,h(n)表示从节点n到目标点的启发代价。
[0140] D*算法的伪代码如下:
[0141] //D*算法求解动态环境中的路径规划问题
[0142] //输入:起始点s和目标点g
[0143] //输出:从s到g的最优路径
[0144] D‑STAR(s,g)
[0145] OPEN={g}//开放列表
[0146] CLOSED={}//关闭列表
[0147] h(g)=0//目标点的启发值为0
[0148] g(g)=0//目标点的实际代价为0
[0149] f(g)=0//目标点的总代价为0
[0150] whileOPENisnotempty
[0151] n=thenodeinOPENwiththesmallestfvalue//选择最小f值的节点
[0152] removenfromOPEN//移除该节点
[0153] addntoCLOSED//加入关闭列表
[0154] foreachneighbormofn//遍历邻居节点
[0155] ifmisnotinCLOSED//如果不在关闭列表中
[0156] ifmisnotinOPEN//如果不在开放列表中
[0157] g(m)=∞//初始化实际代价为无穷大
[0158] h(m)=h(n)+c(n,m)//计算启发值
[0159] update(m,n)//更新m的f值和父节点
[0160] returnFAILURE//没有找到路径
[0161] //更新节点m的f值和父节点
[0162] update(m,n)
[0163] ifg(m)>g(n)+c(n,m)//如果有更小的实际代价
[0164] g(m)=g(n)+c(n,m)//更新实际代价
[0165] parent(m)=n//更新父节点
[0166] ifmisnotinOPEN//如果不在开放列表中
[0167] addmtoOPENwithf(m)=g(m)+h(m)//加入开放列表并计算f值
[0168] //当环境变化时,修正受影响的节点
[0169] revise()
[0170] RAISE={}//增加代价的节点集合
[0171] LOWER={}//减少代价的节点集合
[0172] foreachnodenwhosecvaluehaschanged//遍历代价变化的节点
[0173] foreachneighbormofn//遍历邻居节点。
[0174] ifc(n,m)hasincreased//如果代价增加了。
[0175] add(n,m)toRAISE//加入增加集合。
[0176] elseifc(n,m)hasdecreased//如果代价减少了。
[0177] add(n,m)toLOWER//加入减少集合。
[0178] 实施例2
[0179] 本发明的一个实施例,提供了一种基于路径动态规划的变电站巡检方法,为了验证本发明的有益效果,通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
[0180] 首先,选择一个中型变电站,在此变电站内部设置10个模拟故障点和5个模拟环境风险点,分别为使用本发明的组(A组)和使用传统技术的组(B组)制定固定的巡检任务。
[0181] 同时启动两组的巡检。记录以下数据:完成巡检所需的总时间;每组成功识别的故障点和风险点数量;面对风险点时,每组的平均响应时间。
[0182] 表1实验结果对比表
[0183] 指标/组别 A组(本发明) B组(传统技术)完成巡检时间 60分钟 90分钟
识别的故障点 9/10 7/10
识别的风险点 5/5 3/5
平均响应时间(风险点) 1分钟 4分钟
[0184] 从实验结果对比表中可以清晰看出:使用本发明的A组比使用传统技术的B组更快地完成了巡检,节省了30分钟。A组识别出了90%的故障点,而B组只识别出了70%。A组完全识别出了所有风险点,而B组仅识别了60%。面对风险点时,A组的平均响应时间为1分钟,而B组为4分钟。
[0185] 综上所述,我方发明在效率、准确性和安全性上是一种优选方案。
[0186] 实施例3
[0187] 参照图4,为本发明的一个实施例,提供了一种基于路径动态规划的变电站巡检系统,包括:电子地图构建模块,变电站巡检模块,故障反映模块。
[0188] 其中电子地图构建模块用于通过引入动态特征点剔除和语义建图构建变电站的电子地图,变电站巡检模块用于检测设备健康状态,对环境实时监测,并对数据收集上传,故障反应模块用于快速对故障设备区域做出反应,确保实时响应、安全防护和优化资源分配。
[0189] 功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘只读存储器(ROM,Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0190] 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤,例如,可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表,可以具体实现在任何计算机可读介质中,以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用,或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言,“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0191] 计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外,计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质,因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描,接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序,然后将其存储在计算机存储器中。
[0192] 应当理解,本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0193] 应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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