基于激光雷达的变电所带电施工扫描避障技术研究

钱志杰 周冬成 严申劼 万建军 徐建锋＊ 俞开云

（1、绍兴建元电力集团有限公司，浙江 绍兴 312000 2、国网绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

变电所日常关联的电力设备及装置数量是较多的，电路布设繁杂，一旦出现故障，便需要带电施工扫描，在特定的环境下，实现多方向、多目标扫描避障[1]。传统的扫描壁障通常是采用单向识别或者异常捕捉的方式，先对变电所电路异常位置进行定位，与此同时，利用专业的设备，对特定区域扫描识别，进而实现避障的目标[2]。这种方式虽然可以完成预期的避障任务，但是在实际应用的过程中，常常会受到外部因素的影响，造成多维度的避障误差，严重的甚至会对变电所的关联电路造成损坏，形成更大的经济损失[3]。因此，对基于激光雷达的变电所带电施工扫描避障技术进行研究与分析。

1 变电所带电施工扫描避障技术

1.1 ORB 避障特征点提取

激光雷达对于目标对象或者电路异常位置的扫描一般是针对于存在的特征点，依据特征的变动，定位对应的特征点，以此来完成扫描任务[4-6]。可以在变电所施工的过程中，标定区域安装EKF 或者UKF 型号的滤波器，获取基础的避障信号，结合控制平台，获取相机位姿和建图初始数值信息[7]。随后，采用SLAM法建立施工覆盖线程，改进后计算处描述算子。此时的描述点每一个层级均需要设定对应的ORB 特征目标，根据其日常自变化的规律，定位出核心点的异常点，也就是避障特征点。

消除一部分不合理的特征值，计算出此时的初始灰度值，一般需要控制在1.05～2.35 之间即可。将雷达获取的数值与核心异常点相关联，逐渐形成特征描述算子，此时，需要采用二进制的方式，计算出实时灰度值，具体如公式（1）所示：

1.2 近电感应进行多维监测

在变电所中安装信号放大器，将装置捕捉的信号无限放大，确保电压信号与电场强度成正比，形成稳定的监测环境。关联电场及施工区域周围的所有感应装置，控制系统中设定多维监测目标。根据避障需求，不断调整监测距离及范围，明确雷达避障的有效区域。随后，根据上述获取的ORB 避障特征点，采用ORB.SLAM算法计算出避障单元误差，具体如公式（2）所示：

公式（2）中：H 表示避障单元误差，g 表示避障预设距离，β 表示异常算子数量，i 表示单次描述频率，通过上述计算，最终可以得出实际的避障单元误差，划定对应的避障误差标准，通过调整监测维度，结合近电感应技术，完成多方向的避障数据信息实时监测。

1.3 引导式激光电子避障围栏构建

建立平移避障矩阵来搭建电力围栏的框架，在定位到合适的旋转避障点之后，根据电荷的运动规律，结合激光雷达，进行多方向定位，并将提取的特征点进行三角化处理，并形成电子避障描述图示，具体如图1 所示。

根据图1，可以完成对电子避障围栏描述的分析与框架设计。在标定的三角避障范围之内，植入引导式的描述结构，搭配识别指令应用，定位变电所带电施工时的异常位置点，当避障延伸距离到达一定的标准时，预设坐标会与相位坐标系实现重合，激光雷达光心之间的距离通常在10.5 以上。通过激光电子避障围栏，计算出避障的重叠覆盖比，根据得出的避障重叠覆盖比，再结合雷达感应技术，可以进一步明确对施工避障的距离单元区域范围。不断调整引导避障目标，利用激光电子避障围栏，设定对应的避障防护环境，完成对引导式激光电子避障围栏的构建。

图1 电子避障围栏描述图示

1.4 避障监测警报结构建立

针对于变电所带电施工的多元性及灵活性，针对于不同的区域，可以安装关联对应的警报程序。通常可以划定为两种警报形式，分别是屏幕警报和声光警报。在基础场景中设定识别程序，针对于带电物体或者电子围栏作出初始识别，利用激光雷达装置，获取相应的数据及信息，在3D 场景中扫描定向的障碍物。需要注意的是，此时指的障碍物一般是固态障碍物，而针对于动态障碍物，可以采用动态辨识方式，获取激光雷达扫描的点云数据，识别的距离默认为1m。一旦带电施工过程中出现障碍物或者异常，主控系统中会立刻发生警报，在安全范围1m 之内的物体点云数据会显示红色，在2m 左右的物体点云数据显示黄色，2m 之外的显示绿色，同时控制屏端显示“报警：即将发生碰撞”并发出报警声音。

1.5 改进DBSCAN 激光雷达避障模型设计

首先明确警报区域，采用定向操作的方式，转换避障视角远近，左转，右转，对模型进行基础训练。点云控制平台中的LidarService 会选择当前扫描障碍点云对比场景，决定是否发出对应警报。在标定的范围之内，进行避障视角的重置，结合碰撞体的解析原理及点云避障执行视角，计算出单向的避障反射率，具体如公式（3）所示：

1.6 多目标聚类扫描矩阵构建

通常情况下，变电所的代表施工动态性相对较强，并且涉及到多个关联位置，所以，可以采用多目标的聚类避障方式，搭配激光雷达应用。以多目标聚类扫描矩阵的方式展开分析，设定矩阵的单质距离在15m 以上，预设的避障时限在0.2～0.5 之间。划定多目标避障矩阵的原理，完成结构排布设定，在标定的范围之内，利用改进DBSCAN 雷达模型，将所需要避障的区域划分为几簇，每一簇均需要设定关联性较强的避障监测节点，形成任意形状聚类目标，随着变电站电力的供应，电荷移动的方向及状态也会发生相关的变化，形成多维聚类扫描避避障机制，在标定的聚类空间中，关联相应的避障范围，以预设的基础避障目标以及边缘目标设定在矩阵之内，调整相应的指标参数，营造稳定、可靠的聚类扫描避障环境，与避障模型相结合，可以实现首次避障，并完成对多目标聚类扫描矩阵的构建。

1.7 等效多传感处理实现施工扫描避障

在激光雷达行安装一个多传感器，与主控平台相连接。将所有的约束避障指令转化为多传感避让指令，计算得出避障残差项，利用激光雷达在标定的区域之中等效识别扫描，标记区域之内的障碍物，并将图片、视频等资料以特定的信号格式传输至管控平台之中，施工人员可以根据得出的数值尽量避开异常区域。使用二维激光雷达SLAM获取气压计以及超声波传感器收集的数值、信息，待带电施工基本避绕过障碍物时关闭激光雷达，在同一位置上，以不同倾斜角度进行相位对比，并计算出位姿耦合值，具体如公式（4）所示：

2 实例分析

2.1 实力背景

本次主要是对基于激光雷达的变电所带电施工扫描避障技术实际应用效果进行分析与研究。考虑到最终实例分析结果的真实性与可靠性，本文选择绍兴市大兴电气承装有限公司下属的变电所A 作为测试的主要目标对象。设定传统转换避障测试组、传统定向多传感避障测试组、激光雷达避障测试组，以对比的形式展开分析。测试需要在稳定、安全的环境下进行，所以，在测定之前，需要核验设备及装置是否处于稳定的运行状态，并确保不存在影响最终测试结果外部因素，核定无误后，开始实例分析。

2.2 A 变电所避障实证

根据上述多A 变电所带电施工项目的扫描避障现状的分析，结合实际的避障需求及标准，进行实证分析。首先，标定激光类雷达的覆盖范围，在区域之中布设一定数量的雷达避障监测节点。利用激光雷达构建逆观测模型，投入一束激光，当其经过若干栅格后碰到障碍物返回，即可完成设计。计算激光雷达避障测试组响应时间，并进行最终测定分析，具体如表1 所示。

表1 测试结果对比分析表

根据表1，表明在实际应用的过程中，对于施工区域内障碍物的识别速度较迅速，效果更佳，具有实际的应用价值。

结束语

综上所述，便是对基于激光雷达的变电所带电施工扫描避障技术的研究和讨论。与传统的单向避障方法相对比，本文融合激光雷达技术，在上述基础中，进一步扩大了避障的覆盖范围，设定多方向的避障处理目标，加速施工的同时，还可以保证施工人员的安全。激光雷达可以更好地避免避障误差的出现，从根源上增强整体的避障识别精度，将带电施工的水平偏差控制在合理的范围之内，通过功能化及模块化的并行化流处理模式，再结合双目视觉避障辅助平台，逐步营造更加稳定、安全的避障模式，一定程度上简化了变电所整体的管理避障工作，为后续的应用提供理论依据。