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人工智人-家居设计-变电站智能巡检机器人高压隔离开关状态自动识别系统.pdf
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人工智人-家居设计-变电站智能巡检机器人高压隔离开关状态自动识别系统.pdf
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III
and efficiency of matching, the local image template is chosen for the analysis, the
experimental results show that the recognition accuracy rate is 99.75% and the
recognition efficiency is high.
KEY WORDS
:
Intelligent inspection robot, High-voltage isolating switch state
identification, SIFT key detection, Information histogram, SIFT key point matching
analysis
万方数据
IV
目 录
摘 要…………………………………………………………………………….I
ABSTRACT……………………………………………………………………...II
第 1 章 绪论 ........................................................................................................... 1
1.1 课题研究背景及意义 .............................................................................. 1
1.2 电力系统智能巡检机器人研究现状 ...................................................... 4
1.3 物体识别的研究现状 .............................................................................. 5
1.3.1 基于全局特征的物体识别算法研究现状 ................................... 6
1.3.2 基于局部特征的物体识别算法研究现状 ................................... 6
1.4 图像增强技术研究现状 .......................................................................... 8
1.5 变电站高压隔离开关状态自动识别面临困难 ...................................... 9
1.6 本文研究内容 ........................................................................................ 10
第 2 章 智能巡检机器人系统介绍 ..................................................................... 12
2.1 智能巡检机器人系统架构 .................................................................... 12
2.2 智能巡检机器人系统的硬件构成 ........................................................ 13
2.2.1 机械运动部分 ............................................................................. 13
2.2.2 检测及其辅助部分 ..................................................................... 14
2.2.3 控制部分 ..................................................................................... 15
2.3 智能巡检机器人系统的软件设计 ........................................................ 16
2.4 智能巡检机器人导航系统介绍 ............................................................ 18
2.4.1 基于磁导航的最优路径规划 ..................................................... 18
2.4.2 基于图论的智能寻迹方案 ......................................................... 19
2.4.3 机器人导航系统对于隔离开关自动识别的影响 ..................... 20
2.5 本章小结 ................................................................................................ 20
第 3 章 新型信息量直方图在高压隔离开关图像增强中的应用研究 ............. 21
3.1 引言 ........................................................................................................ 21
3.2 传统直方图图像数据描述的缺陷 ........................................................ 21
3.3 基于 SIFT 关键点检测的新型信息量直方图构造方法 ...................... 23
3.3.1 SIFT 关键点检测原理 ................................................................. 23
3.3.1.1 高斯金字塔的构建 .......................................................... 24
3.3.1.2 高斯差分金字塔(DoG)的构建 .................................. 26
万方数据
V
3.3.1.3 局部极值点的检测和筛选 .............................................. 27
3.3.2 基于 SIFT 关键点检测的信息量直方图基本原理及算法描述
...................................................................................................................... 31
3.3.2.1 基本原理 .......................................................................... 31
3.3.2.2 算法描述 .......................................................................... 32
3.4 基于新型信息量直方图构造的图像增强算法 .................................... 33
3.5 实验结果与对比分析 ............................................................................ 34
3.5.1 基于信息量直方图和传统直方图的增强效果对比分析 ......... 34
3.5.2 信息量直方图在隔离开关图像增强中的应用 ......................... 37
3.6 本章小结 ................................................................................................ 42
第 4 章 基于 SIFT 关键点匹配分析的高压隔离开关状态自动识别研究 ....... 43
4.1 引言 ........................................................................................................ 43
4.2 基于 SIFT 关键点匹配分析的目标识别原理 ...................................... 43
4.3 算法描述 ................................................................................................ 44
4.3.1 关键点检测 ................................................................................. 44
4.3.2 关键点描述 ................................................................................. 45
4.3.3 基于关键点匹配分析的目标识别 ............................................. 48
4.3.4 基于 SIFT 关键点匹配分析的高压隔离开关状态识别算法 ... 49
4.4 实验结果与分析 .................................................................................... 50
4.4.1 不同高压隔离开关状态的图像采集 ......................................... 50
4.4.2 基于全景图像匹配的隔离开关状态自动识别结果 ................. 53
4.4.3 基于目标局部图像匹配的隔离开关状态自动识别结果 ......... 54
4.4.4 对比分析与讨论 ......................................................................... 56
4.5 本章小结 ................................................................................................ 63
第 5 章 总结与展望 ............................................................................................. 65
5.1 本论文工作的总结 ................................................................................ 65
5.2 进一步的研究方向 ................................................................................ 65
参考文献 ............................................................................................................... 67
附 录 ............................................................................................................. 72
致 谢 ............................................................................................................. 74
万方数据
第 1 章 绪论
1
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
我国是电力需求大国,随着工业发展和居民生活质量的提高,我国对于电力
的需求逐年攀升,预计由 2010 年到 2020 年电力需求将翻一番
[1]
,因此,电网供
电的可靠性、安全性、稳定性需要适应时代发展要求。近年来,国家电网公司着
力打造坚强智能电网,智能电网高度集成了电网潮流及其他信息,能够实现自动
控制与调节,与运行管理及调度人员实现良好互动,它的建设对电力系统的一二
次设备提出了更高的要求
[2]
。随着计算机、通信、机器人等高新技术的发展,智
能电网技术支持已逐渐具备,同时,输、变、配电设备可靠性的提高为智能电网
提供了硬件基础。智能电网以其低电能损耗,高可靠性等优势蓬勃发展,最终实
现减少碳排放、缓解环境压力的目的,同时具备兼容、高效、自适应等优点。
随着电网一二次设备技术日新月异的发展,变电站自动化、智能化程度大大
提高,无人值守变电站和基地站管理模式推广,变电站智能巡检机器人应运而生。
智能巡检机器人以移动机器人为平台,携带了红外、可见光摄像机等非接触检测
仪器,利用超声、磁探测等多传感技术,经过后台对于声光信号的处理及判断,
为变电站日常工作提供智能保障。该机器人可以随时随地自主智能地对变电站设
备进行巡视、检查、监控,在变电站工作中承担重要任务,提高了变电站管理和
日常工作的自动化水平,为无人值守变电站提供有效的监控手段和安全保证,促
使变电站智能化水平迈上新台阶
[3][4][5]
。目前,我国智能巡检机器人已发展至第
五代,在国家电网公司 28 个网省公司逐步推广应用。它有三方面重要应用:一
是巡检功能,代替人工巡视,实现变电站内一二次设备的外观检查、红外测温、
异常查找及缺陷记录,给运行人员诊断电力设备运行中的故障提供预见性信息及
数据;二是分析与预警功能,针对巡检过程中得到的数据进行分析对比,对于异
常或故障设备,发出警示信号;三是控制功能,智能巡检机器人可由运维人员后
台控制,实现巡视检查。值得一提的是,它还能配合变电站“程序操作”,代替人
工实现断路器、隔离开关操作后状态位置的校核。图 1-1 为智能巡检机器人在执
行巡检任务。
万方数据
第 1 章 绪论
2
图 1-1 变电站智能巡检机器人
变电站日常工作中,倒闸操作是一项基础工作。倒闸操作是指根据操作票,
操作一二次电气设备,改变其运行状态从而改变电网能量输送状态的工作。传统
的倒闸操作需要两至三名运行人员,一人唱票、一人操作、一人监护(或唱票人
监护),占用人力资源大、误操作率较高。随着时代的发展,运行人员缺口,变
电站自动化、无人化的趋势都与传统倒闸操作呈矛盾状态。变电站智能化进程中,
产生了无需人工作业的倒闸操作模式——“程序化操作”。在程序化操作过程中,
倒闸操作票由计算机命令调用相应的存储程序执行,程序化操作将倒闸操作任务
分项,由批处理程序完成,实现了无人值守、无人操作,在保证变电站安全管理
水平的同时,提高了基础工作效率
[6]
。
倒闸操作中,有一项工作非常必要,即查看设备分合位置,涉及到的设备有
高压断路器、高压隔离开关等。由于高压隔离开关需要无电开合,其重要作用之
一就是在设备间形成明显断开点,将设备隔离,对于设备转备用、转检修有着重
要意义。因此,倒闸操作过程中,高压隔离开关位置状态的确认是非常重要的一
步。现有的“程序操作”由于实现自动化、无人化,无法人工现场确认设备分合状
态,虽然有非同源的遥测、遥信信号作为保证,但仍可能存在状态误判,而事实
上,变电站运行规程要求设备的运行状态必须与实际相一致,否则程序化操作过
程的安全、高效将不能保证
[6]
。图 1-2 为操作票中对于隔离开关的操作及位置校
核项目。
现有的变电站智能巡检机器人,理论设计上能够配合程序化操作,在操作任
务执行过程中,“拉、合”隔离开关后,机器人自动规划最优路径移动到目标隔离
开关
[5]
,通过对机器人拍摄目标隔离开关图像的分析,给出高压隔离开关分合状
态判断。但由于变电站设备复杂繁多、室外变电站天气多变、智能巡检机器人定
位存在累积误差,给高压隔离开关现场图像的拍摄带来了一定的干扰,而现有的
自动识别隔离开关分合状态的方法存在通用性差、稳定性不强等缺点,缺乏基于
大数据的实验验证。
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