CN102401648B - 一种关于高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供了一种可用性高，有效性好的基于无线视频传感器网络的高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统，包括视频检测模块、无线发送模块、数据处理服务器，其特征在于，视频检测模块拍摄电力线图像后通过无线发送模块将图像数据传输给数据处理服务器；数据处理服务器进行图像处理。

Description

一种关于高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统

技术领域

本发明涉及高压电线路的安全监测领域。

背景技术

随着经济的高速发展，高压输电线路越来越多，其分布广、环境复杂的特点，使输电线路的监控和维护很困难。目前影响电力设备安全的主要因素可以归结为：

1、人为因素主要表现为偷盗、攀爬塔架、违章施工等。

2、自然因素主要表现为雷击、暴风雨雪、山体滑坡等。

上述因素都会对塔架和输电线产生短期和长期的影响，如果不能对故障快速判别和处理，会对电力系统和人们的生产及生活造成严重的损失。

目前国内外高压线的检查多采用直升机巡线的方式，此方法最大的缺陷是安全问题，飞机出行受天气的影响大，且成本非常高。20世纪80年代末开始，国外开始研究巡线机器人。近期，国内也有机构设计了该类机器人，但其系统复杂，运行稳定性及检测范围都存在一定得问题，且能耗成了该系统的瓶颈。近年来，随着无线传感网技术的发展，应用该技术解决电力线安全问题成为可能。高压塔架监控系统采用无线方式安全问题成为可能。高压塔架监控系统采用无线方式主要有以下两方面优点：一方面，有线网的布线及改线工程庞大、易受损不可移动，而无线方式很好地克服了高压线路监控范围广的限制；另一方面，高压线路不允许监控设备直接在线路上取电源.而无线方式拥有低能耗的特性。当前，国家电力建设研究所采用了克尔斯博科技公司研发的无线传感器网络产品，用于监测大跨距输电线路的应力、温度和震动等参数。但是，目前无线传感网在电力系统的应用仅仅是初步研究，其在电源供应、路由协议、检测算法等方面还需要进行深入地研究。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种可用性高，有效性好的基于无线视频传感器网络的高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种关于高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统，包括视频检测模块、无线发送模块、数据处理服务器，其特征在于，视频检测模块拍摄铁塔底部附近位置图像后通过无线发送模块将图像数据传输给数据处理服务器；数据处理服务器进行铁塔底部附近倾斜和垂直便宜测量；确定摄像机坐标系中两次摄像机变化的距离；计算旋转角度和垂直偏移值并设定阈值；超过阈值报警。

高压输电线路杆塔倾斜的视频监测方法，其特征在于：

(1)标定摄相机，求解相机内外参数基准坐标cx，cy；

(2)以定标点在图像中的坐标和其实际的三维坐标计算摄相机的外参，也就是旋转平移向量；

(3)用相机的外参与定标点两个矩阵的乘积确定定标点在摄像机坐标系中的坐标；

(4)求解摄像机偏移后相机的外参数；

(5)将外参值转换到摄像机坐标系中，确定在摄像机坐标系中摄像机到定标点的距离；

(6)计算摄像机坐标系中两次摄像机变化的距离；

(7)根据余弦定理求解旋转的角度，再根据铁塔的高度计算垂直偏移数，并设定阈值，一旦角度及垂直偏移数超过阈值发出警报。

进一步技术方案为，求解外参的公式如下：

s·m′＝A·[R|t]·M′或者

$s\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{fx}& 0& \mathrm{cx}\\ 0& \mathrm{fy}& \mathrm{cy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& t_1\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& t_2\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& t_3\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$

其中X，Y，Z是一个点的世界坐标，u，v是点投影在图像平面的坐标，以像素为单位，S是标定系数，A为摄像机矩阵或者内参数矩阵，[R|t]为外参矩阵，cx，cy是基准点，所述基准点通常在图像的中心，fx，fy是以像素为单位的焦距。

本发明相对于现有技术，具有以下优点和效果：

本发明提供的一种关于高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统，能够实时监控和检测电力线及铁塔的安全情况，如果一旦有电力线或者铁塔产生危害的情况发生，系统会自动报警，并发送相应的图片或视频供人们参考然后做出相应的举措避免更严重的情况发生。本系统显著地提高了电力线铁塔的安全性和稳定性，克服了人力线路巡检的困难和检测有盲区的问题，成本低，可靠性能高。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本方案做进一步描述：

结合附图，本方案所述的一种关于高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统，包括视频检测模块1，无线发送模块2，数据处理服务器3，本系统由基站、节点构成，节点分布在各个塔架上，每个节点包括视频检测模块1和无线发送模块2，当检测到有危害电力线或者铁塔的情况时，通过无线发送模块2发送数据给数据处理服务器3，数据处理服务器3处理信息并及时报警，且提供相应的照片和视频。

视频检测模块1选用郎驰公司生产的摄像头，用于图像采集等功能，利用枪机视频传感器拍摄铁塔底部附近位置进行倾斜和垂直偏移测量。

(1)测量之前首先要对相机进行标定求解枪机的内外参数，理论上选取至少三张图片时就可以求解出内外参数，但是误差会比较大，另外需要特别注意的是至少3幅图像中，任意两幅图像所对应的摄像机光轴不能是平行的。一般选取十幅左右的图片进行内外参数的求解，选取的图片最好特征点明显，且离摄像机不要太远，并且为不同角度的图像(防止多幅摄像机光轴是平行的)。求解出的相机基准坐标cx，cy大致在图像中心的结果一般是比较准确的。

(2)内参数矩阵不依赖场景的视图，一旦计算出，可以被重复使用(只要焦距固定)。根据相机内参，定标点在图像中的坐标和其实际的三维坐标求解出相机的外参，也就是旋转平移向量。相机的外参与定标点两个矩阵的乘积为定标点在摄像机坐标系中的坐标。

(3)求解的关键是要求解出摄像机偏移后相机的外参数，经过实验外参数的求解需要不共线但是共面的六个点对应的在图像中的坐标和其实际的三维坐标，由于这几个点是共面的，所以我们可以假定这个面为水平面，即z＝0。求解出外参就可求取定标点在摄像机坐标系中的坐标，然后求取几个点的旋转角度再做一下平均就可得到比较准确的旋转角度。求解外参的公式如下：

s·m′A·[R|t]·M′或者

$s\·\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{fx}& 0& \mathrm{cx}\\ 0& \mathrm{fy}& \mathrm{cy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& t_1\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& t_2\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& t_3\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$

这儿(X，Y，Z)是一个点的世界坐标，(u，v)是点投影在图像平面的坐标，以像素为单位。S是标定系数，A被称作摄像机矩阵，或者内参数矩阵，[R|t]被称为外参矩阵。(cx，cy)是基准点(通常在图像的中心)，fx，fy是以像素为单位的焦距。所以如果因为某些因素对来自于摄像机的一幅图像升采样或者降采样，所有这些参数(fx，fy，cx和cy)都将被缩放(乘或者除)同样的尺度。

(4)假若摄像机发生偏移，而我们选定的三维点(在一个平面内，并可假定其z值为0)是不变的，则实际三维点对应在图像中点的位置会发生变化，我们根据外参可把这些点都转换到摄像机坐标系中，在摄像机坐标系中我们得知摄像机到定标点的距离，再求出在摄像机坐标系中两次摄像机变化的距离就可根据余弦定理求解出旋转的角度。再根据铁塔的高度就可以算出垂直偏移。设置固定的阈值，就可以在危险时刻及时报警。

本系统可用性高，有效性好，它是基于无线视频传感器网络的高压塔架监控系统，能有效地、实时地保护电力线及铁塔的安全，保证了电力的安全稳定传输。

Claims (2)

1.高压输电线路杆塔倾斜的视频监测方法，其特征在于：

(1)标定摄像机，求解摄像机内外参数基准坐标cx，cy；

(2)以定标点在图像中的坐标和其实际的三维坐标计算摄像机的外参，也就是旋转平移向量；

(3)用摄像机的外参与定标点两个矩阵的乘积确定定标点在摄像机坐标系中的坐标；

(4)求解摄像机偏移后摄像机的外参数；

(5)将外参值转换到摄像机坐标系中，确定在摄像机坐标系中摄像机到定标点的距离；

(6)计算摄像机坐标系中两次摄像机变化的距离；

(7)根据余弦定理求解旋转的角度，再根据铁塔的高度计算垂直偏移数，并设定阈值，一旦角度及垂直偏移数超过阈值发出警报。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路杆塔倾斜的视频监测方法，其特征在于：求解外参的公式如下：

s·m′＝A·[R|t]·M′或者

$s\·\left[\begin{array}{c}u\\ \mathrm{\υ}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{fx}& 0& \mathrm{cx}\\ 0& \mathrm{fy}& \mathrm{cy}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& t_1\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& t_2\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& t_3\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\\ 1\end{array}\right]$

其中X，Y，Ｚ是一个点的世界坐标，u，v是点投影在图像平面的坐标，以像素为单位，S是标定系数，A为摄像机矩阵或者内参数矩阵，[R|t]为外参矩阵，cx，cy是基准点，所述基准点通常在图像的中心，fx，fy是以像素为单位的焦距。

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