CN104836948A - 随动摄像头及实时测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随动摄像头及实时测距方法，通过摄像头跟踪作业人员所带色标的移动，对作业人员的位置进行实时定位，确定作业人员的位置信息并传输至单片机控制系统，若作业人员所带色标在摄像头视野中心，则认为摄像头正对观测对象——作业人员所带色标，由于超声波传感器与视频摄像头集成在一块，则也认为超声波传感器也是正对该作业人员所带色标；则单片机控制系统控制超声波测距模块进行实时测距；根据超声波接收装置的接收时间计算出作业人员与摄像头之间的距离，并可以通过WiFi网络将摄像头扑捉的画面传输至控制中心。本发明将超声波传感器与摄像头集成在一起，可以有效提高对监测对象的实时定位和距离测量。

Description

随动摄像头及实时测距方法

技术领域

本发明涉及一种随动摄像头及实时测距方法。

背景技术

目前国内的电力视频监控大致分为两种：1）变电站内设备运行监控、输电线路及铁塔远程监控。变电站内设备的实时监控，由于变电站是高压、高电磁场、高辐射区，给工作人员对一些设备的运行监管造成了很多不便和不安全因素，而通过无线网络将变电站内部署的监控视频，可以实时传送至远端调度中心，完成对各变电站运行状况的实时监控。2）输电线路及铁塔远程监控，电力输电线路尤其是高压输电线路，通常处于偏僻地带，经常受到外力破坏或雨雪等自然灾害导致的线断塔塌，部署远程监控视频，可以实时了解到相关设施的状态，并且能起到很好的防盗作用。可以看出，目前国内仅能通过人工观察视频图像的方法来指导带电作业，由于存在拍摄角度等多方面的原因可能导致人员的误判。但暂未查到国外有关输电线路不停电作业实时监控系统信息。此外，此类摄像头并不具备测距功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实时获取运动的被观测物与摄像头之间的距离的随动摄像头及实时测距方法。

本发明提供的这种随动摄像头，包括超声波测距模块、摄像头装置、单片机控制系统和无线通信模块；超声波测距模块内嵌在摄像头装置的前端；超声波测距模块与单片机控制系统连接；摄像头装置与单片机控制系统连接，单片机控制系统控制摄像头装置实时跟随目标运动；单片机控制系统的串口与无线通信模块连接，单片机控制系统将视频数据和测距数据通过无线通信模块发至控制中心。

所述超声波测距模块包括超声波发射电路和超声波接收电路；超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号传至单片机控制系统。

所述超声波发射电路包括分体式超声波传感器的发射器、振荡器和功率放大电路；振荡器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与分体式超声波传感器的发射器连接。

所述分体式超声波传感器的发射器采用型号为T40-16的换能器。

所述超声波接收电路采用单稳式超声波接收器电路；其包括分体式超声波传感器的接收器、高通放大器电路。

所述分体式超声波传感器的接收器采用型号为R40-16的换能器。

所述摄像头装置包括带云台的摄像头。

所述单片机控制系统包括FPGA；FPGA包括UART发送模块、数据采集模块、计时模块、温度补偿模块、视频图像处理模块、视频随动模块、三维坐标模块和片内RAM。

所述无线通信模块采用WIFI模块。

一种随动摄像头的实时测距方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，摄像头采集图像信息，将其传至单片机控制系统进行图像处理；

步骤二，单片机控制系统判断被观测对象是否在摄像头视野中心；

步骤三，若被观测对象在摄像头视野中心，则单片机控制系统控制超声波测距模块进行实时测距；转至步骤五；

否则，计算被观测对象与摄像头视野中心的差异量；转至步骤四；

步骤四，单片机控制系统控制摄像头所在的云台偏转，转至步骤一；

步骤五，触发超声波测距模块获取被观测物与摄像头之间的距离，并将测量结果传输至单片机控制系统。

所述单片机控制系统将测量结果通过WIFI网络发出。

本发明的优点在于，本发明将超声波传感器与摄像头集成在一起，可以有效提高对追踪对象的实时定位，并可以在控制中心对摄像头和传感器进行控制。

附图说明

图1是本发明的前端结构示意图。

图2是本发明的超声波测距模块功能框图。

图3是本发明的振荡-放大型发射原理框图。

图4是本发明的超声波发射电路图。

图5是本发明的超声波接收电路图。

图6是本发明的一种实施方式示意图。

具体实施方式

本发明包括超声波测距模块、摄像头装置、单片机控制系统和无线通信模块。超声波测距模块内嵌在摄像头装置的前端；超声波测距模块与单片机控制系统连接；摄像头装置与单片机控制系统连接，单片机控制系统控制摄像头装置实时跟随目标运动；单片机控制系统的串口与无线通信模块连接，单片机控制系统将视频数据和测距数据通过无线通信模块发至控制中心。

超声波测距模块包括超声波发射电路和超声波接收电路；超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号传至单片机控制系统。超声波测距模块用于测量本发明摄像头至被观测对象之间的距离。

摄像头装置包括带云台的摄像头。无线通信模块采用WIFI模块。本发明的后端外壳可以起到金属屏蔽的作用。

如图1所示，其中1为超声波传感器，可以发射超声波和接收色环反射回来的超声波；2为摄像头视频采集器，可以对监控的画面信息进行采集；3是集成超声波传感器的随动摄像头的外壳，通过外壳将传感器和摄像头固定在一起。

本发明采用STM32系列单片机进行程序的编写，单片机主要采用PWM的输出波形控制电机的转动，从而使得电机上的摄像头可以根据需求进行全方位的转动。根据摄像头成像判断作业人员所佩戴的色环是否在摄像头的中心来判断差异量，根据判断结果控制云台转动角度。

如图2所示，超声波测距模块包括超声波发射电路、超声波接收电路、A/D转换电路、温度补偿电路、串口发送电路和电源电路。温度补偿电路包括温度传感器和信号处理电路；温度补偿电路的输出端与单片机控制系统连接。

单片机控制系统包括FPGA。FPGA包括UART发送模块、数据采集模块、计时模块、温度补偿模块、视频图像处理模块、视频随动模块、三维坐标模块和片内RAM。UART发送模块将接收到的超声波传感器测得的数据进行转换后发出；数据采集模块采集超声波传感器测得的数据并进行信号调理等处理后传至UART发送模块；UART发送模块将接收到的数据发出；计时模块用于超声波信号发出至返回信号接收整个过程的计时；温度补偿模块与温度补偿电路连接，用于获取温度补偿信号并将温度补偿信号告知单片机控制系统；三位坐标模块构建当前作业人员与其工作的杆塔的三维坐标系，由此给后续安全警示提供必要的基准。

视频图像处理模块采集摄像头的视频数据，由图像处理算法分析某一摄像头所监视的对象（实际就是其对应的色环）的成像是否在屏幕的中心位置，若在屏幕的中心位置，则认为该摄像头是正对色环的，就可以启动超声波测距模块进行测距，若成像不是在屏幕正中位置，则输出控制信号，驱动摄像头的云台转动（向上、向下、向左或向右），从而调节摄像头的方位，保证摄像头正对监视的目标，从而实现摄像头与运动目标的随动，以便进一步实现成功测距。这其中的原因是：如果摄像头没有正对监视的目标，超声波传感器发射的超声波信号可能不被反射回来，因而无法实现测距。

视频随动模块实际是依据视频图像处理模块的输出信号，去控制摄像头云台的转动。

本发明采用往返时间法获取距离信息。往返时间检测法的原理为用超声波脉冲激励超声波探头，使之向外界发射超声波，检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，记录经气体介质传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离，而所测距离是声波传输距离的一半。

超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号对接收信号进行放大和滤波；将调理后的信号进行A/D转换；将温度传感器所测的数值传输到信号处理电路；利用FPGA对数字信号进行采集并完成距离的计算，并准备下一次的测距准备。

本发明通过视频随动模块执行对摄像头的运动控制，该模块具有视频数据分析、视频图像处理和云台控制等功能。

工作时，视频图像处理模块处理摄像头监测的色环是否对准中心的信息，若未对准中心，则输出控制信号给视频随动模块，由视频随动模块将偏差量发给摄像头云台进行调整并实施控制，从而使摄像头对准色环。当摄像头正对检测目标，即相应色环在对应摄像头成像的屏幕中心位置时，触发相应的超声波传感器发射超声波信号，并进而完成测距功能。测距后，随动摄像头中的单片机系统完成对安全距离的计算和确认。该单片机系统不仅能完成视频随动功能，也能实现测距功能。

如图3所示，超声波发射电路包括分体式超声波传感器的发射器、振荡器和功率放大电路；振荡器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与分体式超声波传感器的发射器连接。

分体式超声波传感器的发射器采用型号为T40-16的换能器。

如图4所示，由F1~F3三门振荡器在反相器F3的输出为40kHZ方波；工作频率主要由电容C1、电阻R1和可调电阻RP决定，用可调电阻RP来调节频率。反相器 F3的输出激励换能器T40-16的一端和反相器F4，反相器F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入反相器F4使激励电压提高了一倍。电容C3、电容C2平衡反相器F3和反相器F4的输出，使波形稳定。电路中反相器F1~F4可采用型号为CC4069的六反相器中的四个反相器，剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池。测量反相器F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。本发明超声波发射电路的发射超声波信号大于8m。

如图5所示，超声波接收电路包括分体式超声波传感器的接收器、高通放大器电路。超声波接收电路采用单稳式超声波接收器电路。

分体式超声波传感器的接收器采用型号为R40-16的换能器。

超声波接收器R40-16谐振频率为40kHZ，经该接收器R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入由三极管VT1~VT3组成的高通放大器放大，经电容C5、二极管VD1检出直流分量，控制三极管VT4、三极管VT5组成的电子开关带动继电器K工作。

由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。电路中三极管VT1的β≥200，三极管VT2的β≥150。电路不需调试即可工作。

如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合相应的发射器，遥控距离可达8m以上。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

本发明将超声波传感器的发射模块和接收模块嵌入摄像头里面，超声波采用STM32来实现对T40-16系列超声波转换模块的控制，从而保证摄像头中超声波传感器可以发射超声波信号。

使用时，将本发明对准要测量的目标。本发明采用STM32系列的单片机，通过晶振的作用8M倍频后可以达到72M，单片机用PE0以及PE4口串口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

将本发明应用于电力系统的带电作业人员作业过程中。本发明对作业人员服装上的色标进行实时追踪，以锁定作业人员的动向。

本发明摄像头的安装位置：一般而言，导线正上方横担处安装的1个随动摄像头主要监视头部、塔身处安装的2个摄像头分别监视人的左手、右手的腕部色标，导线正下方横担处安装的2个摄像头分别监视人的左脚、右脚的脚踝部色标。

本发明的实时测距方法包括如下步骤：

步骤一，摄像头采集带电作业人员在杆塔工作的图像信息，将其传至单片机控制系统进行图像处理；单片机控制系统利用视频追踪算法对图像信息进行处理；

步骤二，根据处理结果，单片机控制系统判断作业人员所带色标是否在摄像头视野的中心位置；

步骤三，若作业人员所带色标在摄像头视野中心，则认为摄像头正对观测对象——作业人员所带色标，由于超声波传感器与视频摄像头集成在一块，则也认为超声波传感器也是正对该作业人员所带色标；则单片机控制系统控制超声波测距模块进行实时测距；转至步骤五；

否则，单片机控制系统计算作业人员所带色标与摄像头视野中心的差异量；转至步骤四；

步骤四，单片机控制系统根据该差异量发出指令，使摄像头云台转动相应的角度；并转至步骤一，继续采集图像信息判断作业人员所带色标是否在摄像头视野的中心位置；

步骤五，触发超声波测距模块获取被观测物与摄像头之间的距离：超声波发射电路发射超声波信号，超声波接收电路接收返回的超声波信号，再根据超声波测距原理计算作业人员与危险点之间的距离；并将测量结果传输至单片机控制系统；结束。

图6中1、2、3均为随动摄像头安装位置，4为导线。1为导线正上方横担处，2为导线等高处塔身位置，3为导线正下方横担位置。这3个位置为常见危险点，可以根据需要在其他位置增装更多随动摄像头。

作业人员在进入作业区域前，在杆塔、横担等放电危险点位置，安装多个随动摄像头。在作业人员的头部、腕部和脚踝部佩戴专用的色标。不同颜色的色标分别对应相应的超声波传感器，色环与超声波传感器进行配合，从而控制对应色环的摄像头跟踪作业人员所带色环移动。

预先设置各超声波传感器的工作频率和安全距离的阈值，以便于测量作业人员与不同危险点之间的距离；并将不同安装点的摄像头分别对准作业人员所佩戴不同色标的几个部位。

单片机控制系统将视频数据和测距数据通过WIFI发至控制中心。

Claims (11)

1.一种随动摄像头，其特征在于，包括超声波测距模块、摄像头装置、单片机控制系统和无线通信模块；超声波测距模块内嵌在摄像头装置的前端；超声波测距模块与单片机控制系统连接；摄像头装置与单片机控制系统连接，单片机控制系统控制摄像头装置实时跟随目标运动；单片机控制系统的串口与无线通信模块连接，单片机控制系统将视频数据和测距数据通过无线通信模块发至控制中心。

2.根据权利要求1所述的随动摄像头，其特征在于，所述超声波测距模块包括超声波发射电路和超声波接收电路；超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号传至单片机控制系统。

3.根据权利要求2所述的随动摄像头，其特征在于，所述超声波发射电路包括分体式超声波传感器的发射器、振荡器和功率放大电路；振荡器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与分体式超声波传感器的发射器连接。

4.根据权利要求3所述的随动摄像头，其特征在于，所述分体式超声波传感器的发射器采用型号为T40-16的换能器。

5.根据权利要求2所述的随动摄像头，其特征在于，所述超声波接收电路采用单稳式超声波接收器电路；其包括分体式超声波传感器的接收器、高通放大器电路。

6.根据权利要求5所述的随动摄像头，其特征在于，所述分体式超声波传感器的接收器采用型号为R40-16的换能器。

7.根据权利要求1所述的随动摄像头，其特征在于，所述摄像头装置包括带云台的摄像头。

8.根据权利要求1所述的随动摄像头，其特征在于，所述单片机控制系统包括FPGA；FPGA包括UART发送模块、数据采集模块、计时模块、温度补偿模块、视频图像处理模块、视频随动模块、三维坐标模块和片内RAM。

9.根据权利要求1所述的随动摄像头，其特征在于，所述无线通信模块采用WIFI模块。

10.一种适用于权利要求1所述的随动摄像头的实时测距方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，摄像头采集图像信息，将其传至单片机控制系统进行图像处理；

步骤二，单片机控制系统判断被观测对象是否在摄像头视野中心；

步骤三，若被观测对象在摄像头视野中心，则单片机控制系统控制超声波测距模块进行实时测距；转至步骤五；

否则，计算被观测对象与摄像头视野中心的差异量；转至步骤四；

步骤四，单片机控制系统控制摄像头所在的云台偏转，转至步骤一；

步骤五，触发超声波测距模块获取被观测物与摄像头之间的距离，并将测量结果传输至单片机控制系统。

11.根据权利要求10所述的随动摄像头的实时测距方法，其特征在于，所述单片机控制系统将视频数据和测距数据通过WIFI网络发出。