CN105025275A - 位于空中的电力设备识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位于空中的电力设备识别系统，所述系统搭载在无人机上，包括高清摄像头、图像处理子系统、无线通信接口和ARM？11处理器，所述高清摄像头对地面上的电力设备进行拍摄，以获得电力设备图像，所述图像处理子系统对所述电力设备图像进行图像处理，以识别所述电力设备图像内电力设备的种类，所述ARM？11处理器与所述图像处理子系统和所述无线通信接口分别连接，将所述电力设备的种类通过所述无线通信接口无线发送到远端的电力设备监控平台。通过本发明，能够准确、快速、实时地从空中识别出各种电力设备的类型，在降低识别成本的同时提高识别的效率，为后期的电力设备维护提供重要的参考数据。

Description

位于空中的电力设备识别系统

本发明是申请号为201510098167.0、申请日为2015年3月6日、发明名称为“位于空中的电力设备识别系统”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及电力监管领域，尤其涉及一种位于空中的电力设备识别系统。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机这几大类。无人机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。

利用无人机进行输电的各种电力设备检查，以便于电力监管部门发现问题并及时维护，保证输电网络的正常运行。无人机检查方式具有高效、快捷、可靠、成本低、不受地域影响的优点，但现有技术中通常是将无人机拍摄的电力设备图像实时发送到电力监管部门的电力设备监控平台，以待电力监管部门对接收到的电力设备图像进行逐帧的人工观察和判断，以确定电力设备的类型，为后续判断电力设备是否外观缺损，是否需要进行维护提供数据基础，这种电力设备识别方式需要人工处理海量的视频图像，工作效率低、实时性差，即使存在一些电力设备类型的电子识别方式，识别模式也较为落后，效果不佳。

因此，需要一种新的电力设备识别系统，能够对无人机拍摄的电力设备图像进行有针对性的类型检查，这种新的识别系统还应能整合到无人机的电子设备中，提高无人机整体性的同时保证了无人机电力设备检查的效率和精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种位于空中的电力设备识别系统，采用包括对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备的多种图像处理部件对无人机拍摄的电力设备图像进行高精度的类型识别，并使用两个无线通信网卡以避免无人机收发的数据被干扰，同时，这种电力设备识别系统能够集成到无人机的电子设备中。

根据本发明的一方面，提供了一种位于空中的电力设备识别系统，所述系统搭载在无人机上，包括高清摄像头、图像处理子系统、无线通信接口和ARM 11处理器，所述高清摄像头对地面上的电力设备进行拍摄，以获得电力设备图像，所述图像处理子系统对所述电力设备图像进行图像处理，以识别所述电力设备图像内电力设备的种类，所述ARM 11处理器与所述图像处理子系统和所述无线通信接口分别连接，将所述电力设备的种类通过所述无线通信接口无线发送到远端的电力设备监控平台。

更具体地，在所述位于空中的电力设备识别系统中，还包括：静态存储器，用于预先存储预设高度范围、预设气压高度权重和预设无线电高度权重，还用于预先存储各个种类的电力设备的一层小波系数集，每一个种类的电力设备的一层小波系数集由对每一个种类的基准电力设备图像进行一层Harr小波分解获得的4个分解子图的小波分解系数组成，所述每一个种类的基准电力设备图像为对每一个种类的基准电力设备进行预先拍摄所获得的图像，所述4个分解子图的小波分解系数分别为一个平滑子图的小波分解系数、一个水平子图的小波分解系数、一个垂直子图的小波分解系数和一个斜向子图的小波分解系数，平滑子图的小波分解系数为概貌系数，其余三个分解子图的小波分解系数都是细节系数；北斗星定位器，与北斗星导航卫星连接，用于接收无人机所在位置的实时定位数据；高度传感设备，与所述静态存储器连接，包括气压高度传感器、无线电高度传感器和微控制器；所述气压高度传感器用于根据无人机附近的气压变化，检测无人机所在位置的实时气压高度；所述无线电高度传感器包括无线电发射机、无线电接收机和单片机，所述单片机与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述单片机根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算无人机的实时无线电高度，所述无线电波传播速度为光速；所述微控制器与所述气压高度传感器、所述无线电高度传感器和所述静态存储器分别连接，当所述实时气压高度和所述实时无线电高度的差在所述预设高度范围时，基于所述预设气压高度权重、所述预设无线电高度权重、所述实时气压高度和所述实时无线电高度计算并输出所述实时高度，当所述实时气压高度和所述实时无线电高度的差不在所述预设高度范围时，输出高度检测失败信号；所述图像处理子系统与所述高清摄像头和所述静态存储器分别连接，包括对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备；所述对比度增强设备与所述高清摄像头连接，用于对所述电力设备图像进行对比度增强处理，获得增强图像；所述灰度化处理设备与所述对比度增强设备连接，用于对所述增强图像进行灰度化处理，获得灰度图像；所述中值滤波设备与所述灰度化处理设备连接，用于对所述灰度图像进行中值滤波，以去掉灰度图像中的噪声点，获得滤波图像；所述图像腐蚀膨胀处理设备与所述中值滤波设备连接，用于对所述滤波图像依次进行图像腐蚀处理和图像膨胀处理，以去掉滤波图像中因为光线形成的亮点并平滑滤波图像中电力设备的边界，获得腐蚀膨胀处理后的图像；所述小波分解设备与所述图像腐蚀膨胀处理设备和所述静态存储器分别连接，对腐蚀膨胀处理后的图像进行一层Harr小波分解，将获得的4个分解子图的小波分解系数组成实时一层小波系数集，将实时一层小波系数集与各个种类的电力设备的一层小波系数集逐一匹配，匹配失败则输出无电力设备信号，匹配成功则输出存在电力设备信号并将匹配到的电力设备的种类作为所述电力设备图像内电力设备的种类输出；所述无线通信接口包括第一无线网卡和第二无线网卡，第一无线网卡用于无线接收电力设备监控平台发送的控制指令，所述控制指令中包括即将拍摄的地面上的电力设备所在位置的目的北斗星数据和目的拍摄高度，第二无线网卡用于将带有标记的图像无线发送到电力设备监控平台；所述ARM 11处理器与所述高清摄像头、所述北斗星定位器、所述高度传感设备、所述图像处理子系统和所述无线通信接口分别连接，将所述实时定位数据、所述实时高度和所述电力设备图像内电力设备的种类都标记到所述电力设备图像上以获得带有标记的图像，将带有标记的图像发送到所述无线通信接口的第二无线网卡，所述ARM 11处理器在接收到高度检测失败信号或无电力设备信号时，将高度检测失败信号或无电力设备信号发送到所述无线通信接口的第一无线网卡以便于所述第一无线网卡转发到电力设备监控平台；其中，所述ARM 11处理器根据所述实时定位数据、所述实时高度、所述目的北斗星数据和所述目的拍摄高度调整发送到无人机驱动机构的驱动信号，以便于所述无人机驱动机构根据所述驱动信号调整无人机的飞行姿态。

更具体地，在所述位于空中的电力设备识别系统中：所述各个种类的电力设备包括各个型号的输电塔、各个型号的绝缘子和各个型号的防震锤。

更具体地，在所述位于空中的电力设备识别系统中：将对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述位于空中的电力设备识别系统中：所述高清摄像头为超高清航拍摄像头，所拍摄的电力设备图像的分辨率为3840×2160。

更具体地，在所述位于空中的电力设备识别系统中：所述第一无线网卡采用TCP传输协议，所述第二无线网卡采用UDP传输协议。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的位于空中的电力设备识别系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的位于空中的电力设备识别系统的无线通信接口的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的位于空中的电力设备识别系统的实施方案进行详细说明。

随着无人机技术的日趋成熟和航空摄影技术的进一步拓展，在军用无人机应用领域上，无人机常用于侦查监视等形式的作战支援，更关键的是，民用无人机的应用领域也日益广泛，包括：摄影测量、应急救灾、公共安全、资源勘探、环境监测、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、林火病虫害防护与监测等。

无人机灵活、机动、低成本的特点也吸引了电力监管部门的注意。对于电力监管部门来说，其下属的输电网络的各个电力设备分布在不同地形的大范围区域内，如果通过人工检查的方式，势必耗时耗力，而改用无人机空中检查的方式，就能提高检查的效率，降低检查的成本。

为了发现外观缺损的电力设备以便于后期的及时维护，首先需要识别电力设备的类型，然后以电力设备的类型为出发点，判断当前检查的电力设备是否与基准电力设备外观一致，不一致则需要及时维护。这里，电力设备类型的确定是一个难题，由于无人机传回了大量的电力设备图像，采用人工检查的方式则工作效率不高，现有技术中的一些电子识别模式也出现识别精度差的问题。

为此，本发明搭建了一种位于空中的电力设备识别系统，基于电力设备的特点，定制了包括对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备的多种图像处理部件对无人机拍摄的电力设备图像进行高精度的类型识别，核心是基于不同类型电力设备的小波特征值不同而采用了小波特征值匹配的模式进行电力设备类型的识别。

图1为根据本发明实施方案示出的位于空中的电力设备识别系统的结构方框图，所述系统搭载在无人机上，包括高清摄像头1、图像处理子系统2、无线通信接口3和ARM 11处理器4，所述高清摄像头1对地面上的电力设备进行拍摄，以获得电力设备图像，所述图像处理子系统2对所述电力设备图像进行图像处理，以识别所述电力设备图像内电力设备的种类，所述ARM 11处理器4与所述图像处理子系统2和所述无线通信接口3分别连接，将所述电力设备的种类通过所述无线通信接口3无线发送到远端的电力设备监控平台。

接着，继续对本发明的位于空中的电力设备识别系统的具体结构进行进一步的说明。

所述系统还包括：静态存储器，用于预先存储预设高度范围、预设气压高度权重和预设无线电高度权重，还用于预先存储各个种类的电力设备的一层小波系数集，每一个种类的电力设备的一层小波系数集由对每一个种类的基准电力设备图像进行一层Harr小波分解获得的4个分解子图的小波分解系数组成，所述每一个种类的基准电力设备图像为对每一个种类的基准电力设备进行预先拍摄所获得的图像。

其中，所述4个分解子图的小波分解系数分别为一个平滑子图的小波分解系数、一个水平子图的小波分解系数、一个垂直子图的小波分解系数和一个斜向子图的小波分解系数，平滑子图的小波分解系数为概貌系数，其余三个分解子图的小波分解系数都是细节系数。

所述系统还包括：北斗星定位器，与北斗星导航卫星连接，用于接收无人机所在位置的实时定位数据。

所述系统还包括：高度传感设备，与所述静态存储器连接，包括气压高度传感器、无线电高度传感器和微控制器。

所述气压高度传感器用于根据无人机附近的气压变化，检测无人机所在位置的实时气压高度。

所述无线电高度传感器包括无线电发射机、无线电接收机和单片机，所述单片机与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述单片机根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算无人机的实时无线电高度，所述无线电波传播速度为光速；所述微控制器与所述气压高度传感器、所述无线电高度传感器和所述静态存储器分别连接，当所述实时气压高度和所述实时无线电高度的差在所述预设高度范围时，基于所述预设气压高度权重、所述预设无线电高度权重、所述实时气压高度和所述实时无线电高度计算并输出所述实时高度，当所述实时气压高度和所述实时无线电高度的差不在所述预设高度范围时，输出高度检测失败信号。

所述图像处理子系统2与所述高清摄像头1和所述静态存储器分别连接，所述图像处理子系统2包括对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备。

所述对比度增强设备与所述高清摄像头1连接，用于对所述电力设备图像进行对比度增强处理，获得增强图像。

所述灰度化处理设备与所述对比度增强设备连接，用于对所述增强图像进行灰度化处理，获得灰度图像。

所述中值滤波设备与所述灰度化处理设备连接，用于对所述灰度图像进行中值滤波，以去掉灰度图像中的噪声点，获得滤波图像。

所述图像腐蚀膨胀处理设备与所述中值滤波设备连接，用于对所述滤波图像依次进行图像腐蚀处理和图像膨胀处理，以去掉滤波图像中因为光线形成的亮点并平滑滤波图像中电力设备的边界，获得腐蚀膨胀处理后的图像。

所述小波分解设备与所述图像腐蚀膨胀处理设备和所述静态存储器分别连接，对腐蚀膨胀处理后的图像进行一层Harr小波分解，将获得的4个分解子图的小波分解系数组成实时一层小波系数集，将实时一层小波系数集与各个种类的电力设备的一层小波系数集逐一匹配，匹配失败则输出无电力设备信号，匹配成功则输出存在电力设备信号并将匹配到的电力设备的种类作为所述电力设备图像内电力设备的种类输出。

如图2所示，所述无线通信接口3包括第一无线网卡31和第二无线网卡32，第一无线网卡31用于无线接收电力设备监控平台发送的控制指令，所述控制指令中包括即将拍摄的地面上的电力设备所在位置的目的北斗星数据和目的拍摄高度，第二无线网卡32用于将带有标记的图像无线发送到电力设备监控平台。

所述ARM 11处理器4与所述高清摄像头1、所述北斗星定位器、所述高度传感设备、所述图像处理子系统2和所述无线通信接口3分别连接，将所述实时定位数据、所述实时高度和所述电力设备图像内电力设备的种类都标记到所述电力设备图像上以获得带有标记的图像，将带有标记的图像发送到所述无线通信接口3的第二无线网卡32。

所述ARM 11处理器4在接收到高度检测失败信号或无电力设备信号时，将高度检测失败信号或无电力设备信号发送到所述无线通信接口3的第一无线网卡31以便于所述第一无线网卡31转发到电力设备监控平台。

其中，所述ARM 11处理器4根据所述实时定位数据、所述实时高度、所述目的北斗星数据和所述目的拍摄高度调整发送到无人机驱动机构的驱动信号，以便于所述无人机驱动机构根据所述驱动信号调整无人机的飞行姿态。

其中，在所述系统中：所述各个种类的电力设备包括各个型号的输电塔、各个型号的绝缘子和各个型号的防震锤；可选地，将对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备集成在一块集成电路板上，所述高清摄像头1可选为超高清航拍摄像头，所拍摄的电力设备图像的分辨率为3840×2160，以及所述第一无线网卡31可采用TCP传输协议，所述第二无线网卡32可采用UDP传输协议。

另外，TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，由IETF的RFC 793定义。在简化的计算机网络OSI模型中，他完成第四层传输层所指定的功能，用户数据报协议(UDP)是同一层内另一个重要的传输协议。

在因特网协议族(Internet protocol suite)中，TCP层是位于IP层之上，应用层之下的中间层。不同主机的应用层之间经常需要可靠的、像管道一样的连接，但是IP层不提供这样的流机制，而是提供不可靠的包交换。应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段(通常受该计算机连接的网络的数据链路层的最大传输单元的限制)。之后TCP把结果包传给IP层，由他来通过网络将包传送给接收端实体的TCP层。

TCP为了保证不发生丢包，就给每个包一个序号，同时序号也保证了传送到接收端实体的包的按序接收。然后接收端实体对已成功收到的包发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据包就被假设为已丢失将会被进行重传。TCP用一个校验和函数来检验数据是否有错误；在发送和接收时都要计算校验和。

另外，UDP是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI(Open System Interconnection，开放式系统互联)参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。

UDP在网络中与TCP协议一样用于处理数据包，是一种无连接的协议。在OSI模型中，在第四层：传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，即使是在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。

采用本发明的位于空中的电力设备识别系统，针对现有无人机电力设备识别机制效率低下、精度不高的技术问题，研制了一种基于电力设备小波特征值匹配为核心的电力设备类型识别模式，围绕该识别模式搭建了一个由多种定制的图像处理部件组成的电力设备识别系统，还在电力设备识别系统中增加了双网卡通信接口、高精度高度传感器等电子部件，提高了电力设备空中识别的可靠性。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种位于空中的电力设备识别系统，所述系统搭载在无人机上，其特征在于，所述系统包括高清摄像头、图像处理子系统、无线通信接口和ARM 11处理器，所述高清摄像头对地面上的电力设备进行拍摄，以获得电力设备图像，所述图像处理子系统对所述电力设备图像进行图像处理，以识别所述电力设备图像内电力设备的种类，所述ARM 11处理器与所述图像处理子系统和所述无线通信接口分别连接，将所述电力设备的种类通过所述无线通信接口无线发送到远端的电力设备监控平台。

2.如权利要求1所述的位于空中的电力设备识别系统，其特征在于，所述系统还包括：

静态存储器，用于预先存储预设高度范围、预设气压高度权重和预设无线电高度权重，还用于预先存储各个种类的电力设备的一层小波系数集，每一个种类的电力设备的一层小波系数集由对每一个种类的基准电力设备图像进行一层Harr小波分解获得的4个分解子图的小波分解系数组成，所述每一个种类的基准电力设备图像为对每一个种类的基准电力设备进行预先拍摄所获得的图像，所述4个分解子图的小波分解系数分别为一个平滑子图的小波分解系数、一个水平子图的小波分解系数、一个垂直子图的小波分解系数和一个斜向子图的小波分解系数，平滑子图的小波分解系数为概貌系数，其余三个分解子图的小波分解系数都是细节系数；

北斗星定位器，与北斗星导航卫星连接，用于接收无人机所在位置的实时定位数据；

高度传感设备，与所述静态存储器连接，包括气压高度传感器、无线电高度传感器和微控制器；所述气压高度传感器用于根据无人机附近的气压变化，检测无人机所在位置的实时气压高度；所述无线电高度传感器包括无线电发射机、无线电接收机和单片机，所述单片机与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述单片机根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算无人机的实时无线电高度，所述无线电波传播速度为光速；所述微控制器与所述气压高度传感器、所述无线电高度传感器和所述静态存储器分别连接，当所述实时气压高度和所述实时无线电高度的差在所述预设高度范围时，基于所述预设气压高度权重、所述预设无线电高度权重、所述实时气压高度和实时无线电高度计算并输出所述实时高度，当所述实时气压高度和所述实时无线电高度的差不在所述预设高度范围时，输出高度检测失败信号；

所述图像处理子系统与所述高清摄像头和所述静态存储器分别连接，包括对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备；所述对比度增强设备与所述高清摄像头连接，用于对所述电力设备图像进行对比度增强处理，获得增强图像；所述灰度化处理设备与所述对比度增强设备连接，用于对所述增强图像进行灰度化处理，获得灰度图像；所述中值滤波设备与所述灰度化处理设备连接，用于对所述灰度图像进行中值滤波，以去掉灰度图像中的噪声点，获得滤波图像；所述图像腐蚀膨胀处理设备与所述中值滤波设备连接，用于对所述滤波图像依次进行图像腐蚀处理和图像膨胀处理，以去掉滤波图像中因为光线形成的亮点并平滑滤波图像中电力设备的边界，获得腐蚀膨胀处理后的图像；所述小波分解设备与所述图像腐蚀膨胀处理设备和所述静态存储器分别连接，对腐蚀膨胀处理后的图像进行一层Harr小波分解，将获得的4个分解子图的小波分解系数组成实时一层小波系数集，将实时一层小波系数集与各个种类的电力设备的一层小波系数集逐一匹配，匹配失败则输出无电力设备信号，匹配成功则输出存在电力设备信号并将匹配到的电力设备的种类作为所述电力设备图像内电力设备的种类输出；

所述无线通信接口包括第一无线网卡和第二无线网卡，第一无线网卡用于无线接收电力设备监控平台发送的控制指令，所述控制指令中包括即将拍摄的地面上的电力设备所在位置的目的北斗星数据和目的拍摄高度，第二无线网卡用于将带有标记的图像无线发送到电力设备监控平台；

所述ARM 11处理器与所述高清摄像头、所述北斗星定位器、所述高度传感设备、所述图像处理子系统和所述无线通信接口分别连接，将所述实时定位数据、所述实时高度和所述电力设备图像内电力设备的种类都标记到所述电力设备图像上以获得带有标记的图像，将带有标记的图像发送到所述无线通信接口的第二无线网卡，所述ARM 11处理器在接收到高度检测失败信号或无电力设备信号时，将高度检测失败信号或无电力设备信号发送到所述无线通信接口的第一无线网卡以便于所述第一无线网卡转发到电力设备监控平台；

其中，所述ARM 11处理器根据所述实时定位数据、所述实时高度、所述目的北斗星数据和所述目的拍摄高度调整发送到无人机驱动机构的驱动信号，以便于所述无人机驱动机构根据所述驱动信号调整无人机的飞行姿态；

所述各个种类的电力设备包括各个型号的输电塔、各个型号的绝缘子和各个型号的防震锤；

将对比度增强设备、灰度化处理设备、中值滤波设备、图像腐蚀膨胀处理设备和小波分解设备集成在一块集成电路板上；

所述高清摄像头为超高清航拍摄像头，所拍摄的电力设备图像的分辨率为3840×2160；

所述第一无线网卡采用TCP传输协议，所述第二无线网卡采用UDP传输协议。