CN105445752A - 基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法，以输电线路高压导线上安装的激光扫描装置为坐标原点，建立三维直角坐标系；采用激光，通过微型云台实现导线下方半个球体空间内目标物体表面的扫描测距，实时记录激光的发射时刻、经由目标物体表面反射后的激光接收时刻、与导线的水平夹角α和激光束与地面垂直线的夹角β。根据激光接收和发射时刻之间的时间差t求反射点与激光发射器的距离L；由L、α和β计算目标物体表面到输电导线的最短距离。本发明从输电线路上感应取电，对输电导线下方进行扫描测距和计算，显示出输电导线与周边物体距离的三维图像，便于直观查看绝缘安全隐患的区域；易于运用到输电线路维护的实际工程中。

Description

基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统保护技术领域，其涉及一种基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展和城市规模的不断扩大，输电线路越来越密集，运行环境日趋复杂；众多输电线路横跨公路、铁路、桥梁、河流、湖泊以及穿越高山、建筑群等，输电线路的安全越来越受到各种违章施工、违章建筑、违章树木、漂浮物以及鸟害等的严重威胁。

全国各地输电线路受外力破坏事故时有发生，如：施工工地现场正处在输电线路下方或附近，施工器具(主要是吊车、挖掘机、混凝土搅拌车等高大施工机械)在操作过程中，其高挑突出部分有时会进入输电线路的安全限距内致使线路对其放电，甚至碰挂到输电线路导致跳闸、停电事故。又如输电线路在跨越公路时，由于车辆超高，输电线路缺乏警示标志，导致输电线路受到破坏；还有一些输电线路在跨越江河时，一些大型轮船，挖沙船等设备在涨潮时又未载货物的情况下从输电线路下方通过，其超高部分造成输电线路的破坏等。还有一些线路跨越建筑或林区，树木的生长和风力的作用导致线路对树木的绝缘距离不够而发生放电。

传统的输电线路监控装置一般为视频监控设备，这种设备只能安装在输电线路铁塔上，其体积庞大，安装复杂，且不能实现稳定可靠的自动报警。传统的输电线路监控装置一般选用太阳能和蓄电池的供电方式，由于太阳能板的安装角度不理想、现场污秽、连续阴雨天以及蓄电池的寿命等导致这种设备的可靠性差，大大缩短了设备的使用寿命。同时，该类设备没有测量功能，无法对靠近输电导线的物体进行定位，从而很难进行有效的识别和报警，无法有效保护输电线路。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法。本发明以输电线路高压导线上安装的激光扫描装置为坐标原点，建立三维直角坐标系；采用激光，并通过微型云台实现导线下方半个球体空间内目标物体表面的扫描测距，实时记录激光的发射时刻、经由目标物体表面反射后的激光接收时刻、与导线的水平夹角α和激光束与地面垂直线的夹角β。根据测距得到的激光接收和发射时刻之间的时间差t求出反射点与激光发射器的距离L；由L、α和β计算出目标物体表面到输电导线的最短距离。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于激光三维成像的输电线路保护装置，包括：

-控制系统，用于给出激光扫描装置发射激光脉冲的指令信号；

-激光扫描装置，包括激光发射模块和激光接收模块：

激光发射模块，用于发射周期性激光脉冲信号，发射的周期性激光脉冲信号到达被测目标后发生漫反射，并发送至激光接收模块；同时，激光发射模块通过第一接收通道向时差检测模块发出用于指示发射开始的指令信号；

激光接收模块，用于接收经过漫反射的激光脉冲信号，并通过第二接收通道到达时差检测模块；

-微型云台，包括水平旋转电机和垂直偏转步进电机，所述激光扫描装置在水平旋转电机的驱动下匀速旋转，所述激光扫描装置在垂直偏转步进电机的驱动下指向垂直向下，最终实现输电线路下方半个球体空间内目标物体表面的扫描测距；

-时差检测模块，用于：接收第一接收通道的指令信号，记下发射时间t₁，接收第二接收通道的漫反射激光脉冲信号，记下接收时间t₂，并计算出激光脉冲信号发射时间与接收时间的时间间隔t＝t₂-t₁，并将得到的时间间隔值t送到数据处理单元；

-水平角度检测模块和垂直角度检测模块：其中，水平角度检测模块用于检测激光扫描装置与输电线路的水平夹角α，垂直角度检测模块用于检测激光扫描装置与地面垂直线的垂直夹角β；

-数据处理单元，用于根据时间间隔值t求出目标物体表面的反射点与激光扫描装置的距离L，并由距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算出目标物体表面到输电线路的最短距离。

优选地，所述数据处理单元预设绝缘安全阈值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于激光三维成像的输电线路保护方法，包括以下步骤：

步骤S1，以输电线路高压导线上安装的激光扫描装置为坐标原点，建立三维直角坐标系；

步骤S2，启动微型云台的水平旋转电机，并等待水平旋转电机为匀速旋转；

步骤S3，复位垂直偏转步进电机，使激光扫描装置的指向垂直向下，即，垂直夹角β为90度；

步骤S4，等待水平旋转电机水平旋转经过角度0度，即，水平夹角α为0度；

步骤S5，控制系统向激光扫描装置发出发射激光脉冲的指令信号，激光发射模块发出测距激光脉冲信号；

步骤S6，激光接收模块接收反射回来的激光脉冲信号，时差检测模块记录激光脉冲信号的发射时间与接收时间，并得到时间间隔值t，数据处理单元根据时间间隔值t计算目标物体与激光扫描装置之间的距离L；

步骤S7，数据处理单元根据距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算目标物体与输电线路的最短距离L_AB′；如果最短距离L_AB′小于绝缘安全阈值，则报警；

步骤S8，测量当前水平夹角α；

步骤S9：

-判断水平夹角α是否为下一个待测角度，如果是，则返回步骤S7重新执行，如果不是，则返回步骤S8重新执行；

-判断水平夹角α是否等于360度，如果是，则进入步骤S10，如果不是，则返回步骤S4重新执行；

步骤S10，使垂直偏转步进电机旋转一个角度；

步骤S11，判断垂直夹角β是否等于0度，如果是，则输出最短距离L_AB′结果，如果不是，则返回步骤S4重新执行。

优选地，所述步骤S6中，数据处理单元根据时间间隔值t计算目标物体与激光扫描装置之间的距离L，具体为：

其中，c为空气中的光速。

优选地，所述步骤S7中，数据处理单元根据距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算目标物体与输电线路的最短距离L_AB′，具体为：

设，O点为激光扫描装置所在点，A点为目标物体的一处表面，B’点为A点到输电线路最短距离所对应的点，线段OB’对应为线段OA在输电线路上的投影，A点在输电线路所在水平面上的投影为B点，则：

L_AB＝L×sin∠BOA

L_OB＝L×cos∠BOA

L_BB′＝L_OB×sin∠BOB′

$L_{A{B}^{\′}}=\sqrt{{L_{AB}}^2+{L_{B{B}^{\′}}}^2}$

其中，L_AB为A点到B点之间的距离；L_OB为O点到B点之间的距离；L_BB′为B点到B’点之间的距离；∠BOA＝90°-β；∠BOB′＝α。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明实现了从输电线路上感应取电，实现了实时监测。

第二，本发明可显示出输电线路周边物体的三维图像，并直观看到具有安全隐患的区域。

第三，本发明易于运用到实际工程中。

第四，本发明以激光三维测距为基础的输电线路防外力破坏预警保护装置，将其直接安装于需要保护的导线上，通过激光快速三维扫描测距，实现以安装点为球心、半径大于50米的半球体区域覆盖；根据半球内每一点的位置设置不同的报警距离值，即可实现对导线下方沿导线方向长度超高100米、宽度超高30米的长方形区域的保护预警。

第五，本发明工作过程不受杆塔倾斜、振动、摇摆和杆塔附近树木等的影响，保护装置通过感应方式获取工作电源，使其也不受连续阴天的影响。相比于安装在杆塔的具有大面积太阳能电池板等的系统，应用激光三维测距技术的输电线路防外力破坏预警装置体积小巧，现场安装简单，可长期可靠运行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一种基于激光三维成像的输电线路保护方法的流程图；

图2为本发明输电线路保护装置的系统框图；

图3为激光测距的几何原理图；

图4为激光测距原理图的俯视图；

图5为激光测距原理图的侧视图；

图6为激光测距原理图的的立体图。

图中：1为激光扫描装置，2为输电线路(导线)，3为杆塔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

下面结合附图，对本实施例提供的基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法进行详细说明。

如图2所示，本实施例提供了一种基于激光三维成像的输电线路保护装置，其发明构思是：

控制系统给出激光发射模块发射脉冲指令信号，激光发射模块发射周期性激光脉冲信号，同时激光发射模块通过第一接收通道向时刻鉴别系统(时差检测模块)发出用于指示发射开始指令信号(该指令信号也可以是通过第一接收通道向时差检测模块发射的周期性激光脉冲信号)，时差检测模块接收到第一接收通道的指令信号，记下发射时间t₁，发射的激光脉冲信号到达被测目标，发生漫反射，漫反射的激光脉冲信号被激光接收模块的光电探测器接收，经第二接收通道到达时差检测模块，记下接收时间t₂，时差检测模块计算出激光脉冲信号发射时间与接收时间的时间间隔t₂-t₁；时差检测模块把测得的时间间隔值送到数据处理单元，数据处理单元算出最后的距离值。

显然随着激光三维成像的输电线路保护装置的周期性扫描，会得到一系列的距离数据，这些距离数据的重新组合加工就可以显示出输电线路与周边物体距离的图像，进而判断是否存在有绝缘安全隐患区域。

具体为：

一种基于激光三维成像的输电线路保护装置，包括：

-控制系统，用于给出激光扫描装置发射激光脉冲的指令信号；

-激光扫描装置，包括激光发射模块和激光接收模块：

激光发射模块，用于发射周期性激光脉冲信号，发射的周期性激光脉冲信号到达被测目标后发生漫反射，并发送至激光接收模块；同时，激光发射模块通过第一接收通道向时差检测模块发出用于指示发射开始的指令信号；

激光接收模块，用于接收经过漫反射的激光脉冲信号，并通过第二接收通道到达时差检测模块；

-微型云台，包括水平旋转电机和垂直偏转步进电机，所述激光扫描装置在水平旋转电机的驱动下匀速旋转，所述激光扫描装置在垂直偏转步进电机的驱动下指向垂直向下，最终实现输电线路下方半个球体空间内目标物体表面的扫描测距；

-时差检测模块，用于：接收第一接收通道的指令信号，记下发射时间t₁，接收第二接收通道的漫反射激光脉冲信号，记下接收时间t₂，并计算出激光脉冲信号发射时间与接收时间的时间间隔t＝t₂-t₁，并将得到的时间间隔值t送到数据处理单元；

-水平角度检测模块和垂直角度检测模块：其中，水平角度检测模块用于检测激光扫描装置与输电线路的水平夹角α，垂直角度检测模块用于检测激光扫描装置与地面垂直线的垂直夹角β；

-数据处理单元，用于根据时间间隔值t求出目标物体表面的反射点与激光扫描装置的距离L，并由距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算出目标物体表面到输电线路的最短距离。

进一步地，所述数据处理单元预设绝缘安全阈值。

如图1所示，本实施例同时提供了一种基于激光三维成像的输电线路保护方法，包括以下步骤：

步骤S1，以输电线路高压导线上安装的激光扫描装置为坐标原点，建立三维直角坐标系；

步骤S2，启动微型云台的水平旋转电机，并等待水平旋转电机为匀速旋转；

步骤S3，复位垂直偏转步进电机，使激光扫描装置的指向垂直向下，即，垂直夹角β为90度；

步骤S4，等待水平旋转电机水平旋转经过角度0度，即，水平夹角α为0度；

步骤S5，控制系统向激光扫描装置发出发射激光脉冲的指令信号，激光发射模块发出测距激光脉冲信号；

步骤S6，激光接收模块接收反射回来的激光脉冲信号，时差检测模块记录激光脉冲信号的发射时间与接收时间，并得到时间间隔值t，数据处理单元根据时间间隔值t计算目标物体与激光扫描装置之间的距离L；

步骤S7，数据处理单元根据距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算目标物体与输电线路的最短距离L_AB′；如果最短距离L_AB′小于绝缘安全阈值，则报警；

步骤S8，测量当前水平夹角α；

步骤S9：

-判断水平夹角α是否为下一个待测角度，如果是，则返回步骤S7重新执行，如果不是，则返回步骤S8重新执行；

-判断水平夹角α是否等于360度，如果是，则进入步骤S10，如果不是，则返回步骤S4重新执行；

步骤S10，使垂直偏转步进电机旋转一个角度；

步骤S11，判断垂直夹角β是否等于0度，如果是，则输出最短距离L_AB′结果，如果不是，则返回步骤S4重新执行。

进一步地，所述步骤S6中，数据处理单元根据时间间隔值t计算目标物体与激光扫描装置之间的距离L，具体为：

其中，c为空气中的光速。

进一步地，所述步骤S7中，数据处理单元根据距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算目标物体与输电线路的最短距离L_AB′，具体为：

设，O点为激光扫描装置所在点，A点为目标物体的一处表面，B’点为A点到输电线路最短距离所对应的点，线段OB’对应为线段OA在输电线路上的投影，A点在输电线路所在水平面上的投影为B点，A点在输电线路所在垂直面上的投影为A’点，则：

L_AB＝L×sin∠BOA

L_OB＝L×cos∠BOA

L_BB′＝L_OB×sin∠BOB′

$L_{A{B}^{\′}}=\sqrt{{L_{AB}}^2+{L_{B{B}^{\′}}}^2}$

其中，L_AB为A点到B点之间的距离；L_OB为O点到B点之间的距离；L_BB′为B点到B’点之间的距离；∠BOA＝90°-β；∠BOB′＝α。

如图3和图4、图5、图6所示，为激光测距的几何原理图。图中，O点表示激光三维成像装置，A点为目标物体(一棵树)的一处表面，B’点为A点到导线最短距离所对应的点，OB’对应为OA在导线上的投影；目标物体(一棵树)的一处表面，AO为A点到O点的距离L，激光器与导线的水平夹角α为∠BOB′，激光器与地面垂直线的夹角为(90-∠BOA)，AB’即为物体与导线之间的最短距离，根据下列公式即可求得距离。再根据算法判断其是否在安全范围内。

A点到导线的最短距离计算过程为：

L_AB＝L_OA×sin∠BOA

L_OB＝L_OA×cos∠BOA

L_BB′＝L_OB×sin∠BOB′

$L_{A{B}^{\′}}=\sqrt{{L_{AB}}^2+{L_{B{B}^{\′}}}^2}$

L_AB′为目标物体到输电导线的最短距离，其值如果大于设定的绝缘安全距离，则对导线的绝缘没有影响；激光发射器通过结合水平旋转和垂直偏转的微型云台实现输电导线下方半个球体区域物体的扫描测距，并依据绝缘安全距离判别输电导线的安全隐患。

本实施例提供的基于激光三维成像的输电线路保护装置及方法，以输电线路高压导线上安装的激光扫描装置为坐标原点，建立三维直角坐标系；采用激光，并通过微型云台实现导线下方半个球体空间内目标物体表面的扫描测距，实时记录激光的发射时刻、经由目标物体表面反射后的激光接收时刻、与导线的水平夹角α和激光束与地面垂直线的夹角β。根据测距得到的激光接收和发射时刻之间的时间差t求出反射点与激光发射器的距离L；由L、α和β计算出目标物体表面到输电导线的最短距离。本实施例从输电线路上感应取电，对输电导线下方进行扫描测距和计算，显示出输电导线周边物体的三维图像，便于直观查看绝缘安全隐患的区域；易于运用到输电线路维护的实际工程中。

本实施例提供的激光三维成像的输电线路安全防护方法及装置，其核心还包括对脉冲法激光测距精度的提高。由公式可以知道，距离的测量实际上就是激光飞行时间的测量。通过脉冲计数法和时间拓展法的结合可以将时间测量的误差缩小。

通过测量一组数据来显示该方法对于提高测距时间精度的效果，如表1所示，表1体现了计数法与时间拓展法结合前后的测量误差：

表1

由表1可见，利用计数法和时间拓展法相结合的方法可以提高测距精度。这样在软件绘制三维图像时，能够更清晰的显示出反射物表面的轮廓信息，方便工作人员直观看到影响输电导线安全运行的物体，做出更为有效的应对措施。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于激光三维成像的输电线路保护装置，其特征在于，包括：

-控制系统，用于给出激光扫描装置发射激光脉冲的指令信号；

-激光扫描装置，包括激光发射模块和激光接收模块：

激光发射模块，用于发射周期性激光脉冲信号，发射的周期性激光脉冲信号到达被测目标后发生漫反射，并发送至激光接收模块；同时，激光发射模块通过第一接收通道向时差检测模块发出用于指示发射开始的指令信号；

激光接收模块，用于接收经过漫反射的激光脉冲信号，并通过第二接收通道到达时差检测模块；

-微型云台，包括水平旋转电机和垂直偏转步进电机，所述激光扫描装置在水平旋转电机的驱动下匀速旋转，所述激光扫描装置在垂直偏转步进电机的驱动下指向垂直向下，最终实现输电线路下方半个球体空间内目标物体表面的扫描测距；

-时差检测模块，用于：接收第一接收通道的指令信号，记下发射时间t₁，接收第二接收通道的漫反射激光脉冲信号，记下接收时间t₂，并计算出激光脉冲信号发射时间与接收时间的时间间隔t＝t₂-t₁，并将得到的时间间隔值t送到数据处理单元；

-水平角度检测模块和垂直角度检测模块：其中，水平角度检测模块用于检测激光扫描装置与输电线路的水平夹角α，垂直角度检测模块用于检测激光扫描装置与地面垂直线的垂直夹角β；

-数据处理单元，用于根据时间间隔值t求出目标物体表面的反射点与激光扫描装置的距离L，并由距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算出目标物体表面到输电线路的最短距离。

2.根据权利要求1所述的基于激光三维成像的输电线路保护装置，其特征在于，所述数据处理单元预设绝缘安全阈值。

3.一种基于激光三维成像的输电线路保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，以输电线路高压导线上安装的激光扫描装置为坐标原点，建立三维直角坐标系；

步骤S2，启动微型云台的水平旋转电机，并等待水平旋转电机为匀速旋转；

步骤S3，复位垂直偏转步进电机，使激光扫描装置的指向垂直向下，即，垂直夹角β为90度；

步骤S4，等待水平旋转电机水平旋转经过角度0度，即，水平夹角α为0度；

步骤S5，控制系统向激光扫描装置发出发射激光脉冲的指令信号，激光发射模块发出测距激光脉冲信号；

步骤S6，激光接收模块接收反射回来的激光脉冲信号，时差检测模块记录激光脉冲信号的发射时间与接收时间，并得到时间间隔值t，数据处理单元根据时间间隔值t计算目标物体与激光扫描装置之间的距离L；

步骤S7，数据处理单元根据距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算目标物体与输电线路的最短距离L_AB′；如果最短距离L_AB′小于绝缘安全阈值，则报警；

步骤S8，测量当前水平夹角α；

步骤S9：

-判断水平夹角α是否为下一个待测角度，如果是，则返回步骤S7重新执行，如果不是，则返回步骤S8重新执行；

-判断水平夹角α是否等于360度，如果是，则进入步骤S10，如果不是，则返回步骤S4重新执行；

步骤S10，使垂直偏转步进电机旋转一个角度；

步骤S11，判断垂直夹角β是否等于0度，如果是，则输出最短距离L_AB′结果，如果不是，则返回步骤S4重新执行。

4.根据权利要求3所述的基于激光三维成像的输电线路保护方法，其特征在于，所述步骤S6中，数据处理单元根据时间间隔值t计算目标物体与激光扫描装置之间的距离L，具体为：

其中，c为空气中的光速。

5.根据权利要求3所述的基于激光三维成像的输电线路保护方法，其特征在于，所述步骤S7中，数据处理单元根据距离L、水平夹角α和垂直夹角β计算目标物体与输电线路的最短距离L_AB′，具体为：

设，O点为激光扫描装置所在点，A点为目标物体的一处表面，B’点为A点到输电线路最短距离所对应的点，线段OB’对应为线段OA在输电线路上的投影，A点在输电线路所在水平面上的投影为B点，则：

L_AB＝L×sin∠BOA

L_OB＝L×cos∠BOA

L_BB′＝L_OB×sin∠BOB′

$L_{{\mathrm{AB}}^{\′}}=\sqrt{{L_{AB}}^2+{L_{{\mathrm{BB}}^{\′}}}^2}$

其中，L_AB为A点到B点之间的距离；L_OB为O点到B点之间的距离；L_BB′为B点到B’点之间的距离；∠BOA＝90°-β；∠BOB′＝α。