CN108767793A - 激光除冰装置监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光除冰装置监控系统，包括终端监控系统、通信模块、目标监控系统和激光除冰装置，终端监控系统用于发送针对激光除冰装置的监控指令，控制系统按照通信协议要求将监控指令处理为协议帧，通过通信模块传送出去，或者获取和处理通信模块传递过来的远程信息；目标监控系统接收通信系统传递过来的协议指令帧并进行解析处理，传送给激光除冰装置，当装置反馈指令信息时，将相应参数数据按照通信协议要求传送给通信模块。本发明涉及的监控系统，可监测设备工作状态与覆冰清除结果，进行后期数据分析、检修与运维，在提升激光除冰装置工作效果的可靠性与运行稳定性方面具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统高压输电线覆冰清除的监控技术，具体涉及一种激光除冰装置监控系统。
背景技术
激光除冰装置所用激光功率大、能量高，需进行其危险性的监控；覆冰图像的实时跟踪要求图像识别出的线缆与覆冰位置较为准确，保证图像质量高、转台的精度高与稳定性相对较好，上述设备需要准确配合才能有效地使用激光完成输电线的覆冰清除，需要对装置进行工作状态的监控，同时有利于后期维护与检修。
目前，对于输电线路进行覆冰清除的两种主要方法中，人工作业多依赖肉眼观察，缺少对整个覆冰清除过程的可靠性监控。另外一种无人机搭载喷火装置或者利用其他机械式遥控装置除冰等的监控方面很少针对从执行到结束的工作状态反馈，监控判断尚未上升到自动化水平。在通信方式方面，单独的有线通信和无线通信方式较多，缺少二者的结合，在成本、适应性、设备维护上做不好相应的平衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光除冰装置监控系统，增加清除高压线覆冰过程的安全性、稳定性，为后期维护与检修提供帮助，从而能够高效完成清除架空输电线路上覆冰的任务。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种激光除冰装置监控系统，包括终端监控系统、通信模块、目标监控系统和激光除冰装置；所述激光除冰装置包括转台、激光部件、底座、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器模块；所述控制系统包括工控机和控制驱动部件，工控机与视觉传感器模块连接，调整视觉传感器参数；视觉传感器模块捕获线缆与覆冰后，将图像传给工控机进行图像识别；控制系统通过控制驱动部件和转台相连，进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件和视觉传感器模块转动；工控机将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件，调整转台进行跟踪，并带动激光部件对覆冰进行清除；
所述通信模块用于连接目标监控系统和终端监控系统，所述终端监控系统用于发送针对激光除冰装置的监控指令，包括图像处理、转台和激光的工作状态；所述控制系统按照通信协议要求将监控指令处理为协议帧，通过通信模块传送出去，同时获取和处理通信模块传递过来的远程信息；所述目标监控系统与激光除冰装置连接，接收所述通信系统传递过来的协议指令帧，监控指令后进行解析处理，并传送给激光除冰装置，当装置反馈指令信息时，将相应参数数据按照通信协议要求传送给通信模块；所述激光除冰装置用于执行除冰操作，根据监控指令，将工作状态、参数数据信息进行反馈。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)灵活性强，可按照操作指令自由监测设备的工作状态与覆冰清除结果；(2)适应性强，可进行有线通信和无线通信方式的选择，适合多种距离、天气、地形等的工作条件；(3)增加了监控对象性能的可靠性与稳定性；(4)自动化水平高，能够对装置从执行到结束的工作状态反馈进行持续监控，极大的提高了自动化水平。
附图说明
图1是本发明激光除冰装置监控系统的总装结构示意图。
图2是终端监控系统结构示意图。
图3是通信模块结构与连接示意图。
图4是本发明激光除冰装置监控系统工作流程示意图。
图5是本发明激光除冰装置的总装结构示意图。
图6为本发明激光除冰装置的应用示意图。
图7是俯仰部件和方位部件的结构示意图。
图8是方位部件的剖面图和俯视图。
图9是俯仰部件的俯视图。
图10是激光除冰装置的控制系统工作示意图。
附图标识：1为转台，2为激光部件，3为底座，4为视觉传感器模块，5为方位部件，6为俯仰部件，7为方位力矩电机，8为方位旋变发送机，9为轴承座一，10为轴承座二，11为俯仰力矩电机，12为俯仰旋变发送机，13为联接部件，14为方位限位锁零部件，15为方位底座，16为方位支架，17为激光发射头，18为俯仰限位锁零部件，19为激光蓄电池，20为直流电源，21激光控制箱，22为工控机，23为显示器，24为输入装置，25为激光除冰装置，26为车体。
具体实施方式
结合图1，一种激光除冰装置监控系统，包括终端监控系统、通信模块、目标监控系统和激光除冰装置；所述激光除冰装置包括转台1、激光部件2、底座3、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器模块4；所述控制系统包括工控机22和控制驱动部件，工控机22与视觉传感器模块4连接，调整视觉传感器参数，使图像视野清晰；视觉传感器模块4和工控机22连接，捕获线缆与覆冰后，将图像传给工控机22进行图像识别；控制系统通过控制驱动部件和转台相连，进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件2和视觉传感器模块4转动；工控机22将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件，调整转台进行跟踪，并带动激光部件2对覆冰进行清除；
如图4所示，所述通信模块用于连接目标监控系统和终端监控系统，所述终端监控系统用于发送针对激光除冰装置的监控指令，包括图像处理、转台、激光的工作状态；所述控制系统按照通信协议要求将监控指令处理为协议帧，通过通信模块传送出去，或者获取和处理通信模块传递过来的远程信息；所述目标监控系统与激光除冰装置相连，接收所述通信系统传递过来的协议指令帧，监控指令后进行解析处理，并传送给激光除冰装置，当装置反馈指令信息时，将相应参数数据按照通信协议要求传送给通信模块；所述激光除冰装置用于执行除冰操作，根据监控指令，将工作状态、参数数据信息进行反馈。
如图2所示，所述终端监控系统置于远程服务站，包括终端主机、输入输出设备、报警模块和电源模块，所述终端主机用于发送针对激光除冰装置的监控指令以及接收相应指令反馈数据，包括整个装置的工作状态，具体包括：图像处理的识别状态、跟踪状态2个方面的监控指令，转台的开锁、关锁、调转3个方面的监控指令，激光的开关状态、工作功率、工作温度3个方面的监控指令；所述输出设备用于显示异常信息，所述报警模块用于进行声光报警，所述输入设备提供给工作人员操作进行具体情况的查看；所述电源模块主要用于为终端主机、输入输出设备、报警模块提供稳定的工作电源。
所述控制系统按照通信方式的通信协议要求，将监控指令处理成协议传输所需的协议消息帧形式后，发送给所述通信模块传送出去；同样的，从通信模块传递过来的监控反馈为消息帧，所述控制系统解析为数据并进行校验，如果校验出错则发送请求重发命令，经过通信模块往回发送给所述目标监控系统，否则保存按协议解析出来的原始数据，并将原始数据信息与相应阈值进行比较和判断，若发现异常则将异常信息发送给所述输出设备，同时将异常命令发送给报警模块；控制系统保存每次监控反馈解析出来的原始数据、分析判断结果以及异常信息3种数据信息。
进一步的，所述协议帧为Modbus_RTU协议帧。
进一步的，控制系统将原始数据信息进行比较和判断，具体为：
控制系统对于图像处理工作状态的判断，包括图像识别状态和图像跟踪状态；对线缆和覆冰进行图像识别的成功与否具有相应的初步识别结果编码，首先，控制系统根据反馈的结果编码直接判断初步识别是否成功，若失败则判定目标的图像识别失败；若成功，进一步根据反馈的目标位置与识别范围进行判断，若目标位置在识别范围之内，则整个图像识别的工作状态为正常，否则为失败；图像跟踪状态建立在图像识别正常的前提下，根据多组目标位置与识别范围进行分析，观察每次目标位置与识别范围中心位置的像素差，当存在连续10组的像素差大于设定阈值时，判定为不在跟踪状态；
控制系统对于转台工作状态的判断，包括转台的开锁、关锁、以及调转3个方面；开锁、关锁具有对应的指令编码，控制系统根据反馈的编码，直接判断转台处于何种工作状态；对调转的工作状态判断有两方面，其一，是否处于调转状态，根据与调转对应的指令编码直接判断；其二，是否调转到位，记录每一组反馈回来的转台位置、根据覆冰位置计算出的调转角度，将当前转台位置与上一次的调转角度比较，判断转台调转是否到位；
控制系统对于激光工作状态的判断，包括激光的开关状态、工作功率、工作温度3个方面；激光的开启与关闭具有对应的指令编码，可直接进行判断；反馈的工作功率与工作温度值根据激光厂方提供的正常工作状态下的功率与温度进行判断。
如图3所示，所述通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，用于传输监控指令和监控反馈；所述无线通信模块包括第一无线数据传输模块和第二无线数据传输模块，第二无线数据传输模块与所述终端监控系统相连，将所述控制系统处理后的监控指令消息帧发送给第一无线数据传输模块，第一无线数据传输模块与所述目标监控系统相连，将来自所述目标监控系统的监控反馈消息帧发送给第二无线数据传输模块；所述有线通信模块通过数据线完成所述终端监控系统和所述目标监控系统之间的消息帧传输。本发明提供有线和无线两种通信方式，可根据距离、地形、天气进行自由选择。
进一步的，所述目标监控系统和通信模块相连，用于处理监控指令协议，解析出监控指令并进行校验，如果校验出错则发送请求重发命令，经通信模块往回发给所述终端监控系统；所述目标监控系统和激光除冰装置连接，用于将解析出来的监控指令传递给激光除冰装置，并在完成激光除冰装置监控指令反馈数据的接收后，将数据处理成协议传输所需的协议消息帧形式，发送给所述通信模块反馈回去。
进一步的，如图5所示，本发明的激光除冰装置，图6为激光除冰装置的应用示意图。
如图7所示，所述转台1包括方位部件5和俯仰部件6，所述方位部件5安装在所述底座3上方，所述俯仰部件6安装在方位部件5上方，所述激光部件2和视觉传感器模块4安装俯仰部件6的联接部件13上；
如图8所示，所述方位部件5包括方位力矩电机7、方位旋变发送机8、方位限位锁零部件18、方位底座15和方位支架16；所述方位底座15与底座3连接，方位支架16和俯仰部件6连接；所述方位旋变发送机8置于底座3内部，用于将实际方位转动的角度通过电信号发送给控制驱动部件；所述方位力矩电机7位于方位旋变发送机8上方，实现激光除冰装置在方位上的0～180度转动；所述方位限位锁零部件14位于方位支架16边缘，与方位底座15连接，通过控制驱动部件的命令使其落入方位底座15一个圆孔中时，锁定方位，固定方位支架16；所述方位支架16位于整个方位部件5的正上方，用于连接俯仰部件6，带动其在方位上转动；
如图9所示，所述俯仰部件6包括轴承座一9、轴承座二10、俯仰力矩电机11、联接部件13、俯仰旋变发送机12和俯仰限位锁零部件18；所述轴承座一9和轴承座二10与方位部件5连接，跟随方位部件5转动；所述俯仰力矩电机11位于所述轴承座一9中，用于驱动联接部件13在0～70度俯仰旋转；所述联接部件13横架在俯仰力矩电机11和俯仰旋变发送机12中间，作为传动结构，并与所述视觉传感器模块4和激光部件2相连，带动它们一起转动；所述俯仰旋变发送机12置于轴承座二10中，通过与联接部件13转动得到实际俯仰转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件；所述俯仰限位锁零部件18安装在所述轴承座二10内侧的联接部件13末端，通过控制驱动部件的命令使锁柱送入轴承座二10一个圆孔中，通过固定方联接部件13来机械限定俯仰力矩电机11的俯仰角度；
所述底座3位于装置的最底部，给整个装置提供支撑。
所述激光部件2包括激光发射头17和激光控制箱21；所述激光发射头17通过光纤与所述激光控制箱21连接，与视觉传感器模块4跟随联接部件13转动。所述电源系统包括激光蓄电池19和直流电源20；
所述视觉传感器模块4安装在俯仰部件6的联接部件13上，跟随其一起转动，并实时采集前方图像信息通过以太网传送给所述控制系统，并接收工控机22信号指令传给视觉传感器；
所述直流电源20用于给整个电机负载、输入输出装置及视觉传感器模块4供电，所述激光蓄电池19用于给所述激光部件2中激光控制箱21供电；
所述输入输出装置包括显示器23和输入装置24；所述显示器23通过HDMI接口接收工控机22信号，显示控制系统控制界面；所述输入装置24用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机22。
如图10所示，所述控制系统包括工控机22和控制驱动部件；所述工控机22以太网串口发送命令给视觉传感器模块4，用于实现图像参数改变；所述工控机22通过以太网连接视觉传感器模块4，实现图像获取和识别、定位线路和覆冰，得到相应的位置、形态信息反馈给控制驱动部件；所述工控机22通过RS422串口与所述控制驱动部件连接实现转台1转动切割；所述工控机22与所述输入输出装置连接实现人机交互；所述控制驱动部件位于底座3中，通过方位旋变发送机8、俯仰旋变发送机12分别接收方位部件5和俯仰部件6的角度信息，并通过RS422串口传给工控机22，同时接收工控机22信息控制方位部件5和俯仰部件6，进行两自由度运动。
综上所述，本发明的一种激光除冰装置监控系统，具有灵活性强，适应性强，可辅助与增强激光除冰装置性能的可靠性与稳定性，自动化水平高的特点。首先，系统可对监测设备的工作状态与覆冰清除结果进行监控，或按照工作人员操作自由选择监控指令；其次，可进行有线通信和无线通信方式的选择，适合多种距离、天气、地形等的工作条件；最后，系统能够对装置从执行到结束的工作状态反馈进行持续的过程监控，极大的提高了自动化水平。
Claims (10)
1.一种激光除冰装置监控系统，其特征在于，包括终端监控系统、通信模块、目标监控系统和激光除冰装置；所述激光除冰装置包括转台(1)、激光部件(2)、底座(3)、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器模块(4)；所述控制系统包括工控机(22)和控制驱动部件，工控机(22)与视觉传感器模块(4)连接，调整视觉传感器参数；视觉传感器模块(4)捕获线缆与覆冰后，将图像传给工控机(22)进行图像识别；控制系统通过控制驱动部件和转台(1)相连，进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件(2)和视觉传感器模块(4)转动；工控机(22)将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件，调整转台(1)进行跟踪，并带动激光部件(2)对覆冰进行清除；
所述通信模块用于连接目标监控系统和终端监控系统，所述终端监控系统用于发送针对激光除冰装置的监控指令，包括图像处理、转台和激光的工作状态；所述控制系统按照通信协议要求将监控指令处理为协议帧，通过通信模块传送出去，同时获取和处理通信模块传递过来的远程信息；所述目标监控系统与激光除冰装置连接，接收所述通信系统传递过来的协议指令帧，监控指令后进行解析处理，并传送给激光除冰装置，当装置反馈指令信息时，将相应参数数据按照通信协议要求传送给通信模块；所述激光除冰装置用于执行除冰操作，根据监控指令，将工作状态、参数数据信息进行反馈。
2.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述终端监控系统置于远程服务站，包括终端主机、输入输出设备、报警模块和电源模块，所述终端主机用于发送针对激光除冰装置的监控指令以及接收相应指令反馈数据，包括整个装置的工作状态，具体包括：图像处理的识别状态、跟踪状态2个方面的监控指令，转台的开锁、关锁、调转3个方面的监控指令，激光的开关状态、工作功率、工作温度3个方面的监控指令；所述输入输出设备用于人机交互和显示异常信息，所述报警模块用于进行声光报警，所述电源模块主要用于为终端主机、输入输出设备、报警模块提供稳定的工作电源。
3.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述控制系统按照通信方式的通信协议要求，将监控指令处理成协议传输所需的协议消息帧形式后，发送给所述通信模块传送出去；同样的，从通信模块传递过来的监控反馈为消息帧，所述控制系统解析为数据并进行校验，如果校验出错则发送请求重发命令，经过通信模块往回发送给所述目标监控系统，否则保存按协议解析出来的原始数据，并将原始数据信息与相应阈值进行比较和判断，若发现异常则将异常信息发送给所述输出设备，同时将异常命令发送给报警模块；控制系统保存每次监控反馈解析出来的原始数据、分析判断结果以及异常信息3种数据信息。
4.根据权利要求3所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述协议帧为Modbus_RTU协议帧。
5.根据权利要求3所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，控制系统将原始数据信息进行比较和判断，具体为：
控制系统对于图像处理工作状态的判断，包括图像识别状态和图像跟踪状态；对线缆和覆冰进行图像识别的成功与否具有相应的初步识别结果编码，首先，控制系统根据反馈的结果编码直接判断初步识别是否成功，若失败则判定目标的图像识别失败；若成功，进一步根据反馈的目标位置与识别范围进行判断，若目标位置在识别范围之内，则整个图像识别的工作状态为正常，否则为失败；图像跟踪状态建立在图像识别正常的前提下，根据多组目标位置与识别范围进行分析，观察每次目标位置与识别范围中心位置的像素差，当存在连续10组的像素差大于设定阈值时，判定为不在跟踪状态；
控制系统对于转台工作状态的判断，包括转台的开锁、关锁、以及调转3个方面；开锁、关锁具有对应的指令编码，控制系统根据反馈的编码，直接判断转台处于何种工作状态；对调转的工作状态判断有两方面，其一，是否处于调转状态，根据与调转对应的指令编码直接判断；其二，是否调转到位，记录每一组反馈回来的转台位置、根据覆冰位置计算出的调转角度，将当前转台位置与上一次的调转角度比较，判断转台调转是否到位；
控制系统对于激光工作状态的判断，包括激光的开关状态、工作功率、工作温度3个方面；激光的开启与关闭具有对应的指令编码，根据指令编码进行判断；反馈的工作功率与工作温度值根据激光厂方提供的正常工作状态下的功率与温度进行判断。
6.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述通信模块包括无线通信模块和有线通信模块，用于传输监控指令和监控反馈；所述无线通信模块包括第一无线数据传输模块和第二无线数据传输模块，第二无线数据传输模块与所述终端监控系统相连，将所述控制系统处理后的监控指令消息帧发送给第一无线数据传输模块，第一无线数据传输模块与所述目标监控系统相连，将来自所述目标监控系统的监控反馈消息帧发送给第二无线数据传输模块；所述有线通信模块通过数据线完成终端监控系统和目标监控系统之间的消息帧传输。
7.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述目标监控系统和通信模块相连，用于处理监控指令协议，解析出监控指令并进行校验，如果校验出错则发送请求重发命令，经通信模块往回发给所述终端监控系统；所述目标监控系统和激光除冰装置连接，用于将解析出来的监控指令传递给激光除冰装置，并在完成激光除冰装置监控指令反馈数据的接收后，将数据处理成协议传输所需的协议消息帧形式，发送给所述通信模块反馈回去。
8.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述转台(1)包括方位部件(5)和俯仰部件(6)，所述方位部件(5)安装在所述底座(3)上方，所述俯仰部件(6)安装在方位部件(5)上方，所述激光部件(2)和视觉传感器模块(4)安装在俯仰部件(6)的联接部件(13)上；
所述方位部件(5)包括方位力矩电机(7)、方位旋变发送机(8)、方位限位锁零部件(18)、方位底座(15)和方位支架(16)；所述方位底座(15)与底座(3)连接，方位支架(16)和俯仰部件(6)连接；所述方位旋变发送机(8)置于底座(3)内部，用于将实际方位转动的角度通过电信号发送给控制驱动部件；所述方位力矩电机(7)位于方位旋变发送机(8)上方，实现激光除冰装置在方位上的0～180度转动；所述方位限位锁零部件(14)位于方位支架(16)边缘，与方位底座(15)连接，通过控制驱动部件的命令使其落入方位底座(15)一个圆孔中时，锁定方位，固定方位支架(16)；所述方位支架(16)位于整个方位部件(5)的正上方，用于连接俯仰部件(6)，带动其在方位上转动；
所述俯仰部件(6)包括轴承座一(9)、轴承座二(10)、俯仰力矩电机(11)、联接部件(13)、俯仰旋变发送机(12)和俯仰限位锁零部件(18)；所述轴承座一(9)和轴承座二(10)与方位部件(5)连接，跟随方位部件(5)转动；所述俯仰力矩电机(11)位于所述轴承座一(9)中，用于驱动联接部件(13)在0～70度俯仰旋转；所述联接部件(13)横架在俯仰力矩电机(11)和俯仰旋变发送机(12)中间，作为传动结构，并与所述视觉传感器模块(4)和激光部件(2)相连，带动它们一起转动；所述俯仰旋变发送机(12)置于轴承座二(10)中，通过与联接部件(13)转动得到实际俯仰转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件；所述俯仰限位锁零部件(18)安装在所述轴承座二(10)内侧的联接部件(13)末端，通过控制驱动部件的命令使锁柱送入轴承座二(10)一个圆孔中，通过固定方联接部件(13)来机械限定俯仰力矩电机(11)的俯仰角度；
所述底座(3)位于装置的最底部，给整个装置提供支撑。
9.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述激光部件(2)包括激光发射头(17)和激光控制箱(21)；所述激光发射头(17)通过光纤与所述激光控制箱(21)连接，与视觉传感器模块(4)跟随联接部件(13)转动；所述电源系统包括激光蓄电池(19)和直流电源(20)；
所述直流电源(20)用于给电机负载、输入输出装置及视觉传感器模块(4)供电，所述激光蓄电池(19)用于给所述激光部件(2)中激光控制箱(21)供电；
所述输入输出装置包括显示器(23)和输入装置(24)；所述显示器(23)通过HDMI接口接收工控机(22)信号，显示控制系统控制界面；所述输入装置(24)用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机(22)。
10.根据权利要求1所述的激光除冰装置监控系统，其特征在于，所述控制系统包括工控机(22)和控制驱动部件；所述工控机(22)以太网串口发送命令给视觉传感器模块(4)，用于实现图像参数改变；所述工控机(22)通过以太网连接视觉传感器模块(4)，实现图像获取和识别、定位线路和覆冰，得到相应的位置、形态信息反馈给控制驱动部件；所述工控机(22)通过RS422串口与所述控制驱动部件连接实现转台(1)转动切割；所述工控机(22)与所述输入输出装置连接实现人机交互；所述控制驱动部件位于底座(3)中，通过方位旋变发送机(8)、俯仰旋变发送机(12)分别接收方位部件(5)和俯仰部件(6)的角度信息，并通过RS422串口传给工控机(22)，同时接收工控机(22)信息控制方位部件(5)和俯仰部件(6)，进行两自由度运动。
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