CN108808550A - 激光清除异物装置半自动除异物方法 - Google Patents

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韩宇
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Abstract

本发明公开了一种激光清除异物装置半自动除异物方法。由视觉传感器采集、显示器显示当前图像信息；控制系统进行图像识别，得到异物点缠绕信息，并对其进行解算，转化为角度坐标发送指令给转台，使其转动，跟踪异物缠绕点；根据输入装置的信息，进入切割模式；控制系统根据接收到的切割循环次数和切割速度指令，计算出相应的转台指令，点击切割路径的起点和终点，控制系统根据起点和终点的像素信息，解算得到角度信息，计算出每一时刻对应的转台指令；激光部件发送激光，控制系统发送相对应的角度指令给转台，控制转台带动激光部件转动，完成切割任务。本发明通过视觉传感器将目标位置显示出来，在自动跟踪的基础上，通过用户端控制激光清除异物装置，提高了装置对复杂异物的适应能力，提高了切割效率。

Description

激光清除异物装置半自动除异物方法
技术领域
本发明涉及智能化清除高压输电线异物领域，具体地说，是一种激光清除异物装置半自动除异物方法。
背景技术
架空输电线沿线环境复杂，风筝和风筝线、农用塑料布、广告布、遮阳网等漂浮性异物经常缠挂在输电线路上，导致线路跳闸停电或线路损毁，给电力系统和社会造成了极大的经济损失。
目前，对于输电线路进行异物清除的主要方法有两种，一种是工作人员上塔清除，具有需攀爬杆塔、走线、高电压高空作业、难度高、风险大、耗时长、需停电作业等缺点，耗费了大量人力物力。另外一种使用较多的方法是无人机搭载喷火装置或者利用其他机械式遥控装置除异物，对于不同的异物，同一装置可能需要改变多种操作方法才能完成切割，其中一些方法也会对电缆造成损害，没有能够大面积推广使用。
由于异物种类、缠绕方式多种多样，目前的有关高压线缆清除异物设备在实际工作过程中，往往需要耗费大量的体力劳动，且会存在切割不干净的现象，控制复杂、效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光清除异物装置半自动除异物方法，通过选择切割路径和速度，增加清除高压线异物过程中的灵活度、机动性、控制精度、切割效率，从而能够完成清除架空输电线路上异物的任务。
实现本发现目的的技术解决方案为：一种激光清除异物装置半自动除异物方法，步骤如下：
所述半自动切割方式是指对不同形态的异物进行无差别的半自动模式切割。设置切割参数和切割路径，装置自动按照设定切割；具体步骤如下：
步骤一：视觉传感器采集当前图像信息，传送给控制系统，并在显示器上显示；
步骤二：当异物处于视觉传感器画面中时，控制系统发送命令到视觉传感器，改变视觉传感器内部参数，使采集的图像放大。此时，显示器上可清晰地显示异物图像信息；
步骤三：控制系统接收到操作指令，由控制系统对视觉传感器采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即异物与线缆的缠绕位置；
步骤四：控制系统将异物缠绕点的图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，发送指令给转台，使其转动，跟踪异物缠绕点；
步骤五：根据输入装置的信息，进入切割模式；
步骤六：控制系统根据接收到的切割循环次数和切割速度指令，计算出转台指令，该指令对应于转台转动的循环次数和转动速度；
步骤七：在视频中点击切割路径的起点和终点，控制系统根据起点和终点的像素信息，将图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，计算出转台指令，该指令对应于从切割路径起点到终点转台需要转过的角度；
步骤八：激光部件发送激光，控制系统发送步骤六和步骤七计算得到的转台指令给转台，控制转台带动激光部件转动。此时显示器显示出规划的路径，设备开始沿路径进行切割；
步骤九：切割完成后，控制系统对当前采集到的图像进行图像识别，如果依然有异物，控制系统返回步骤三，转台将继续跟踪异物，等待指令；若图像中没有异物，控制系统不发送指令给转台，等待结束。
使用上述切割方式的激光清除异物装置，包括转台、激光部件、输入输出装置、控制系统、视觉传感器，其中，转台包括方位部件和俯仰部件，方位部件安装在底座上方，俯仰部件安装在方位部件上方，激光部件包括激光发射头，激光发射头和视觉传感器安装俯仰部件上；
控制系统与视觉传感器连接，调整视觉传感器参数，视觉传感器用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件、俯仰部件相连，控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件、俯仰部件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转动；输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)灵活度高，结构使设备更轻便，能适应不同地形，且根据不同的实际情况选择不同的切割方式，能获得最佳的切割效果；(2)控制精度高，提高了操作精度；(3)切割效率高，能够在最合适的点对异物进行切割。
附图说明
图1是本发明的激光清除异物装置的总装结构示意图。
图2是本发明激光清除异物装置的俯仰部件和方位部件的结构示意图。
图3是本发明激光清除异物装置的方位部件的剖面图和俯视图。
图4是本发明激光清除异物装置的俯仰部件的俯视图。
图5是本发明激光清除异物装置的控制系统工作示意图。
图6是本发明激光清除异物装置半自动操作方法的流程图。
图7是本发明半自动操作方法中的切割方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，为使用本发明半自动除异物方法的激光清除异物装置的总装结构示意图，该装置包括转台1、激光部件2、底座3、电源系统、输入输出装置、控制系统、通信模块、视觉传感器8(优选高清工业相机)，其中转台1包括方位部件9和俯仰部件10。方位部件9安装在底座3上方，包括方位力矩电机11、方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12；俯仰部件10安装在方位部件9上方，包括轴承座一13、轴承座二14、俯仰力矩电机15；激光部件2包括激光发射头21和激光控制箱25，激光发射头21安装俯仰部件10的联接部件17上；视觉传感器8安装在俯仰部件10的联接部件17上。
控制系统中，工控机26与视觉传感器8连接，调整视觉传感器8焦距和广角参数，使视野清晰；视觉传感器8和工控机26连接，捕获异物点后，将图像传给工控机26进行图像识别；工控机26通过控制驱动部件29和方位部件9、俯仰部件10相连，可以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8转动；工控机26将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件29，调整方位部件9和俯仰部件10进行跟踪，并带动激光部件2对异物进行切割；控制系统和通信模块连接用于获取远程控制信息；电源系统为控制系统、视觉传感器8、方位部件9、俯仰部件10、激光部件2、通信模块供电。
如图2～4所示，方位部件9包括方位力矩电机11、方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12、方位限位锁零部件18、方位底座19和方位支架20。其中，方位支架20安装在方位底座19上，用于连接俯仰部件10。方位底座19固定在底座3上，俯仰部件10固定在方位支架20上。方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12固定在方位底座3内下方，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件29；方位力矩电机11固定在方位底座19内上方，与方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12通过转动轴连接，可实现装置在方位上的-180～180度转动；方位限位锁零部件18位于方位支架20边缘上，通过控制驱动部件29的命令使其落入方位底座3边缘的一个圆孔中，用于锁定方位，固定方位支架20。
俯仰部件10包括轴承座一13、轴承座二14、俯仰力矩电机15、联接部件17、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16、俯仰限位锁零部件22。其中，轴承座一13和轴承座二14固定安装在方位部件9的方位支架20上，轴承座一13和轴承座二14相互平行，跟随方位部件9转动；俯仰力矩电机15位于轴承座一13中，可实现0～90度俯仰旋转。联接部件17横架在俯仰力矩电机15和俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16之间，作为传动结构，并与视觉传感器8和激光发射头26相连，带动它们一起转动；俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16置于轴承座二14中，通过与联接部件17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29；俯仰限位锁零部件22位于轴承座二14内侧，用于机械限定俯仰力矩电机15的俯仰角度。方位支架20固定在方位底座19的上，用于连接俯仰部件10，带动其在方位上转动。
激光部件2包括激光发射头21和激光控制箱25，其中，激光发射头21通过光纤与激光控制箱25连接，发射激光，是激光光源处；激光发射头21安装在联接部件17上，与视觉传感器8随联接部件17一起转动。
电源系统包括激光蓄电池23和直流电源24。直流电源24主要用于给转台1、输入输出装置5及视觉传感器8供电。激光蓄电池23主要用于给激光部件2供电。
输入输出装置包括显示器27和输入装置28。显示器27通过HDMI接口接收工控机26信号，显示控制系统6控制界面；输入装置28用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机26。
如图5所示，控制系统包括工控机26和控制驱动部件29。工控机26通过RS485串口发送命令给视觉传感器8，用于实现焦距、广角窄角、预置位图像参数改变；工控机26通过同轴电缆接收视觉传感器8图像及信息，识别线路和异物，得到异物位置信息反馈给控制驱动部件29；工控机26通过RS422串口与控制驱动部件29连接实现转台1转动切割；工控机26与输入输出装置5连接实现人机交互；控制驱动部件29位于方位部件9中的方位底座19中，通过方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16分别接收方位部件9和俯仰部件10的角度信息，并通过RS422串口传给工控机26，同时接收工控机26信息控制方位部件9和俯仰部件10，进行两自由度运动。
通信模块包括无线发射模块30和无线接收模块，主要用于实现工控机26无线监控功能；通信模块具有无线唤醒功能和组网功能。
视觉传感器8固定安装在俯仰部件10的联接部件17上，跟随其一起转动，并实时采集前方图像信息通过同轴电缆传送给控制系统，并接收工控机26信号指令。
底座3位于装置的最底部，给整个装置提供稳定的支撑。
结合图6，所述半自动切割方式是指对不同形态的异物进行无差别的半自动模式切割，设置切割参数和切割路径，装置自动按照设定切割。具体步骤如下：
步骤一：视觉传感器采集当前图像信息，传送给控制系统，并在显示器上显示；
步骤二：当异物处于相机画面中时，控制系统发送命令到视觉传感器，改变相机内部参数，使采集的图像放大。此时，显示器上可清晰地显示异物图像信息；
步骤三：控制系统接收到操作指令，由控制系统对视觉传感器采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即异物与线缆的缠绕位置；
步骤四：控制系统将异物缠绕点的图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，发送指令给转台，使其转动，跟踪异物缠绕点；
步骤五：根据输入装置的信息，进入切割模式；
步骤六：控制系统根据接收到的切割循环次数和切割速度指令，计算出相应的转台指令；
步骤七：工作人员在视频中点击切割路径的起点和终点，控制系统根据起点和终点的像素信息，将图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，计算出对应的转台指令；
步骤八：激光部件发送激光，控制系统发送相对应的指令给转台，控制转台带动激光部件转动。此时显示器显示出规划的路径，设备开始沿路径进行切割；
步骤九：切割完成后，控制系统对当前采集到的图像进行图像识别，如果依然有异物，控制系统重复步骤三到四，转台将继续跟踪异物，等待指令；若图像中没有异物，控制系统不发送指令给转台，等待结束；
步骤十：如果需要继续切除，重复步骤一至九。
所述步骤三控制系统对采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即异物与线缆的缠绕位置的具体方法为：
步骤3.1：控制系统将相机捕捉到的像素值为n*m的图像灰度化；
步骤3.2：将图像转化成byte数组的形式，得到一个n*m的图像矩阵，其中每一个元素Aij对应该像素点的灰度值
步骤3.3：获取图像中指定区域的图像信息，转换为图像识别矩阵，将矩阵表示的图像信息在相机平面的坐标系中分别进行x轴和y轴的投影；对于图像识别矩阵中每一行、每一列求∑Ai，j，对该结果作曲线图，得到在x轴和y轴上的投影；
步骤3.4：通过分析投影得到的曲线，得到波谷值对应的图像坐标，即异物缠绕点坐标(x1，y1)；
求出y轴上波谷的像素宽，即得到线缆直径在相机平面中投影的宽度d。
所述步骤四的具体方法为：
根据摄像机模型中的针孔模型和三角形相似原理得出
其中，f为相机焦距，d是线缆直径在相机平面中投影的宽度，d0是线缆真实直径，通过该公式求出异物距离装置的真实距离Zc；
根据光路与相机成像轴心绝对平行，得出激光点在相机轴心对应点的相对固定位置处；现实坐标系中，设相机轴心对应点的坐标为(ac，bc)，则激光点位置为(ac+dx，bc+dy)，dx和dy分别为相同距离下，激光点与相机轴心对应点在现实坐标系下的固定位置差；
相机成像轴心对应的点在成像过程中，其在相机平面中的坐标始终不变，为(xc，yc)；设激光点在相机平面中的坐标为(x0，y0)，(x0，y0)＝(xc+dx'，yc+dy')，dx’和dy'为激光点与相机轴心对应点在相机平面坐标系下的坐标差，则：
解得(x0，y0)；
解算激光点相对角度坐标(θx0，θy0)
解算异物点相对角度坐标(θx1，θy1)
本发明在进行激光切割时，采用一种基于高压线异物分类的切割方法，针对不同情况设置除异物路径和模式，提高了作业效率，如图7所示，具体步骤如下：
步骤1、根据工作距离选择激光器；
步骤2，根据异物形态与缠绕方式确定除异物模式：
模式一：当异物为悬吊型时，调转激光瞄准异物与线缆之间的区域，沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用激光进行切割；
模式二：当异物为悬挂型时，调转激光沿异物与线缆的交线做重复平移扫描，利用激光进行切割；
模式三：当异物为缠绕型时，确定异物与线缆的接触点，调转激光依次对各接触点处做重复平移扫描，利用激光进行切割。
所述第一步选择的激光器为固体激光器，激光的峰值功率为300W，光斑直径不超过1cm；当工作距离在100米以内时，设置激光初始功率为100W；工作距离大于100米时，设置激光功率为150W。
所述悬吊型异物为细线连接着的面积较大的异物，细线与线缆直接接触，其交线小于0.5mm，异物悬吊在下方；
悬挂型异物为可识别的物体直接悬挂在线缆上，不与线缆发生缠绕，物体与线缆交线的长度大于0.5mm；
缠绕型异物为线状、带状或条状异物盘绕在线缆上，与线缆有多圈接触，且异物与线缆任意一处接触点的长度大于0.5mm。
所述模式一的具体执行步骤为：
步骤一：获取悬吊在线缆下方的异物的位置信息；
步骤二：由异物位置信息确定线缆与异物之间的区域；
步骤三：根据工作距离选择初始激光功率、扫描速度，在步骤二所确定的区域内对细线进行平移扫描，利用激光辐照材料时产生热效应进行切割；
步骤四：当前周期完成后，由获取的图像信息判断是否存在异物，若依然存在，则增加功率，重复步骤一到三重复平移扫描，直至异物脱落；若重复切割过程中，激光器功率增加到上限，则维持上限功率不变直至异物脱落。
所述模式二的具体执行步骤为：
步骤一：获取悬挂型异物的位置信息，并定位异物与线缆的交线；
步骤二：根据工作距离选择初始激光功率、扫描速度，沿交线起点到交线终点沿直线做平移扫描，利用激光辐照材料时产生热效应进行切割；
步骤三：当前周期完成后，由获取的图像信息判断是否存在异物，若依然存在，则增加功率，重复步骤一到二重复平移扫描，直至异物脱落；若重复切割过程中，激光器功率增加到上限，则维持上限功率不变直至异物脱落。
所述模式三的具体执行步骤为：
步骤一：获取缠绕型异物的位置信息，随机选取一个异物与线缆的接触点，设置初始激光功率、扫描速度，调转激光对接触点处做重复平移扫描，利用激光辐照材料时产生热效应进行切割；一个周期完成后，增加功率，继续做重复平移扫描，直至该接触点被切除；若重复切割过程中，激光器功率增加到上限，则维持上限功率不变直至该接触点被切除；
步骤二：放大针对异物的目标识别框；
步骤三：若识别框内再次出现接触点，按一定的切割顺序移动到该切割点处做重复平移扫描，一个周期完成后，增加功率，继续做重复平移扫描，直至该接触点被切除；若重复切割过程中，激光器功率增加到上限，则维持上限功率不变直至该接触点被切除；
步骤四：重复步骤二至三，直至缠绕型异物完全切除。
当激光工作在自动扫描状态，其扫描速度功率增量与工作距离的关系为：
扫描速度：其中l为工作距离，v的单位为°/s；
功率增量：其中Pmax为峰值上限功率，l为工作距离。

Claims (3)

1.一种激光清除异物装置半自动除异物方法，其特征在于：该方法基于激光清除异物装置，该装置包括转台(1)、激光部件(2)、输入输出装置、控制系统、视觉传感器(8)，其中，转台(1)包括方位部件(9)和俯仰部件(10)，方位部件(9)安装在底座(3)上方，俯仰部件(10)安装在方位部件(9)上方，激光部件(2)包括激光发射头(21)，激光发射头(21)和视觉传感器(8)安装在俯仰部件(10)上；
控制系统与视觉传感器(8)连接，调整视觉传感器参数，视觉传感器(8)用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件(9)、俯仰部件(10)相连，控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件(9)、俯仰部件(10)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(8)转动；输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息；
所述半自动切割方式具体步骤如下：
步骤一：视觉传感器采集当前图像信息，传送给控制系统，并在显示器上显示；
步骤二：当异物处于视觉传感器画面中时，控制系统发送命令到视觉传感器，改变视觉传感器内部参数，使采集的图像放大，显示器上清晰地显示异物图像信息；
步骤三：控制系统接收到操作指令，对视觉传感器采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即异物与线缆的缠绕位置；
步骤四：控制系统将异物缠绕点的图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，发送指令给转台，使其转动，跟踪异物缠绕点；
步骤五：根据输入装置的信息，进入切割模式；
步骤六：控制系统根据接收到的切割循环次数和切割速度指令，计算出转台指令，该指令对应于转台转动的循环次数和转动速度；
步骤七：在视频中选择切割路径的起点和终点，控制系统根据起点和终点的像素信息，将图像坐标进行解算，得到角度坐标，再根据坐标系的转换关系得到转台坐标，计算出转台指令，该指令对应于从切割路径起点到终点转台需要转过的角度；
步骤八：激光部件发送激光，控制系统发送步骤六和步骤七得到的转台指令给转台，控制转台带动激光部件转动；此时显示器显示出规划的路径，装置开始沿路径进行切割；
步骤九：切割完成后，控制系统对当前采集到的图像进行图像识别，如果依然有异物，返回步骤三，转台继续跟踪异物，等待指令；若图像中没有异物，控制系统不发送指令给转台，等待结束。
2.根据权利要求1所述的除异物方法，其特征在于：所述步骤三控制系统对采集到的图像中框定区域进行图像识别，得到图像坐标，即异物与线缆的缠绕位置的具体方法为：
步骤3.1：控制系统将相机捕捉到的像素值为n*m的图像灰度化；
步骤3.2：将图像转化成byte数组的形式，得到一个n*m的图像矩阵，其中每一个元素Aij对应该像素点的灰度值
步骤3.3：获取图像中指定区域的图像信息，转换为图像识别矩阵，将矩阵表示的图像信息在相机平面的坐标系中分别进行x轴和y轴的投影；对于图像识别矩阵中每一行、每一列求∑Ai，j，对该结果作曲线图，得到在x轴和y轴上的投影；
步骤3.4：通过分析投影得到的曲线，得到波谷值对应的图像坐标，即异物缠绕点坐标(x1，y1)；求出y轴上波谷的像素宽，即得到线缆直径在相机平面中投影的宽度d。
3.根据权利要求1或2所述的除异物方法，其特征在于：所述步骤四的具体方法为：
根据摄像机模型中的针孔模型和三角形相似原理得出
其中，f为相机焦距，d是线缆直径在相机平面中投影的宽度，d0是线缆真实直径，通过该公式求出异物距离装置的真实距离Zc；
根据光路与相机成像轴心绝对平行，得出激光点在相机轴心对应点的相对固定位置处；现实坐标系中，设相机轴心对应点的坐标为(ac，bc)，则激光点位置为(ac+dx，bc+dy)，dx和dy分别为相同距离下，激光点与相机轴心对应点在现实坐标系下的固定位置差；
相机成像轴心对应的点在成像过程中，其在相机平面中的坐标始终不变，为(xc，yc)；设激光点在相机平面中的坐标为(x0，y0)，(x0，y0)＝(xc+dx'，yc+dy')，dx’和dy'为激光点与相机轴心对应点在相机平面坐标系下的坐标差，则：
解得(x0，y0)；
解算激光点相对角度坐标(θx0，θy0)
解算异物点相对角度坐标(θx1，θy1)
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