CN109269427A - 一种输电线路覆冰厚度精确测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电线路覆冰厚度精确测量系统及其测量方法，包括悬挂于无人机的三轴云台、相机和测距探头，相机、超声探头和激光探头安装在三轴云台的俯仰旋转轴架上且拍摄方向和距离探测方向保持平行。本发明通过悬挂无人机的三轴云台安装照相机和测距模块（超声探头和激光探头），实现输电线路覆冰厚度的精确测量，采用超声探头和激光探头的两种测距探头，能够针对不同环境情况下的测量，实现优势互补以及相互比较，使得测量数据更加精确，避免漏测情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电线路覆冰厚度精确测量系统及其测量方法，属于覆冰厚度测量设备技术领域。
背景技术
当前无人机电力线路巡检，主要依托光学成像设备进行定性分析，需进行较为精确（厘米或毫米级）的尺寸测量时，往往需采用激光成像设备，不仅采购费用高昂，且使用时受激光点云密度、扫描距离等影响，对小尺寸物体、高密度分布设备的分辨率并不高，如在导线覆冰厚度测量、金具锈蚀面积测量、导线断股定量分析等方面激光扫描就无能为力；人工巡视检测、观冰站以及在线检测等，人工巡视劳动强度大、时间长，检测结果准确度不高等问题。而在线检测中的称重法、导线倾角-弧垂法均为间接测量，所得数据不直观，且间接计算仅能针对档内覆冰的整体情况，无法连续直观的反应覆冰情况，而图像法多应用于固定的在线式监控设备，观测距离近，且存在冰雪覆盖摄像头影响观测的情况，限制较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种输电线路覆冰厚度精确测量系统及其测量方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种输电线路覆冰厚度精确测量系统，包括悬挂于无人机的三轴云台、相机和测距探头，相机、超声探头和激光探头安装在三轴云台的俯仰旋转轴架上且拍摄方向和距离探测方向保持平行。
优选的，上述相机的快门线和超声探头电连接到控制器一，激光探头电连接到控制器二，控制器一与控制器二间电连接，控制器二通过无线模块一连接到控制器三，控制器三电连接到视频叠加模块，视频叠加模块电连接有相机的视频信号端，视频叠加模块通过无线模块二连接到地面监控终端。
一种输电线路覆冰厚度精确测量系统的测量方法，该方法为：
（1）利用超声探头及激光探头对目标进行测距；
（2）将步骤（1）中所得数据合成为一个数据包，通过无线模块一传输到控制器三；
（3）控制器三对数据进行数据处理并去除背景无效数据，得到一个与无人机最近的数据，这组数据即为导线、金具与照相机镜头间实际距离；
（4）再由控制器三将数据发送至视频叠加模块与相机实时视频图像进行叠加，通过无线传输模块二传至地面监控终端的显示器显示，操作人员即可通过地面数据有效控制无人机与被测物间距离进行定距拍摄；
（5）通过对目标测得的实际大小和标准大小作对比，实现覆冰厚度测量。
步骤（3）中的数据处理：采用滤波算法：无人机巡检时，通过回传实时视频图像进行初步的距离评估，在靠近杆塔20米时速度会降低至4米/秒以下，且受空气放电距离要求，瓷瓶和金具距离塔身均大于一米以上，按超声测距最小数据刷新率50次来计算，如无人机靠近塔时最大速度4米/秒，则单一目标单次数据波动应不大于8厘米/次；且无人机巡检为塔外侧靠近，瓷瓶、金具均可视为最近目标反射点，因此初步采用按组循环比对，每次比对7个回波数据，为一个周期，比对出单组最小数据后，将每次更新数据与之比对，周期内变化小于560厘米的均视为有效数据保留更新，大于的放弃、过滤；如周期内均为过大数据，则视为测距目标转换，按新的七个回波重新比对出最小数据进行新一轮的数据滤波及提取。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1）本发明通过悬挂无人机的三轴云台安装照相机和测距模块（超声探头和激光探头），实现输电线路覆冰厚度的精确测量，采用超声探头和激光探头的两种测距探头，能够针对不同环境情况下的测量，实现优势互补以及相互比较，使得测量数据更加精确，避免漏测情况；
（2）测距模块中采用无线传输方式传输数据，减少线缆布置，提高云台工作可靠性和稳定性，采用无线模块远传数据到地面实现地面的远程监控；
（3）采用三控制器的连接方式，独立进行运算，能够提高运算效率和数据传输可靠性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的前视结构示意图；
图3为本发明的俯视结构示意图；
图4为本发明的左视结构示意图；
图5为本发明的后视结构示意图；
图6为成像原理图；
图7为简易电路框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-图7所示，一种输电线路覆冰厚度精确测量系统，包括悬挂于无人机的三轴云台1、相机2、超声探头3和激光探头4，相机2、超声探头3和激光探头4安装在三轴云台1的俯仰旋转轴架5上且拍摄方向和距离探测方向保持平行。
优选的，上述相机2的快门线和超声探头3电连接到控制器一，激光探头4电连接到控制器二，控制器一与控制器二间电连接，控制器二通过无线模块一连接到控制器三，控制器三电连接到视频叠加模块，视频叠加模块电连接有相机2的视频信号端，视频叠加模块通过无线模块二连接到地面监控终端。
三轴云台1包括竖直旋转机构7、倒立L型支架8、左右摇摆驱动机构9、横梁10、俯仰臂11和俯仰驱动机构12以及俯仰旋转轴架5，竖直旋转机构7上端固定连接悬挂板6，下端连接倒立L型支架8并能够驱动倒立L型支架8旋转，倒立L型支架8下端连接左右摇摆驱动机构9，左右摇摆驱动机构9输出旋转端连接横梁10并能够驱动横梁10左右摇摆，横梁10两端均连接有一俯仰臂11，两俯仰臂11间通过俯仰驱动机构12连接俯仰旋转轴架5，俯仰驱动机构12能够驱动俯仰旋转轴架5俯仰运动。
一种输电线路覆冰厚度精确测量系统的测量方法，该方法为：
（1）利用超声探头及激光探头对目标进行测距；
（2）将步骤（1）中所得数据合成为一个数据包，通过无线模块一传输到控制器三；
（3）控制器三对数据进行数据处理并去除背景无效数据，得到一个与无人机最近的数据，这组数据即为导线、金具与照相机镜头间实际距离；
（4）再由控制器三将数据发送至视频叠加模块与相机实时视频图像进行叠加，通过无线传输模块二传至地面监控终端的显示器显示，操作人员即可通过地面数据有效控制无人机与被测物间距离进行定距拍摄；
（5）通过对目标测得的实际大小和标准大小作对比，实现覆冰厚度测量。
步骤（3）中的数据处理：采用滤波算法：无人机巡检时，通过回传实时视频图像进行初步的距离评估，在靠近杆塔20米时速度会降低至4米/秒以下，且受空气放电距离要求，瓷瓶和金具距离塔身均大于一米以上，按超声测距最小数据刷新率50次来计算，如无人机靠近塔时最大速度4米/秒，则单一目标单次数据波动应不大于8厘米/次；且无人机巡检为塔外侧靠近，瓷瓶、金具均可视为最近目标反射点，因此初步采用按组循环比对，每次比对7个回波数据，为一个周期，比对出单组最小数据后，将每次更新数据与之比对，周期内变化小于560厘米的均视为有效数据保留更新，大于的放弃、过滤；如周期内均为过大数据，则视为测距目标转换，按新的七个回波重新比对出最小数据进行新一轮的数据滤波及提取。激光测距模块因数据刷新率达到150ＨＺ以上，因此可采用更大的比对数据组，同时采用更复杂的计算方式进行数据滤波，最终测距数据刷新率、准确率都将提高至一个新的程度。
本发明中主要依据光学相机成像原理，采用标定镜头角度的方法，在仅测定距离的条件下通过三角测量法确定每像素实际尺寸，最后通过对照片中目标物体进行像素测量，经计算后即可得到实际尺寸。
每一款相机，都有一个成像像素，其反映为所得照片按每英寸72像素分布的最终照片尺寸，以索尼Ａ6000为例，其照片像素尺寸为6000×4000，总2400万像素，且相同焦段的镜头，其取景范围是一定的，也就是镜头取景角度是与焦段相关并相对固定的，因此，其在不同距离下，每像素所代表的具体尺度也是可以被计算的，具体详见图6。
设：L1、L2分别为两次不同取景距离，D1、D2分别为两次取景时重直范围，α为镜头垂直取景角度，P为照片垂直像素值，其中，P值与相机型号、照片像素相对固定，即一个型号的像机，P值就是定值；α值与镜头型号、焦段相对固定，即一个型号的镜头，α值就是定值，通过上图可以看出，相同的相机、镜头，随距离远，其所拍摄范围相应变大，相对照片中相同物体就变小，每像素代表实际尺寸相应增大，但均与tanα成比例关系，因此有：
Xmm/px=tan(α/2)*L*2/P
注：Xmm/px为毫米/像素
通过上述公式，我们可以利用已知大小的标准物体，在已知标准距离下拍摄的照片，对任意一款镜头进行角度标定，设标准物体已知高度为l，标准距离为L1，实测像素为Ｍ，则：
α＝ctan[(l/M*D1)/2/L1]3
利用一次标准拍摄，完成某款相机及镜头的标定，至此，该相机所拍摄任意照片，只需测得拍摄时与被摄物体间距即可完成相应的精度测量工作。且由于像素为边长相等的正方型，只需测出垂直方向每像素所代表实际尺寸，也就可测量全照片水平方向任意尺寸。
实例：测试对象：220Kv某线路直线塔
测试方式：通过对该直线塔金具点导线及塔外三十米单导线分别进行定距拍摄，比对成像像素差距，如两次拍摄，导线在照片中实际像素解算差距较小，则证明系统对复杂背景及细小物体测距处理适当，可有效测定240/30导线在不同位置与巡检无人机间准确距离；如偏差过大，则说明测距系统处置失败，无法精确测定有效距离。
测试过程：１、通过两次室内定距拍摄，标定系统镜头，采用50mm焦距进行标定；
２、定距3米分别对导线在瓷瓶处及塔外三十米处拍摄两张照片；
３、通过分别比对定距3米处两张照片实际导线直径计算值与真实值间误差，并对同一定距下不同位置照片进行导线直径的像素比对，通过差值验证定距精确度；
测试设备：无人机超声/激光测距系统，仅含超声测距模组，操作手通过回传数据人工定距，设定拍摄距离3米；
测试结果如下：
镜头角度标定值：通过3米及5米对已知物体分别拍摄并计算，分别得到该镜头角度23.90及23.89，取整按23.9度标度该镜头角。
3米定距拍摄分析： 其分析计算分别如下
3米定距对瓷瓶侧导线像素测量结果，取三个不同点位测量，像素分别为64.003、64.698、64.014，取中间值，按64.014进行比对及计算，经公式计算，每像素所代表具体尺寸为0.3175；则导线直径约为20.32mm；
3米定距对瓷瓶侧导线像素测量结果，取三个不同点位测量，像素分别为68.519、67.215、67.767，取中间值，按67.676进行比对及计算，经公式计算，每像素所代表具体尺寸为0.3175；则导线直径约为21.49mm；
通过分析我们可以看出，由于无人机的移动以及实际控制中对3米定距操作的误差，两次拍摄照片对导线直径测量像素差为3.662个，实际带来的计算误差为1.162mm；同时，与LGB－240/30导线规格表进行对照，导线真实直径取21.6mm，计算值与真实值间误差最大为-1.28mm，最小为-0.11mm,平均值间误差为-0.695；均小于±2mm范围。如采用5米定距时，每像素代表尺寸为0.509mm，上述像素差值最大为1.864mm，平均值为0.932mm，均小于系统设计初如需求误差；同时，以导线标准尺寸进行反向计算，可得出两次拍摄时实际无人机与导线间距分别为3188.6mm及3016.070米，无人机操作定距误差为+188.6mm及+16.070mm，均小于0.5米范围，符合无人机有风情况下悬停飘摆规律。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种输电线路覆冰厚度精确测量系统，其特征在于：包括悬挂于无人机的三轴云台（1）、相机（2）、超声探头（3）和激光探头（4），相机（2）、超声探头（3）和激光探头（4）安装在三轴云台（1）的俯仰旋转轴架（5）上且拍摄方向和距离探测方向保持平行。
2.根据权利要求1所述的一种输电线路覆冰厚度精确测量系统，其特征在于：相机（2）的快门线和超声探头（3）电连接到控制器一，激光探头（4）电连接到控制器二，控制器一与控制器二间电连接，控制器二通过无线模块一连接到控制器三，控制器三电连接到视频叠加模块，视频叠加模块电连接有相机（2）的视频信号端，视频叠加模块通过无线模块二连接到地面监控终端。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种输电线路覆冰厚度精确测量系统的测量方法，其特征在于：该方法为：
（1）利用超声探头及激光探头对目标进行测距；
（2）将步骤（1）中所得数据合成为一个数据包，通过无线模块一传输到控制器三；
（3）控制器三对数据进行数据处理并去除背景无效数据，得到一个与无人机最近的数据，这组数据即为导线、金具与照相机镜头间实际距离；
（4）再由控制器三将数据发送至视频叠加模块与相机实时视频图像进行叠加，通过无线传输模块二传至地面监控终端的显示器显示，操作人员即可通过地面数据有效控制无人机与被测物间距离进行定距拍摄；
（5）通过对目标测得的实际大小和标准大小作对比，实现覆冰厚度测量。
4.根据权利要求3所述的一种输电线路覆冰厚度精确测量系统的测量方法，其特征在于：步骤（3）中的数据处理：采用滤波算法：无人机巡检时，通过回传实时视频图像进行初步的距离评估，在靠近杆塔20米时速度会降低至4米/秒以下，且受空气放电距离要求，瓷瓶和金具距离塔身均大于一米以上，按超声测距最小数据刷新率50次来计算，如无人机靠近塔时最大速度4米/秒，则单一目标单次数据波动应不大于8厘米/次；且无人机巡检为塔外侧靠近，瓷瓶、金具均可视为最近目标反射点，因此初步采用按组循环比对，每次比对7个回波数据，为一个周期，比对出单组最小数据后，将每次更新数据与之比对，周期内变化小于560厘米的均视为有效数据保留更新，大于的放弃、过滤；如周期内均为过大数据，则视为测距目标转换，按新的七个回波重新比对出最小数据进行新一轮的数据滤波及提取。
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