CN109523761B - 基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统及方法 - Google Patents

基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统及方法，所述位置校正系统包括控制装置以及分别与所述控制装置连接的三维云台、二极管校验装置和图像捕捉装置，其中，所述二极管校验装置包括分别设置于相邻的两个围栏竖杆上的激光二极管和光敏传感器，所述图像捕捉装置包括摄像头和带点光源参照物，所述摄像头设置于围栏竖杆上，所述带点光源参照物固定设置于距竖杆30cm处，所述三维云台与围栏竖杆匹配设置，且围栏竖杆竖直安装于三维云台上，控制装置根据二极管校验装置和图像捕捉装置的反馈结果控制三维云台运动，从而校正围栏竖杆的位置。与现有技术相比，本发明具有校正效率高、能进行及时校正等优点。

Description

基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统及方法
技术领域
本发明涉及变电站周界防护技术领域，涉及一种变电站周界激光围栏，尤其是涉及一种基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统及方法。
背景技术
目前，激光围栏大量应用在变电站安全监测中，是防止异物入侵、保护设备的必要装置。然而，现有的围栏即便是采用固定于作业现场的缩式围栏支架，但长时间的户外运行，会由于底座形变、装置积水、伸缩不稳定等因素发生位置偏移，导致激光围栏因接受不到对方信号，而产生错误报警。传统的激光围栏位置校正都是通过人工手段完成，工作效率较低，不能及时进行偏移校正。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有激光围栏长时间运行后，位置偏移造成的系统误报问题而提供一种基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统，所述周界激光围栏包括相对设置的至少两个围栏竖杆，所述位置校正系统包括控制装置以及分别与所述控制装置连接的三维云台、二极管校验装置和图像捕捉装置，其中，
所述二极管校验装置包括分别设置于相邻的两个围栏竖杆上的激光二极管和光敏传感器，
所述图像捕捉装置包括摄像头和带点光源参照物，所述摄像头设置于围栏竖杆上，所述带点光源参照物固定设置于距竖杆30cm处，
所述三维云台与围栏竖杆匹配设置，且围栏竖杆竖直安装于三维云台上，
控制装置根据二极管校验装置和图像捕捉装置的反馈结果控制三维云台运动，从而校正围栏竖杆的位置。
进一步地，所述二极管校验装置设有两组。
进一步地，每一围栏竖杆上设有一摄像头，每一摄像头对应设置一带点光源参照物。
进一步地，所述控制装置包括：
自动检测模块，用于接收二极管校验装置的反馈结果，判断是否需要启动自动校正；
自动校正模块，在所述自动检测模块的判断结果为是时响应，用于接收图像捕捉装置的反馈结果，控制三维云台运动，校正围栏竖杆的位置，并通过二极管校验装置的反馈结果判断是否校正完成。
进一步地，所述带点光源参照物为带LED光源参照物。
本发明还提供一种利用所述的位置校正系统实现的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正方法，包括以下步骤：
1)启动位置校正系统；
2)控制装置启动二极管校验装置，判断二极管校验装置是否能够接收到信号，若是，则产生激光围栏故障信号，若否，则执行步骤3)；
3)控制装置启动图像捕捉装置和三维云台，位于围栏竖杆上的所述摄像头在三维云台的带动下捕捉所述带点光源参照物，生成实时图像；
4)控制装置根据所述实时图像与预留参考图像的比对结果，控制三维云台运动，直至实时图像与预留参考图像一致，且实时图像与预留参考图像中的带点光源参照物的坐标一致；
5)判断二极管校验装置是否能够接收到信号，若是，则校正结束，若否，则返回步骤3)。
进一步地，所述步骤1)中，在接收到到达检验周期信号或系统报警信号时，启动位置校正系统。
进一步地，所述步骤3)中，摄像头在三维云台的带动下捕捉所述带点光源参照物的具体过程包括：
301)控制装置控制三维云台在水平位置处以初始姿态左右旋转角度a，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4)，若否，则执行步骤302)；
302)控制装置控制三维云台相对初始姿态上扬角度b后左右旋转角度a，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4)，若否，则执行步骤303)；
303)控制装置控制三维云台相对初始姿态下倾角度b后左右旋转角度a，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4)，若否，产生报警信号。
进一步地，所述角度a为5°～25°。
进一步地，所述角度b为5°～25°。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1)本发明为基于图像捕捉与三维云台相结合的位置校正系统，通过自身系统模块控制摄像头对参照物的捕捉、三维云台的调整、激光二极管和传感器校验，提高了位置校正精度。
2)本发明利用可见光摄像头对参照物的捕捉，指引三维云台运动，以实现对激光围栏位置的校正。并通过激光围栏上的激光二极管和光敏电阻以确定系统是否正常，校正是否成功。
3)与以往的人工校正相比，避免了人力物力的耗费，能更加及时的对激光围栏位置偏移进行校正，提升了校正的效率和准确性，解决了激光围栏系统由于位置偏移造成的信号丢失、误报的问题。
附图说明
图1为本发明位置校正系统的结构框图；
图2为本发明变电站周界激光围栏位置校正示意图；
图3为本发明位置校正方法的流程图；
图4为参照物实例图；
图5为三维云台实例图；
图6为三维云台轨道示意图；
图7为捕捉到参照物时照片初始状态；
图8为经过第一阶段校正后照片；
图9为经过第二阶段校正后照片；
图10为经过第三阶段校正完的照片；
图11为本发明位置校正系统的平台第一姿态(三维云台以初始姿态旋转一圈捕捉参照物)；
图12为本发明位置校正系统的平台第二姿态(三维云台以相对初始姿态上扬10度水平旋转一圈捕捉参照物)；
图13为本发明位置校正系统的平台第三姿态(三维云台以相对于初始姿态下倾10度水平旋转一圈捕捉参照物)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
激光围栏由于在室外长时间运行后，固定端机械形变(如热胀冷缩)造成短距离小角度的偏离。然而由于以往的位置偏移校准大多采用人工方式，导致效率低下，且不能及时解决问题，导致严重后果。如图1和图2所示，本实施例实现一种基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统，周界激光围栏包括相对设置的至少两个围栏竖杆，围栏竖杆设有多组相对应的激光源1和激光接收器2，位置校正系统包括控制装置3以及分别与控制装置3连接的三维云台4、二极管校验装置5和图像捕捉装置6，其中，二极管校验装置5包括分别设置于相邻的两个围栏竖杆上的激光二极管7和光敏传感器8，图像捕捉装置6包括摄像头9和带点光源参照物10，摄像头9设置于围栏竖杆上，带点光源参照物10固定设置于距竖杆30cm处，三维云台4与围栏竖杆匹配设置，且围栏竖杆竖直安装于三维云台4上。上述位置校正系统首先利用摄像头捕捉参照物，再用预留参考图像与拍摄照片进行对比，引导三维云台进行水平、垂直、前后运动；当参考图像和拍摄照片一致，且参考物上三个光源位置在图像阵列位置正确时，通过光敏传感器检测是否接受到激光二极管信号，确定位置校准是否成功；最后通过激光围栏是否接到对方信号，以确定系统是否正常。
本实施例中，二极管校验装置设有两组，分别对应设置于相邻的两个围栏竖杆上。本实施例的二极管校验装置中，激光二极管特性如下：型号：SLD3234VF，波长：405nm，输出功率：100mW，工作电流：110mA，供电电压：5-5.2V；安装位置位于距离激光围栏竖杆顶部3CM位置；
光敏传感器特性如下：型号：PT1024A，材料：锗(Ge)；安装位置位于距离激光围栏竖杆顶部5CM位置。
本实施例中，每一围栏竖杆上设有一摄像头，每一摄像头对应设置一带点光源参照物，带点光源参照物离围栏竖杆的距离可为30cm。本实施例的图像捕捉装置中，摄像头型号：OV5116CMOS，最大分辨率：1600x1200，像素：300万；安装位置距离激光围栏底部3cm位置；如图4所示，带点光源参照物包括4个型号为JXX-DGY-3的LED光源(3个黄色、1个红色)，参照物安装位置距离激光围栏30cm位置，且镶嵌在水泥里(保证绝对稳定)。进行图像捕捉并调整时，每一围栏竖杆可由各自的控制模块进行。
控制装置3包括自动检测模块31和自动校正模块32，自动检测模块31用于接收二极管校验装置的反馈结果，判断是否需要启动自动校正；自动校正模块32在自动检测模块的判断结果为是时响应，用于接收图像捕捉装置的反馈结果，控制三维云台运动，校正围栏竖杆的位置，并通过二极管校验装置的反馈结果判断是否校正完成。本实施例中，控制装置3由AT89C51单片机实现。
如图5和图6所示，三维云台带有电机驱动，可由系统模块指挥其“上”“下”“左”“右”“前”“后”六种基本动作方式，最小移动动作为1度。本实施例中，三维云台带保护桶41，以避免外界对他的干扰；桶口带有橡胶保护套口42，和三维云台托盘43连接，以防异物、雨水进入。三维云台的电机型号：美蓓亚N30微型直流电机；工作电压：5V。
由于摄像头9安装于围栏竖杆上，而围栏竖杆安装于三维云台4上，所以三维云台4可带动摄像头运动以捕捉带点光源参照物10。三维云台4带动摄像头9运动的距离换算公式为D2＝A2+B2-2ABcosα。这里距离
Figure BDA0001822984900000051
当R＝0.3m，α＝1°时，D＝0.005m。即云台每移动1°，相对于参照物和摄像头移动0.005m，这样可以保证精度要求。
利用上述位置校正系统实现的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正方法，如图3所示，包括以下步骤：
1)在接收到到达检验周期信号或系统报警信号时，启动位置校正系统；
检验周期可设置为1个月，当激光围栏接受不到对方信号时产生系统报警信号；
2)控制装置启动二极管校验装置，判断二极管校验装置是否能够接收到信号，若是，则产生激光围栏故障信号，若否，则执行步骤3)；
3)控制装置启动图像捕捉装置和三维云台，位于围栏竖杆上的摄像头在三维云台的带动下捕捉带点光源参照物，生成实时图像；
4)控制装置根据实时图像与预留参考图像的比对结果，控制三维云台运动，直至实时图像与预留参考图像一致，且实时图像与预留参考图像中的带点光源参照物的坐标一致；
5)判断二极管校验装置是否能够接收到信号，若是，则校正结束，若否，则返回步骤3)。
在校正结束后还需要检测激光围栏是否能正常工作，若不能，则需要人工更换故障激光围栏。
步骤3)中，摄像头在三维云台的带动下捕捉带点光源参照物的过程基于图像模板匹配和模板目标跟踪方法实现，具体包括：
301)控制装置控制三维云台在水平位置处以初始姿态(即第一姿势)左右旋转角度a，如图11所示，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4)，若否，则执行步骤302)，角度a和角度b可为5°～25°，本实施例中，角度a和角度b均选择10°；
302)控制装置控制三维云台相对初始姿态上扬角度b(第二姿势)后左右旋转角度a，如图12所示，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4)，若否，则执行步骤303)；
303)控制装置控制三维云台相对初始姿态下倾角度b(第三姿势)后左右旋转角度a，如图13所示，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4)，若否，产生报警信号，需人工处理。
步骤4)中，当摄像头捕捉到参照物时，则根据摄像头的实时图像和预留参考图像进行轮廓、坐标比对，指引三维云台进行左右、垂直、前后调整。
任意位置都可以用X、Y、Z轴来表示，任意运动都可以由X、Y、Z进行分解，因此激光围栏的位置复原也可以用X、Y、Z表示。先将三维云台的3个电机进行分组，负责前后运动的X电机对应X轴、负责左右运动的Y电机对应Y轴、负责上下运动的Z电机负责Z轴。可见光摄像头只能拍摄二维图片，因此控制装置先用X、Y坐标轴进行图片划分，接着识别出红色光源位置，再根据参照物红色光源的位置将距离用X、Y轴分解。第一阶段：在根据红色点对应的X、Y坐标指引云台的Y电机和Z电机进行左右、上下转动，直到红色光源位于原点位置。第二阶段，当红色光源位于原点时，在识别出和红色光源相近的两个黄色光源，根据与红色光源相近的两个光源位置进行位置X、Y轴分解，系统在根据X、Y坐标指引云台Y电机和电机Z运动，直到这两个光源都在X轴上；接着，在根据最后一个光源位置进行X、Y轴分解，系统根据X、Y轴位置指引Y电机和Z电机运动，直到最后一个光源位于Y轴。第三阶段：当三个光源都在X、Y轴上时，系统模块将再次根据三个光源的坐标和预留图片中三个光源坐标进行对比，当Y轴上点坐标小于预留坐标，启动X电机进行调整、直到所有光源坐标和预留照片坐标一致，即四个光源位置分别为(-3,0)、(0,0)、(3，0)，(0，4)，校正过程如图7-图10所示。
具体计算方法如下：假设初始阶段排到图片的坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)。第一步，中心红色点对齐：(X1,Y1)，Y轴(Y电机)移动角度为n1＝X1/0.005；Z轴(Z电机)移动角度为m1＝Y1/0.005。第二步，经过第一步后红色中心点相连的2个黄色光源位置(X22,Y22)、(X23,Y23)校正：Y轴(Y电机)移动角度为n2＝|3-X23|/0.005；Z轴(Z电机)移动角度为m2＝Y23/0.005。第三步，经过第2步后第3个黄色光源位置(X34,Y34)校正：X轴(X电机)移动角度为z＝|4-Y34|/0.005。
当实时图像轮廓与预留参考图像对比一致后、光源坐标正确后，云台校正结束。
步骤5)中，启动激光校验，激光二极管开启，由于两个激光围栏校正时间可能不同，一旦启动激光效应，则激光二极管开启时间为30分钟，控制装置检测光敏传感器是否接受到对方激光二极管信号；若接受不到则关闭20分钟后再次开启，如此动作重复3次，若3次后还是没激光二极管信号，蜂鸣器发出告警，需人为处理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，所述周界激光围栏包括相对设置的至少两个围栏竖杆，其特征在于，所述位置校正系统包括控制装置以及分别与所述控制装置连接的三维云台、二极管校验装置和图像捕捉装置，其中，
所述二极管校验装置包括分别设置于相邻的两个围栏竖杆上的激光二极管和光敏传感器，
所述图像捕捉装置包括摄像头和带点光源参照物，所述摄像头设置于围栏竖杆上，所述带点光源参照物固定设置于距竖杆30cm处，
所述三维云台与围栏竖杆匹配设置，且围栏竖杆竖直安装于三维云台上，
控制装置根据二极管校验装置和图像捕捉装置的反馈结果控制三维云台运动，从而校正围栏竖杆的位置；
所述控制装置包括：
自动检测模块，用于接收二极管校验装置的反馈结果，判断是否需要启动自动校正，所述反馈结果为光敏传感器检测是否接受到激光二极管信号；
自动校正模块，在所述自动检测模块的判断结果为是时响应，用于接收图像捕捉装置的反馈结果，控制三维云台运动，校正围栏竖杆的位置，并通过二极管校验装置的反馈结果判断是否校正完成；
所述校正方法包括以下步骤：
1）启动位置校正系统；
2）控制装置启动二极管校验装置，判断二极管校验装置是否能够接收到信号，若是，则产生激光围栏故障信号，若否，则执行步骤3）；
3）控制装置启动图像捕捉装置和三维云台，位于围栏竖杆上的所述摄像头在三维云台的带动下捕捉所述带点光源参照物，生成实时图像；
4）控制装置根据所述实时图像与预留参考图像的比对结果，控制三维云台运动，直至实时图像与预留参考图像一致，且实时图像与预留参考图像中的带点光源参照物的坐标一致；
5）判断二极管校验装置是否能够接收到信号，若是，则校正结束，若否，则返回步骤3）；
所述步骤3）中，摄像头在三维云台的带动下捕捉所述带点光源参照物的具体过程包括：
301）控制装置控制三维云台在水平位置处以初始姿态左右旋转角度a，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4），若否，则执行步骤302）；
302）控制装置控制三维云台相对初始姿态上扬角度b后左右旋转角度a，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4），若否，则执行步骤303）；
303）控制装置控制三维云台相对初始姿态下倾角度b后左右旋转角度a，判断摄像头是否捕捉到带点光源参照物，若是，则生成实时图像，执行步骤4），若否，产生报警信号。
2.根据权利要求1所述的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，其特征在于，所述二极管校验装置设有两组。
3.根据权利要求1所述的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，其特征在于，每一围栏竖杆上设有一摄像头，每一摄像头对应设置一带点光源参照物。
4.根据权利要求1所述的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，其特征在于，所述带点光源参照物为带LED光源参照物。
5.根据权利要求1所述的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，其特征在于，所述步骤1）中，在接收到到达检验周期信号或系统报警信号时，启动位置校正系统。
6.根据权利要求1所述的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，其特征在于，所述角度a为5°~25°。
7.根据权利要求1所述的基于图像捕捉的变电站周界激光围栏位置校正系统的校正方法，其特征在于，所述角度b为5°~25°。
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