CN112056301A - 一种变电站自主侦测驱鸟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站自主侦测驱鸟系统，所述系统包括：双目相机、处理控制模块、激光应答模块、太阳能供电模块。系统工作流程为：双目相机将采集到的实时图像送入处理控制模块进行处理；首先进行运动目标的检测，然后对运动目标进行分类和定位，判断运动目标是否为行人或鸟；在未检测到行人的前提下，若检测到鸟，则进行双目立体匹配获取深度信息来得到鸟的实际位置信息；根据实际位置信息发送相应控制信号到激光应答模块来控制云台和激光器做出应答动作，来对检测到的鸟进行针对性照射，完成驱赶。本发明利用图像处理结果自主控制激光器的转动实现驱鸟功能，系统智能化程度高，可以达到长期有效的驱鸟效果。

Description

一种变电站自主侦测驱鸟系统

技术领域

本发明涉及输变电场景下的驱鸟技术领域，尤其涉及一种变电站自主侦测驱鸟系统。

背景技术

近年来，由于鸟类活动而导致的变电站跳闸故障频发，严重威胁了电网的安全稳定运行。为了降低鸟害对变电站内设备安全性的危害，需要对落在变电站内的鸟及时进行驱赶。

现有的驱鸟方式主要有安装驱鸟刺、人工驱赶、化学剂驱鸟、超声波驱鸟、声音驱鸟等，但由于鸟类具有较强的适应能力，现有驱鸟方式不具有耐受性，很难达到长期有效的驱鸟效果，且智能化程度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种变电站自主侦测驱鸟系统，能够对变电站监视区内鸟的自主识别与精准定位，并自动驱赶。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种变电站自主侦测驱鸟系统，包括：

双目相机：用于采集监视区内的实时双目视频图像，并将图像作为输入送入处理控制模块进行相应的图像处理操作；

处理控制模块：包括工控机、USB转串口芯片，用于对输入图像进行处理，同时根据处理结果输出相应的控制信号；

激光应答模块：包括可控云台和激光器，用于接收来自处理控制模块的控制信号来完成相应的驱鸟应答动作；

还包括：

太阳能供电模块：用于为系统其它模块提供所需的工作电压，包括太阳能电池板、太阳能充电控制芯片、蓄电池和输出控制芯片。

系统工作流程为：双目相机将采集到的监视区内的实时视频图像作为输入送入处理控制模块进行处理；首先进行运动目标的检测，若无运动目标，则继续监视，否则对检测到的运动目标进行分类与定位，判断运动目标是否包含人和鸟；若监视区内存在人，则不进行后续操作，继续保持监视状态；在未检测到人的前提下，若检测到鸟，则进行双目立体匹配计算图像深度信息来得到鸟的实际位置信息；根据鸟的实际位置信息进行分析判断，发送控制信号到云台控制器来自主控制云台和激光器做出应答动作，对检测到的鸟进行针对性照射，完成驱赶。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明的变电站自主侦测驱鸟系统，利用智能图像处理实现了对变电站监视区内鸟的自主识别与精准定位，并利用位置信息自主控制云台与激光器的转动实现针对性驱鸟功能，具有长期有效的驱鸟效果，实现了驱鸟的智能化，不需要过多人为操作干预。

另外，太阳能板的使用扩大了系统可部署区域，且系统轻便，可根据鸟类季节性、区域性随时移动部署地点；驱鸟激光器仅在检测到鸟时开启，避免了激光器的长时间、不间断工作，延长了激光器使用寿命，且系统在检测到监视区内有人时，会停止激光应答动作，避免了激光器对工作人员可能造成的伤害。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的变电站自主侦测驱鸟系统框图；

图2是根据本发明实施例提供的变电站自主侦测驱鸟系统单次侦测过程图；

图3是根据本发明实施例提供的云台支架结构图；

图4是根据本发明实施例提供的变电站自主侦测驱鸟系统信号传输与自主控制原理图；

图5是根据本发明实施例提供的云台PID控制原理图。

图中标记：1.水平轴电机，2.横滚轴电机，3.俯仰轴电机，4.激光器，5.双目相机，6.云台激光控制器，7.USB转串口芯片，8.工控机，9.支撑支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，是本发明实施例提供的变电站自主侦测驱鸟系统框图，包括：

双目相机：用于采集监视区内的实时双目视频图像，并将图像作为输入通过USB送入处理控制模块的工控机进行相应的图像处理操作，相机需要提前进行标定来消除畸变和得到内外参数矩阵，为后续双目立体匹配获取深度信息打下基础。双目相机固定在可控云台上，可随云台转动来变换监视区范围，通过USB数据线与工控机上的USB接口相连接，来实现相机供电与视频图像数据的传输；

处理控制模块：包括工控机和USB转串口芯片，其中工控机用于对输入的图像依次进行运动目标检测、目标分类与定位、双目立体匹配等处理，同时根据处理得到的鸟的位置信息输出对云台和激光器的控制信息，控制信息包括对云台和激光器的开关、云台转动角度。工控机固定于云台支架上，其供电由太阳能供电模块提供。USB转串口芯片固定于支架，其一端与工控机的USB接口相连接，一端与云台激光控制器的输入端相连接，用于将工控机的USB接口枚举为串口，将工控机输出的控制信息通过串口发送给云台激光控制器，完成控制信号的传输；

其中，图像处理的步骤如下：

步骤S1：提取运动特征点。首先利用Hessian矩阵获取左目图像中时空变化剧烈的特征点，然后将视频帧图像进行网格化处理，计算每个网格单元内运动特征点相对于该网格的面积占比，当时面积占比小于规定阈值时，可认定该网格所在区域不存在有效运动目标或只是噪声，将该网格忽略不计，根据面积占比对网格区域进行预判断可以大大节省运算时间，提高算法的效率；

步骤S2：基于Lucas-Kanade光流法的特征点运动矢量获取。采用L-K光流法对上述步骤中提取到的运动特征点进行跟踪，并获得特征点处的运动矢量，根据运动矢量对特征点进行筛选，判定是否存在有效运动目标，若存在则继续进行下一步骤的处理，否则继续进行实时运动目标的监测；

步骤S3：采用YOLOv3-tiny模型对存在有效运动目标的左目图像进行检测。YOLOv3-tiny是一种轻量级目标检测网络模型，可在工控机此类算力有限的设备上实现快速目标检测。模型在部署前，需要先进行训练，采用大量已标注的行人和鸟类的数据集对YOLOv3-tiny模型进行训练；训练后的YOLOv3-tiny模型可快速识别并定位出图像中的行人和鸟，仅当图像中不存在行人且存在鸟的时候，处理程序继续执行，否则返回步骤S1继续实时监测；

步骤S4：双目立体匹配获取位置信息。双目立体匹配的目的是为了获取场景的深度信息，双目立体匹配前需要对双目相机进行标定，得到两个相机的内外参数，根据标定结果对原始图像进行矫正，使校正后的两张图像位于同一平面且互相平行，消除畸变；根据步骤S3鸟的定位结果，对校正后的两张图片中鸟的区域进行像素点匹配，得到视差数据，根据视差数据计算出定位的鸟的中心点的深度信息，进而得到鸟的实际空间位置信息。

激光应答模块：包括可控云台和激光器，用于接收来自处理控制模块的控制信息来完成相应的应答动作。

所述激光器固定在云台上，用于跟随云台转动并发射鸟类感知敏感的绿色激光，两个激光器发射的线状激光共同组成了十字状绿色激光，激光器仅在应答驱鸟动作时开启。

所述可控云台为三轴云台，包括三轴电机，分别是：

水平轴电机1，用于调整云台水平方向转动角度，转动范围为-90°～90°；

横滚轴电机2，用于维持云台的侧放稳定，保持双目相机的监视画面水平；

俯仰轴电机3，用于调整云台俯仰方向转动角度，转动范围为-60°～60°；

可控云台还包括云台激光控制器，云台激光控制器固定于三轴云台上，输入端与USB转串口芯片相连，接收来自处理控制模块的控制信号，输出端与云台上的三轴电机与激光器相连，输出器件控制电信号。云台激光控制器将接收到的控制信息进行解码，转换为控制三轴电机转动以及激光器开关的电信号，驱动云台上的水平轴电机和俯仰轴电机的转动来控制云台姿态和转动角度，来带动云台上激光器和相机的转动，来完成激光应答动作。三轴电机、云台激光控制器和激光器均和太阳能供电模块相连接，由太阳能供电模块为各部件供电。

太阳能供电模块：包括太阳能电池板、太阳能充电控制芯片、蓄电池和输出控制芯片。太阳能电池板与蓄电池之间接有充电控制芯片，用于控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电，保护蓄电池免于过充，太阳能电池板将吸收的光能转化为电能后通过充电控制芯片给蓄电池充电；蓄电池与系统各负载之间接有输出控制芯片，用于对蓄电池的放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的电能输出，为系统中的处理控制模块和激光应答模块提供所需工作电压。

如图3所示，是本发明实施例提供的变电站自主侦测驱鸟系统单次侦测过程，具体叙述为：双目相机将采集到的监视区内的实时视频图像送入处理控制模块的工控机进行处理；首先进行的是运动目标的检测，判断监视区内是否存在运动目标，若不存在，则继续监视，否则执行目标检测算法对检测到的运动目标进行分类与定位，用来判断监视区内的运动目标是否为人或鸟；若检测到人，则系统继续监视，不会执行激光应答动作，避免对变电站工作人员可能带来的伤害；在未检测到人的前提下，若检测到鸟，则进行双目图像矫正和立体匹配获取图像深度信息来得到鸟的实际位置信息；工控机根据鸟的实际位置信息来发送相关的控制信息，USB转串口芯片将工控机发送的控制信号传输给云台控制器来控制云台和激光器做出应答来对监测到的鸟进行跟踪与针对性照射，完成驱赶。

如图4所示，是本发明实施例提供的变电站自主侦测驱鸟系统信号传输与自主控制原理图，驱鸟方法的步骤为：

步骤一：双目相机采集监视区的实时视频图像，并将双目图像信号通过USB输入至工控机；

步骤二：工控机接收到双目图像信号的输入后，对图像依次进行运动目标检测、目标分类与定位和双目立体匹配来获得鸟类目标的实际空间位置信息，并将鸟类目标的空间坐标位置通过视觉测量方法被映射成云台坐标下的目标水平角度

和目标俯仰角度θ^*，σ_l和σ_y分别为云台的控制信号、激光器开关的控制信号；工控机与云台激光控制器之间的通信采用串口数据通信，采用USB转串口芯片将工控机的USB接口枚举为串口，将控制信号目标水平角度

目标俯仰角度θ^*、云台的控制信号σ_l和激光器开关的控制信号σ_y通过串口发送给云台激光控制模块；

步骤三：云台姿态控制模块接收来自工控机的目标水平角度

目标俯仰角度θ^*、云台的控制信号σ_l和激光器开关的控制信号σ_y后，采用PID控制方式控制云台转角，如图5所示，系统输入为水平轴和俯仰轴两个方向轴的目标角度位置

θ^*和IMU惯性测量单元解算出的云台水平转角实际位置信息

和俯仰转角的实际位置信息θ'，通过计算各方向轴的位置偏差得到偏差信号，最终输出为水平轴的实际转角电信号U₃和俯仰轴的实际转角电信号U₄；

步骤四：电机及激光器驱动控制模板接收云台开关U₁、激光开关U₂电信号后开启云台和激光器，使云台电机处于待应答状态，激光器发射十字状绿色激光，水平轴的实际转角电信号U₃和俯仰轴的实际转角电信号U₄用来分别驱动云台水平轴电机和俯仰轴电机转动到期望转角位置，实现对鸟类目标的自主控制针对性照射。

本发明实施例提供的自主侦测驱鸟系统结合智能图像处理技术，利用对监视图像的实时处理结果，采用自主控制来调整云台激光应答动作，实现了驱鸟的自主化、智能化，且系统可达到长期有效的驱鸟效果。

Claims (10)

1.一种变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于，包括：

双目相机：用于采集监视区内的实时双目视频图像，并将图像作为输入送入处理控制模块进行相应的图像处理操作；

处理控制模块：包括工控机、USB转串口芯片，用于对输入图像进行处理，同时根据处理结果输出相应的控制信号；

激光应答模块：包括可控云台和激光器，用于接收来自处理控制模块的控制信号来完成相应的驱鸟应答动作。

2.根据权利要求1所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：还包括太阳能供电模块，用于为系统其它模块提供所需的工作电压。

3.根据权利要求1所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在处理控制模块中，工控机固定于云台支架上，USB转串口芯片固定于支架，USB转串口芯片一端与工控机的USB接口相连接，另一端与云台激光控制器的输入端相连接，用于将工控机的USB接口枚举为串口，将工控机输出的控制信息通过串口发送给云台激光控制器，完成控制信号的传输。

4.根据权利要求1所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在处理控制模块中，图像处理的步骤包括：

步骤S1：提取运动特征点；

步骤S2：利用Lucas-Kanade光流法获取特征点运动矢量；

步骤S3：采用YOLOv3-tiny模型对存在有效运动目标的左目图像进行检测；

步骤S4：双目立体匹配获取位置信息。

5.根据权利要求4所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在步骤S1中，利用Hessian矩阵获取左目图像中时空变化剧烈的特征点，然后将视频帧图像进行网格化处理，计算每个网格单元内运动特征点相对于该网格的面积占比，当时面积占比小于规定阈值时，则认定该网格所在区域不存在有效运动目标或只是噪声，将该网格忽略不计。

6.根据权利要求4所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在步骤S2中，采用L-K光流法对上述步骤中提取到的运动特征点进行跟踪，并获得特征点处的运动矢量，根据运动矢量对特征点进行筛选，判定是否存在有效运动目标，若存在则继续进行下一步骤的处理，否则继续进行实时运动目标的监测。

7.根据权利要求4所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在步骤S3中，先对网络模型进行训练，采用已标注的行人和鸟类的数据集对YOLOv3-tiny模型进行训练；训练后的YOLOv3-tiny模型快速识别并定位出图像中的行人和鸟，仅当图像中不存在行人且存在鸟的时候，处理程序继续执行，否则返回步骤S1继续实时监测。

8.根据权利要求4所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在步骤S4中，根据步骤S3鸟的定位结果，对校正后的两张图片中鸟的区域进行像素点匹配，得到视差数据，根据视差数据计算出定位的鸟的中心点的深度信息，进而得到鸟的实际空间位置信息。

9.根据权利要求1所述的变电站自主侦测驱鸟系统，其特征在于：

在激光应答模块中，所述激光器固定在云台上，用于跟随云台转动并发射鸟类感知敏感的绿色激光，两个激光器发射的线状激光共同组成了十字状绿色激光，激光器仅在应答驱鸟动作时开启；

所述可控云台为三轴云台，包括三轴电机，分别是：

水平轴电机1，用于调整云台水平方向转动角度，转动范围为-90°～90°；

横滚轴电机2，用于维持云台的侧放稳定，保持双目相机的监视画面水平；

俯仰轴电机3，用于调整云台俯仰方向转动角度，转动范围为-60°～60°；

可控云台还包括云台激光控制器，云台激光控制器固定于三轴云台上，输入端与USB转串口芯片相连，接收来自处理控制模块的控制信号，输出端与云台上的三轴电机与激光器相连，输出器件控制电信号；云台激光控制器将接收到的控制信息进行解码，转换为控制三轴电机转动以及激光器开关的电信号，驱动云台上的水平轴电机和俯仰轴电机的转动来控制云台姿态和转动角度，带动云台上激光器和相机的转动，来完成激光应答动作。

10.一种变电站自主侦测驱鸟系统的驱鸟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：双目相机采集监视区的实时视频图像，并将双目图像信号通过USB输入至工控机；

步骤二：工控机接收到双目图像信号的输入后，对图像依次进行运动目标检测、目标分类与定位和双目立体匹配来获得鸟类目标的实际空间位置信息，并将鸟类目标的空间坐标位置通过视觉测量方法被映射成云台坐标下的目标水平角度

和目标俯仰角度θ^*，σ_l和σ_y分别为云台的控制信号、激光器开关的控制信号；工控机与云台激光控制器之间的通信采用串口数据通信，采用USB转串口芯片将工控机的USB接口枚举为串口，将控制信号目标水平角度

目标俯仰角度θ^*、云台的控制信号σ_l和激光器开关的控制信号σ_y通过串口发送给云台激光控制模块；

步骤三：云台姿态控制模块接收来自工控机的目标水平角度

目标俯仰角度θ^*、云台的控制信号σ_l和激光器开关的控制信号σ_y后，采用PID控制方式控制云台转角，输入为水平轴和俯仰轴两个方向轴的目标角度位置

θ^*和IMU惯性测量单元解算出的云台水平转角实际位置信息

和俯仰转角的实际位置信息θ'，通过计算各方向轴的位置偏差得到偏差信号，最终输出为水平轴的实际转角电信号U₃和俯仰轴的实际转角电信号U₄；

步骤四：电机及激光器驱动控制模板接收云台开关U₁、激光开关U₂电信号后开启云台和激光器，使云台电机处于待应答状态，激光器发射十字状绿色激光，水平轴的实际转角电信号U₃和俯仰轴的实际转角电信号U₄用来分别驱动云台水平轴电机和俯仰轴电机转动到期望转角位置，实现对鸟类目标的自主控制针对性照射。

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