CN112756801B - 基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法，包括激光发射装置，可调光学镜片和微振动与转向控制系统，所述激光发射装置发射激光束，所述可调光学镜片用于反射激光束且受微振动与转向控制系统控制转向和微振动，通过可调光学镜片转向使得反射的激光束瞄准异物，通过可调光学镜片微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀。上述装置及方法精确切割异物、操作方便、重量轻。

Description

基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法

技术领域

本发明涉及架空输电线路上异物清除技术领域，更具体地，涉及一种基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法。

背景技术

电力系统的输配电线路由于环境复杂，常受风筝、风筝线等飘浮型异物缠绕，以及树枝等异物障碍，容易造成线路的绝缘问题，进而造成极大的安全隐患和经济损失。传统的清障手段依靠人工攀爬或采用吊车等大型可移动设备来进行人工清理，缺陷是操作麻烦，安全性差，耗费过多的人力物力，且适用范围有限，在山区等复杂地形中难以实现。

在此背景下，激光的远距离切割技术作为一种无接触式的清障手段，具有更好的便捷性与安全性，开始在电网中逐渐发展并得以广泛应用。

现有的激光异物清除器，通过云台进行激光瞄准。云台的使用，很大程度上加重了设备重量，原有装置的重量大多在50kg左右，难以达到连续移动作业的便捷性要求。此外，云台也存在控制不便的缺陷，需要人眼规划激光的切割路径，并作出人工转向调整，在实际工程中无法做到平滑且高精度的切割控制。现有的云台设备，运动速度靠档位调节，速度固化，无法满足实际情况下针对不同异物的清障使用，缺乏智能化、自动化。尤其在遇到线路随风晃动等情况，云台很难实现激光对于异物的晃动跟随，切割效率低下。

另外，高功率激光的发射，全路径无法封闭。现有激光清障技术缺乏在整个激光路径中的异常侵入保护机制，在人员误入激光作业范围时，往往造成重大的人员伤害。

发明内容

本发明提供一种精确切割异物、操作方便、重量轻的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，包括激光发射装置，可调光学镜片和微振动与转向控制系统，所述激光发射装置发射激光束，所述可调光学镜片用于反射激光束且受微振动与转向控制系统控制转向和微振动，通过可调光学镜片转向使得反射的激光束瞄准异物，通过可调光学镜片微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀。

进一步的，所述可调光学镜片包括固定镜片和活动镜片，所述固定镜片反射激光束到活动镜片，活动镜片根据受微振动与转向控制系统指令二维转向和微振动。

进一步的，所述微振动与转向控制系统包括压电陶瓷堆叠制动器或微动电机或电磁谐振电路。

进一步的，还包括测距与图像识别系统，通过光信号的传输识别可调光学镜片与异物之间的距离，通过图像识别方法获得异物轮廓信息。

进一步的，还包括数据处理控制模块，根据测距与图像识别系统识别的可调光学镜片与异物之间的距离和异物轮廓信息输出可调光学镜片的振动角度、振动频率、切割路径、二维转向调整的控制指令给微振动与转向控制系统。

进一步的，所述数据处理控制模块根据激光工作区域的图像的瞬时变化率判断是否有人误入激光工作区域，当有人误入激光工作区域，发送闭锁指令给激光发射装置及微振动与转向控制系统。

进一步的，所述数据处理控制模块还根据异物形状规划切割路径，所述切割路径包括直线路经和点阵曲线路径。

进一步的，还包括电源模块，为激光发射装置，可调光学镜片和微振动与转向控制系统供电。

根据本发明的另一方面，提供一种基于镜片微振与转向控制的激光异物清除方法，包括：

通过激光发生装置发射激光束；

通过可调光学镜片反射激光束；

通过可调光学镜片的转向使得反射的激光束瞄准异物；

通过可调光学镜片的微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀。

进一步的，还包括：

根据激光工作区域的图像的瞬时变化率判断是否有人误入激光工作区域；当有人误入激光工作区域，发送闭锁指令给激光发射装置及微振动与转向控制系统。

上述基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法，具有以下有益效果：

(1)通过可调光学镜片水平、竖直方向的二维转向来实现异物的精确瞄准；通过可调光学镜片的可控微振，形成激光刀切割异物。从而避免并替代了传统云台的使用，大大减轻整体设备的重量，并规避云台的操作上的不便；

(2)激光发射装置出射镜头可以固定，在工作过程中无需调节，能够简化操作并提高该部分装置的使用寿命；

(3)支持可调的振动角度、振动频率以及曲线切割路径规划，适应实际应用中遇到的不同形状与类型的异物清除。

(4)通过测距与图像识别系统的应用，自动生成激光切割装置工作所需的振动角度、振动频率以及切割路径，并控制可调光学镜片微振与转向，避免了肉眼瞄准与云台操作带来的误差，提高了使用精度与智能、自动化程度。

(5)通过测距与图像识别系统的应用，控制激光束跟随异物晃动，提高了切割效率。

(6)设有激光工作状态下的断电保护机制，即当有人进入图像识别区域时，能够闭锁激光装置、微振动与转向系统的工作状态，并发出警报，提高了装置的安全性。

附图说明

图1是本发明基于异物透明度的复色激光异物清除装置的示意图；

图2是本发明测距与图像识别系统的示意图；

图3为本发明所述基于异物透明度的复色激光异物清除方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

图1是本发明所述基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置的示意图，如图1所示，所述激光异物清除装置包括激光发射装置1，可调光学镜片2和微振动与转向控制系统3，所述激光发射装置1发射激光束，所述可调光学镜片2用于反射激光束且受微振动与转向控制系统3控制转向和微振动，通过可调光学镜片转向使得反射的激光束瞄准异物10，通过可调光学镜片微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀。

本发明激光异物清除装置的激光发射装置的出射镜头可以固定，通过可调光学镜片的二维转向控制来实现异物的精确瞄准，通过可调光学镜片的微振动控制形成激光(在一个线状宽度内反复运动实现清除异物的切割刀)的切割路径，替代了操作麻烦且便携性不足的传统云台装置，也提高了光学器件的使用寿命。

在一个实施例中，激光发射装置包括激光发生器、光路准直模块和出射镜头，所述激光发生器发射激光经光路准直模块准直成设定直径的光斑通过出射镜头出射，所述出射镜头固定。

优选地，激光发生器为高功率激光发射装置，具备300W以上的输出功率(例如，固态散热350W以上)，波长为808nm、1080nm和10.6μm，准直光斑直径为10mm，产生高能量激光束。

在一个实施例中，激光发射装置包括激光发生器、聚焦模块和出射镜头，所述激光发生器发射激光经聚焦模块据考成设定直径的光斑通过出射镜头出射，所述出射镜头固定。

优选地，激光发生器为高功率激光发射装置，具备300W以上的输出功率，波长为808nm、1080nm和10.6μm，聚焦光斑焦点直径3-5mm，产生高能量激光束。

在一个实施例中，所述可调光学镜片2包括固定镜片21和活动镜片22，所述固定镜片反射激光束到活动镜片，活动镜片根据受微振动与转向控制系统指令二维转向和微振动。

优选地，所述固定镜片一组镀有高反射膜的镜片，与激光出射路径呈45°角，使激光光路发生全反射并射向活动镜片，活动镜片有高反射膜，其振动距离范围为0-1000μm，受微振动与转向系统控制，通过镜片的二维转向实现异物的精确瞄准，通过镜片的可控微振用于形成适宜异物特征，具有合适切割宽度、速度与方向的激光刀，来完成异物的清除，从而避免并替代了传统云台的使用。

在一个实施例中，所述微振动与转向控制系统包括压电陶瓷堆叠制动器或微动电机或电磁谐振电路。

在一个实施例中，激光异物清除装置还包括测距与图像识别系统，通过光信号的传输识别可调光学镜片与异物之间的距离，通过图像识别方法获得异物轮廓信息。

优选地，如图2所示，测距与图像识别系统包括测距装置和摄像装置，测距装置发射光对异物进行测距，摄像装置扫描异物获得异物轮廓信息，例如，测距装置发射低功率(相对于切割激光功率较低，例如，低于切割激光功率5W以内)激光或红外线对异物进行测距，摄像装置为高倍(例如30X)定焦摄像头。

在一个实施例中，激光异物清除装置还包括数据处理控制模块，根据测距与图像识别系统识别的可调光学镜片与异物之间的距离和异物轮廓信息输出可调光学镜片的振动角度、振动频率、切割路径、二维转向调整的控制指令给微振动与转向控制系统，实现智能化、自动化的闭环控制。

优选地，数据处理模块对测距与图像识别系统识别的异物的轮廓信息进行二值化处理和滤波处理。

优选地，微振动与转向控制系统受数据处理模块控制，用于实现并支持振动角度范围为0度-1度、振动频率范围为1HZ-1000HZ，振动路径为水平、垂直、斜向或可变曲线的微振动，也用于实现镜片的二维转向调整。

上述激光异物清除装置中，所述测距与图像识别系统能自动捕捉异物的距离及轮廓信息，通过数据处理控制模块演算出可调镜片的二维转向及振动角度等数据信息，并控制微振动及转向系统作出正确反应，相较云台的人工控制，更具智能化。

在一个实施例中，所述数据处理控制模块根据激光工作区域的图像的瞬时变化率判断是否有人误入激光工作区域，当有人误入激光工作区域，发送闭锁指令给激光发射装置及微振动与转向控制系统。

优选地，所述测距与图像识别系统在激光处于切割工作状态时，自动控制微振动与转向系统，使激光束跟随异物晃动，提高切割效率；当有外来物入侵图像识别区域，数据处理控制单元将闭锁激光发射装置及微振动与转向控制系统的工作状态并发出警报信息，以此提高装置的安全性能。

在一个实施例中，所述数据处理控制模块还根据异物形状规划切割路径，所述切割路径包括直线路经和点阵曲线路径，例如，风筝线和鱼线采用一字横向路径，树枝障碍物采用自由方向的一字线路径或者一次自由点阵曲线覆盖多个枝杈，遮阳网和风筝缠绕物根据实际情况从最窄处采取自由曲线的方式切割。

基于距离与轮廓信息，所述数据处理控制单元能够锁定目标区域，通过调节微振动与转向系统，使激光束跟随异物晃动；当有人员误入激光工作区域时，将闭锁高功率激光发射装置及微振动系统的工作状态，并发出灯光及蜂鸣器警报信息，例如，通过实时比对工作起始时刻保留的图像数据矩阵，所述数据处理控制模块能够锁定目标区域，通过可调节镜片微振与转向，使激光束跟随异物随风晃动；所述数据处理控制单元保留了工作起始时刻静态的图像数据矩阵，通过实时比对工作时动态数据矩阵的瞬时变化率dn(例如，图像的灰度瞬时变化率),判断瞬时变化率是否超出预先设定的阈值dn0，来判定是否有人员误入激光工作区域。如若瞬时变化率超过阈值，即dn>dn0，则闭锁高功率激光发射装置及微振动系统的工作状态，并作用灯光及蜂鸣器警报工作。

在一个实施例中，激光异物清除装置，还包括电源模块，为激光发射装置，可调光学镜片和微振动与转向控制系统供电。

优选地，电源模块为±100V可充电式直流蓄电池，用于整体设备的工作供电。

在本发明的一个优选实施例中，本发明基于镜片微振控制的激光异物清除装置，能够完全替代传统激光清障装置中的云台部件件，包括激光发射装置1，可调光学镜片2，微振动与转向控制系统3，测距与图像识别系统4、数据处理控制模块5和电源模块；所述可调光学镜片2由固定镜片21、活动镜片22各一组组成；所述电源模块为±100V可充电式直流蓄电池，用于整体设备的工作供电。所述激光发射装置1与测距与图像识别系统的出射镜头平行，备300W以上的输出功率，波长为808nm、1080nm和10.6μm，光路准直或者聚焦，准直光斑直径为10mm,聚焦光斑焦点直径3-5mm，能产生高能量准直的激光束，用于对输配电线路上的异物进行切割。其出射镜头固定，在工作过程中无需调节，因而可以提高该部分装置的使用寿命；

所述可调光学镜片的通光孔径均为50mm，具有一组镀有高反射膜的固定镜片，通过固定其与高功率激光出射路径呈45度角，使激光光路发生全反射，并射向另一组活动镜片。活动镜片同样镀有高反射膜，其振动距离范围为0-1000μm。所述活动镜片受微振动与转向系统调节控制，能自动调节镜片水平、竖直方向的二维转向来实现异物的精确瞄准；通过镜片的可控微振，形成适宜异物特征，具有合适切割宽度、速度与方向的激光刀，来完成异物的清除，从而避免并替代了传统云台的使用。

所述微振动与转向控制系统3主体为压电陶瓷堆叠制动器或微动电机或电磁谐振电路，受数据处理单元控制，能产生并支持振动角度范围为0度-1度、振动频率范围为1HZ-1000HZ，振动路径为水平、垂直、斜向或可变曲线的微振动，并能实现镜片的二维转向调整。

所述测距与图像识别系统4主体为高精度测距装置41与高倍定焦摄像头42，能测量微振动与转向控制系统中所需的控制数据。通过发射低功率激光脉冲或红外线，在得到脉冲来回的周期时间T后，便可完成对目标异物的距离计算d＝c*T/2。通过使用高倍定焦摄像头，首先分块分区扫描目标异物，形成灰度值，进而对目标区域信息二值化处理形成图像数据矩阵；接着，通过采用滤波算法，滤除目标区域外误识别的数据点，恢复目标区域内未被识别的数据点。所述测距与图像识别系统将测得的距离、轮廓信息输出给数据处理控制单元，进一步产生运算控制。

所述数据处理控制单元5主体为一套单片机控制系统，能够处理、计算并反馈微振动与转向控制系统中所需的控制数据。所述数据处理控制单元，基于测距与图像识别系统输入的距离与轮廓信息，通过编程，演算出振动角度、振动频率、切割路径与二维转向调整的数字数据，输出并控制活动镜片的微振动与转向调节，实现智能化、自动化的闭环控制。此外，通过实时比对工作起始时刻保留的图像数据矩阵，所述数据处理控制单元能够锁定目标区域，通过调节镜片微振与转向，使激光束跟随异物随风晃动；所述数据处理控制单元保留了工作起始时刻静态的图像数据矩阵，通过实时比对工作时动态数据矩阵的瞬时变化率dn,是否超出预先设定的阈值dn0，来判定是否有人员误入激光工作区域。如若瞬时变化率超过阈值，即dn>dn0，则闭锁高功率激光发射装置及微振动系统的工作状态，并作用指示灯51的灯光及蜂鸣器警报工作。

优选地，还包括反射镜6，通过反射镜改变由异物反射回来的反射激光的激光光路，使反射激光射入高倍定焦摄像头中。

图3是本发明基于镜片微振与转向控制的激光异物清除方法的流程图，如图3所示，所述激光异物清除方法包括：

步骤S1，通过激光发生装置发射激光束；

步骤S2，通过可调光学镜片反射激光束；

步骤S3，通过可调光学镜片的转向使得反射的激光束瞄准异物；

步骤S4，通过可调光学镜片的微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀。

在一个实施例中，激光异物清除方法，还包括：

根据激光工作区域的图像的瞬时变化率判断是否有人误入激光工作区域；当有人误入激光工作区域，发送闭锁指令给激光发射装置及微振动与转向控制系统，

在一个实施例中，步骤S4包括：

通过发射低功率(相对于切割激光功率较低，例如，低于切割激光功率5W以内)激光或红外线对异物进行测距，具体地，发射低功率激光脉冲或红外线，在得到脉冲来回的周期时间T后，便可完成对目标异物的距离计算d＝c*T/2。

通过图像识别获得异物的轮廓信息，包括：

使用高倍定焦摄像头分块分区扫描目标异物，形成灰度值；

对目标区域信息二值化处理形成图像数据矩阵；

通过采用滤波算法，滤除目标区域外误识别的数据点，恢复目标区域内未被识别的数据点。

在本发明的一个优选实施例中，利用基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置进行异物清除的方法包括：

将测距与图像识别系统的测距装置和摄像装置指向异物方向后，摄像装置首先进行图像采集、图像处理形成异物的轮廓信息；接着，控制测距装置精准发射低功率激光脉冲或红外光，并接受反射回来的光脉冲，完成测距。

数据处理控制模块通过对距离、轮廓信息的处理，演算出振动角度、振动频率、振动方向与镜片的二维转向角，反馈控制微振动与转向系统执行以上计算结果。

微振动与转向系统执行镜片转向命令，使得可调光学镜片的活动镜片完成二维转向；出射激光经过固定镜片全反射，射入活动镜片，最终精准射向异物目标。微振动与转向系统执行镜片振动命令，呈现一定振动角度、振动频率以及可变振动方向的周期振动，并形成适宜异物特征的合适切割宽度、速度与方向的激光刀，切割目标直至异物完全消除，图像识别系统控制整体设备断电。

当激光刀处于工作状态时，摄像装置根据控制器命令锁定异物区域，能够跟随异物晃动，控制微振动与转向系统作出激光刀的跟踪调整，以提高切割效率。

当激光刀处于工作状态时，摄像装置又出现异物入侵，诸如飞鸟，甚至是人员闯入，此时控制器将向激光发射装置与微振动与转向系统发闭锁信号，灯光与蜂鸣器发出警报信息，机器进入休眠保护状态。

本发明基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法通过测距与图像识别系统自反馈控制微机械系统，从而调节活动镜片的二维转向来实现异物的精确瞄准；同时，微振动与转向系统的可控微振，形成激光刀切割异物；可完全替代传统激光清障仪器中的云台部件，大大减轻整体设备的重量，满足电力设备便携化、自动化与智能化的发展需求；设有异物晃动的跟随机制，提高了切割效率；设有保护机制，提高了安全性。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (8)

1.一种基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，其特征在于，包括激光发射装置，可调光学镜片和微振动与转向控制系统，所述激光发射装置发射激光束，所述可调光学镜片用于反射激光束且受微振动与转向控制系统控制转向和微振动，通过可调光学镜片转向使得反射的激光束瞄准异物，通过可调光学镜片微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀，所述激光刀在一个线状宽度内反复运动实现异物清除；

其中，所述可调光学镜片包括固定镜片和活动镜片，所述固定镜片反射激光束到活动镜片，活动镜片根据受微振动与转向控制系统指令二维转向和微振动；所述微振动与转向控制系统包括压电陶瓷堆叠制动器或微动电机或电磁谐振电路，所述微振动与转向控制系统产生并支持振动角度范围为0度-1度，振动路径为水平、垂直、斜向或可变曲线的微振动。

2.根据权利要求1所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，其特征在于，还包括测距与图像识别系统，通过光信号的传输识别可调光学镜片与异物之间的距离，通过图像识别方法获得异物轮廓信息。

3.根据权利要求2所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，其特征在于，还包括数据处理控制模块，根据测距与图像识别系统识别的可调光学镜片与异物之间的距离和异物轮廓信息输出可调光学镜片的振动角度、振动频率、切割路径、二维转向调整的控制指令给微振动与转向控制系统。

4.根据权利要求3所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，其特征在于，所述数据处理控制模块根据激光工作区域的图像的瞬时变化率判断是否有人误入激光工作区域，当有人误入激光工作区域，发送闭锁指令给激光发射装置及微振动与转向控制系统。

5.根据权利要求3所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，其特征在于，所述数据处理控制模块还根据异物形状规划切割路径，所述切割路径包括直线路经和点阵曲线路径。

6.根据权利要求1所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置，其特征在于，还包括电源模块，为激光发射装置，可调光学镜片和微振动与转向控制系统供电。

7.一种基于镜片微振与转向控制的激光异物清除方法，其特征在于，利用如权利要求1-6中任一项所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置进行异物清除处理，方法包括：

通过激光发生装置发射激光束；

通过可调光学镜片反射激光束；

通过可调光学镜片的转向使得反射的激光束瞄准异物；

通过可调光学镜片的微振动使得反射激光形成与异物形状相对应的切割宽度、速度与方向的激光刀。

8.根据权利要求7所述的基于镜片微振与转向控制的激光异物清除方法，其特征在于，还包括：

根据激光工作区域的图像的瞬时变化率判断是否有人误入激光工作区域；当有人误入激光工作区域，发送闭锁指令给激光发射装置及微振动与转向控制系统。