CN117554942B - 一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法及装置，涉及输电线路监测技术领域，该监测方法具体步骤如下：将由毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头等传感模块、及控制计算模块、远程通信模块；本发明能够实现输电线路附近树木生长过程中树线距离的准确测量，并将树线最近距离测量结果在图像上进行叠加标注及上传云平台，同时通过环境、时间参数的采集，完善装置运行逻辑，降低功耗；通过定位信息采集，实现树木生长情况在后端平台的定位复现，通过这种新型监测手段实现树木生长高度的监测，并实时判断树线距离，有效减少因树线隐患引起的线路跳闸。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路监测技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法及装置。
背景技术
在电力设施保护区内种植速生树木，会对电力设施带来严重危害。等到树木长高后，树线距离小于安全距离，容易打出火花，使整棵树变成带电体，导致电力线路短路跳闸，引发停电事故。一旦输电线路与树木接触就会造成短路，引起大面积停电。当遇到大风雷雨天气时，大风吹动树枝，树枝刮断电线，不仅会造成大面积停电，严重影响人们的正常用电，而且极易造成人员触电伤亡。电网企业每年要耗费大量的人力、物力对线路通道下的超高树木、树枝进行修剪和清理，但由于周期较长、无法实时对树木生长情况进行有效监控，仍不能从根本上解决问题；
虽然目前通过在线路中安装图像监控装置的方式实现对输电线路通道情况的实时在控，但由于二维图片丢失了景深信息，无法准确判断树木生长高度；
为此，我们提出了一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法及装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法及装置，借助毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头，将监测信息传输到控制计算模块中，并通过毫米波测距雷达模块进行线路区域附近的树木高度直接测量，同时融合其它传感模块的信息采集结果，实现树线距离的监测及信息回传。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法，该监测方法具体步骤如下：
第一步，将由毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头、及控制计算模块、远程通信模块、光伏电源模块组成的监测装置安装于输电杆塔上；通过监测装置的安装支架保证毫米波测距雷达模块的法线与摄像头镜头光轴中心平行，并与实际线路走向方向一致；
第二步，通过倾角仪分别测量毫米波测距雷达模块与摄像头的俯仰角及横滚角，通过磁力计或电子罗盘分别测量毫米波测距雷达模块与摄像头的偏航角，进行毫米波测距雷达模块与摄像头三维姿态角的确定；
第三步，通过激光测距仪测量雷达中心与摄像头中心的水平偏移距离、顺线偏移距离及垂直偏移距离，进行两模块间相对位置的确定；
第四步，将第二步至第三步中的测量参数输入至毫米波测距雷达模块中，基于欧拉角法或四元素法，构建坐标变换矩阵，完成坐标变换，实现雷达测距信息及摄像头采集的图像信息二者坐标系的统一；
第五步，将摄像头畸变参数、焦距及存在的转动角度输入至毫米波测距雷达模块中，进行视角坐标系转动及畸变消除，得到未产生畸变的图像；
第六步，测量并记录毫米波测距雷达模块在杆塔上的安装高度以及距离杆塔中心的偏移长度，同时测量本塔及对向杆塔的下相导线挂点高度及下相横担长度，在毫米波测距雷达模块内完成塔线体系的建模流程；
第七步，完成上述安装及参数设置流程，将风速风向监测模块及温湿度监测模块通电，当风速或湿度超过预设值时，应急即时启动系统，读取授时定位模块信息，判断当前时间是否在树木春、夏、秋树木生长期；如不在生长期，则系统转入休眠，降低系统功耗，提高灵活性；
第八步，如通过授时定位模块判断处在树木生长期，则通过毫米波测距雷达模块探测监测区域内的树木轮廓及反射点，并计算树木上反射点距离导线的三维最短距离，同时记录反射点角度信息及到雷达的距离信息；当风速或湿度在正常范围内时，系统执行定时启动逻辑，满足不同时间长度内的树木生长监测需求；
第九步，开启摄像头进行拍照操作，并将雷达中取得的反射点角度信息映射到图片上，在图片上对应水平及俯仰角度处进行标注，并打印对应树线距离；
第十步，将雷达记录的反射点角度信息及到雷达的距离信息转化为大地坐标系下的相对三维位置，并读取定位信息，将相对三维位置与绝对定位信息作矢量加法，实现树线距离在大地坐标系下的定位，并将定位信息、距离信息、图片信息的监测参量通过通信模块进行回传。
作为本发明进一步的方案，第一步中所述毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头均与控制计算模块通信连接，所述控制计算模块为微控制器、中央处理器或智能计算芯片。
作为本发明进一步的方案，第十步中所述定位信息可通过包括但不限于北斗/GPS、GLONASS/伽利略卫星定位信息获取，定位精度包括单点米级定位、RTK差分高精度定位；所述通信模块包括但不限于4G/5G通信（有运营商信号覆盖区域）、微波通信、5.8G宽带无线Mesh网桥通信、或北斗天通卫星通信（无运营商信号区域）。
作为本发明进一步的方案，通过在输电线路杆塔上安装的前端监测设备上即搭载雷达与可视化融合的算法模型，在边缘侧即完成输电线路塔线体系建模及算法实时解算，而不依赖于远端云平台计算能力。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测装置，包括毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、供电模块、摄像头、控制计算模块、远程通信模块；
所述毫米波测距雷达模块用于探测监测区域内的树木轮廓及反射点，并计算树木上反射点距离导线的三维最短距离，同时记录反射点角度信息及到雷达的距离信息；
所述授时定位模块用于判断当前时间是否在树木春、夏、秋树木生长期，并获取设备安装点位的绝对坐标位置信息；
所述风速风向监测模块用于监测风速风向；所述温湿度监测模块用于监测温度与湿度；
所述远程通信模块用于输电杆塔上监测装置与远程监控主站平台通信；
所述控制计算模块用于存储计算机可执行指令，并执行基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明能够实现输电线路附近树木生长过程中树线距离的准确测量，并对其与导线距离测量的结果通过角度信息在图像上进行标注，同时通过环境、时间参数的采集，完善装置运行逻辑，降低功耗，通过定位信息采集，实现树木生长情况在后端平台的定位复现，通过这种新型监测手段实现树木生长高度的监测，并实时判断树线距离，有效减少因树线隐患引起的线路跳闸。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例中毫米波测距雷达模块与摄像头图像信息融合示意图；
图2为本发明实施例中监测装置架构图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
参照图1，本发明实施例提供了一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法，该监测方法具体步骤如下：
第一步，将由毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头等传感模块、及控制计算模块、远程通信模块、光伏电源模块组成的监测装置安装于输电杆塔上；
本实施例中，所述毫米波测距雷达模块的法线及摄像头主轴与线路走向方向一致；
所述毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头均与控制计算模块通信连接，所述控制计算模块为微控制器、中央处理器或智能计算芯片。
第二步，通过倾角仪分别测量毫米波测距雷达模块与摄像头的俯仰角及横滚角，通过磁力计或电子罗盘分别测量毫米波测距雷达模块与摄像头的偏航角，进行毫米波测距雷达模块与摄像头三维姿态角的确定；
第三步，通过激光测距仪测量雷达中心与摄像头中心的水平偏移距离、顺线偏移距离及垂直偏移距离，进行两模块间相对位置的确定；
第四步，将第二步至第三步中的测量参数输入至毫米波测距雷达模块中，基于欧拉角法或四元素法，构建坐标变换矩阵，完成坐标变换，实现雷达测距信息及摄像头采集的图像采集信息二者坐标系的统一；
本实施例中所述测量参数包括毫米波测距雷达模块与摄像头的俯仰角及横滚角、毫米波测距雷达模块与摄像头的偏航角、雷达中心与摄像头中心的水平偏移距离、顺线偏移距离及垂直偏移距离。
第五步，将摄像头畸变参数、焦距及存在的转动角度输入至毫米波测距雷达模块中，进行视角坐标系转动及畸变消除，得到未产生畸变的图像；
第六步，测量并记录毫米波测距雷达模块在杆塔上的安装高度以及距离杆塔中心的偏移长度，同时测量本塔及对向杆塔的下相导线挂点高度及下相横担长度，在毫米波测距雷达模块内完成塔线体系的建模流程；
需要进一步说明的是，本申请中通过毫米波测距雷达模块与摄像头的安装参数及设计参数，进行输电线路树线距离的智能监测方法，并通过环境参数优化实现系统低功耗设计；通过激光测距仪、米尺、激光点云等类似测量方法进行线路建模并提取尺寸参数，亦属于同类建模方法。
第七步，完成上述安装及参数设置流程，将风速风向监测模块及温湿度监测模块通电，当风速或湿度超过预设值时，应急即时启动系统，读取授时定位模块信息，判断当前时间是否在树木春、夏、秋树木生长期；如不在生长期，则系统转入休眠，降低系统功耗，提高灵活性；
第八步，如通过授时定位模块判断处在树木生长期，则通过毫米波测距雷达模块探测监测区域内的树木轮廓及反射点，并计算树木上反射点距离导线的三维最短距离，同时记录反射点角度信息及到雷达的距离信息；当风速或湿度在正常范围内时，系统执行定时启动逻辑，满足不同时间长度内的树木生长监测需求；
第九步，开启摄像头进行拍照操作，并将雷达中取得的反射点角度信息映射到图片上，在图片上对应水平及俯仰角度处进行标注，并打印对应树线距离；
第十步，将雷达记录的反射点角度信息及到雷达的距离信息转化为大地坐标系下的相对三维位置，并读取定位信息，将相对三维位置与绝对定位信息作矢量加法，实现树线距离在大地坐标系下的定位，并将定位信息、距离信息、图片信息等监测参量通过通信模块进行回传。
所述定位信息可通过包括但不限于北斗/GPS、GLONASS/伽利略卫星定位信息获取,定位精度包括单点米级定位、RTK差分高精度定位；所述通信模块包括但不限于4G/5G通信（有运营商信号覆盖区域）、微波通信、5.8G宽带无线Mesh网桥通信、或北斗天通卫星通信（无运营商信号区域）。
需要进一步说明的是，本申请中通过毫米波测距雷达模块及授时定位模块相结合的树木三维位置定位，定位手段包括但不限于北斗定位、GPS定位等，定位精度包括单点定位、亚米级定位、高精度定位等，均属于保护范畴；所述监测的树木三维位置，该融合定位方法亦可应用于工程机械监测范畴。
具体实施如下：通过将包括毫米波测距雷达模块在内的多种传感单元组成的监测装置安装于杆塔上，测量雷达安装高度、该档距内下相导线挂载位置，雷达与摄像头的相对三维距离及二者的姿态角，完成在装置内的塔线体系与雷视融合监测系统建模；优先通过风速风向、温湿度及时间信息判断系统是否启动，风速采用10米高等值风速，当风速大于3m/s，湿度大于90%，时间在春夏秋季时，执行系统启动操作；将设备安装参数及线路测绘参数全部输入至毫米波测距雷达模块中，实现在雷达中的塔线体系建模，并在统一坐标系下实现树木反射点的测量感知，对反射点与拟合导线进行三维最短距离计算，求取最短距离；对反射点相对雷达的俯仰与水平角度计算，并将该角度映射到摄像头拍摄图片上进行标注，提取相应树木框选并指导后续处理；
同时，采集装置定位信息，并将定位信息与树木反射点对雷达的距离信息作矢量加法，实现雷达探测的反射点在统一的大地坐标系下定位信息的获取，并将树线相对距离、三维定位信息、图片信息全部回传；进而实现树木生长高度的监测，并实时判断树线距离，有效减少因树线隐患引起的线路跳闸。
实施例
参照图2，本发明实施例还提供了一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测装置，包括毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、供电模块、摄像头、控制计算模块、远程通信模块；
所述毫米波测距雷达模块用于探测监测区域内的树木轮廓及反射点，并计算树木上反射点距离导线的三维最短距离，同时记录反射点角度信息及到雷达的距离信息；
所述授时定位模块用于判断当前时间是否在树木春、夏、秋树木生长期；
所述风速风向监测模块用于监测风速风向；所述温湿度监测模块用于监测温度与湿度；
所述远程通信模块通过总线完成相互之间的通信；
所述控制计算模块用于存储计算机可执行指令，并执行基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法。
具体的，通过借助毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头，将监测信息传输到控制计算模块中，并通过毫米波测距雷达模块进行线路区域附近的树木高度直接测量，同时融合其它传感模块的信息采集结果，实现树线距离的监测及信息回传，进而实现树木生长高度的监测，并实时判断树线距离，有效减少因树线隐患引起的线路跳闸。
注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本发明实施例不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (5)
1.一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法，其特征在于，该监测方法具体步骤如下：
第一步，将由毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头、及控制计算模块、远程通信模块、光伏电源模块组成的监测装置安装于输电杆塔上；通过监测装置的安装支架保证毫米波雷达测距模块的法线与摄像头镜头光轴中心平行，并与实际线路走向方向一致；
第二步，通过倾角仪分别测量毫米波测距雷达与摄像头的俯仰角及横滚角，通过磁力计或电子罗盘分别测量毫米波测距雷达与摄像头的偏航角，进行毫米波测距雷达与摄像头三维姿态角的确定；
第三步，通过激光测距仪测量雷达中心与摄像头中心的水平偏移距离、顺线偏移距离及垂直偏移距离，进行两模块间相对位置的确定；
第四步，将第二步至第三步中的测量参数输入至毫米波测距雷达模块中，基于欧拉角法或四元素法，构建坐标变换矩阵，完成坐标变换，实现雷达测距信息及摄像头采集的图像信息二者坐标系的统一；
第五步，将摄像头畸变参数、焦距及可能存在的转动角度输入至毫米波测距雷达模块中，进行视角坐标系转动及畸变消除，得到未产生畸变的图像；
第六步，测量并记录毫米波测距雷达在杆塔上的安装高度以及距离杆塔中心的偏移长度，同时测量本塔及对向杆塔的下相导线挂点高度及下相横担长度，在毫米波测距雷达模块内完成塔线体系的建模流程；
第七步，完成上述安装及参数设置流程，将风速风向监测模块及温湿度监测模块通电，当风速或湿度超过预设值时，应急即时启动系统，读取授时定位模块信息，判断当前时间是否在树木春、夏、秋树木生长期；如不在生长期，则系统转入休眠，降低系统功耗，提高灵活性；
第八步，如通过授时定位模块判断处在树木生长期，则通过毫米波测距雷达模块探测监测区域内的树木轮廓及反射点，并计算树木上反射点距离导线的三维最短距离，同时记录反射点角度信息及到雷达的距离信息；当风速或湿度在正常范围内时，系统执行定时启动逻辑，满足不同时间长度内的树木生长监测需求；
第九步，开启摄像头进行拍照操作，并将雷达中取得的反射点角度信息映射到图片上，在图片上对应水平及俯仰角度处进行标注，并打印对应树线距离；
第十步，将雷达记录的反射点角度信息及到雷达的距离信息转化为大地坐标系下的相对三维位置，并读取定位信息，将相对三维位置与绝对定位信息作矢量加法，实现树线距离在大地坐标系下的定位，并将定位信息、距离信息、图片信息的监测参量通过通信模块进行回传。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法，其特征在于，第一步中所述毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、摄像头均与控制计算模块通信连接，所述控制计算模块可以为微控制器、中央处理器或智能计算芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法，其特征在于，第十步中所述定位信息通过包括北斗/GPS、GLONASS/伽利略卫星定位信息获取；所述通信模块包括4G/5G通信、微波通信、5.8G宽带无线Mesh网桥通信或北斗天通卫星通信。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法，其特征在于，通过第一步到第十步中所述步骤方法，在输电线路杆塔上安装的前端监测设备上即搭载雷达与可视化融合的算法模型，在边缘侧即完成输电线路塔线体系建模及算法实时解算，而不依赖于远端云平台计算能力。
5.一种根据权利要求1-4任一所述的方法的基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测装置，其特征在于，包括毫米波测距雷达模块、授时定位模块、风速风向监测模块、温湿度监测模块、供电模块、摄像头模块、控制计算模块、远程通信模块；
所述毫米波测距雷达模块用于探测监测区域内的树木轮廓及反射点，并计算树木上反射点距离导线的三维最短距离，同时记录反射点角度信息及到雷达的距离信息；
所述授时定位模块用于判断当前时间是否在树木春、夏、秋树木生长期，并获取设备安装点位的绝对坐标位置信息；
所述风速风向监测模块用于监测风速风向；所述温湿度监测模块用于监测温度与湿度；
所述远程通信模块用于输电杆塔上监测装置与远程监控主站平台通信；
所述控制计算模块用于存储计算机可执行指令，并执行如权利要求1-4中任一项所述的基于毫米波雷达的输电线路树线距离监测方法。
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