本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)輸配電行業(yè)飛行器巡線自動檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種快速、低成本的輸電線路測距裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前，電力公司對輸電線路的維護、檢測和搶修等作業(yè)，基本上依然按照區(qū)段劃分任務，依靠人工現(xiàn)場對線路巡情況進行檢查。線路缺陷發(fā)現(xiàn)的及時和準確性，取決于巡線員業(yè)務能力、責任心和班組管理人員的監(jiān)察巡視的落實，因此，現(xiàn)有方法不能避免的會因巡視不到位引發(fā)的各種事故的發(fā)生。同時，有些輸電線路架設在深林、濕地、高山地區(qū)，人員到達緩慢、困難、效率低，不可能做到定期巡視維護，冰雪、地震、洪澇災害等惡劣自然條件下巡檢難度更大。目前取代人工巡線的主要方法是采用無人機巡檢作業(yè)，包括遙控巡檢飛行和自主避障跟蹤巡檢飛行兩種作業(yè)方式，兩種作業(yè)方式都需要飛行器與輸電線路保持合理的距離和相對位置，方便的線路跟蹤、避障技術(shù)等。所以設計提供一種由無人飛行器搭載的，能夠自動識別輸電線路空間位置，進而為飛行器提供導航、跟蹤、控制信號的空中跟蹤傳感裝置，以實現(xiàn)飛行器的避障、自動跟蹤巡線飛行功能，具有非常廣闊的市場前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種快速、低成本的輸電線路測距裝置及方法，能夠快速、重量輕、實時性好且宜于實現(xiàn)的測距方法，并在利用普通單片機和簡易攝像頭得以實現(xiàn)的裝置，裝置搭載無人機進行工作。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種快速、低成本的輸電線路測距裝置，包括第一攝像機、第二攝像機、圖像處理電路和中央處理器，所述的第一、第二攝像機的輸出端分別通過圖像處理電路連接中央處理器的輸入端，所述的圖像處理電路采用浮動閾值處理電路，所述的浮動閾值處理電路包括有反向保護電路、低通濾波電路、信號放大電路、峰值保持電路、電壓跟隨器、電壓比較器和幅值可調(diào)的閥值電壓生成器，所述的反向保護電路的輸出端依次通過低通濾波電路、信號放大電路、峰值保持電路、電壓跟隨器與電壓比較器輸入端相連接，幅值可調(diào)的閥值電壓生成器的輸入端與12伏穩(wěn)壓電源相連接，輸出端分別與信號放大電路、電壓跟隨器與電壓比較器的電壓接入端。

所述的反向保護電路采用反向保護二極管。

所述的第一攝像機、第二攝像機的型號、參數(shù)均相同，二者分辨不高于320×240像素，總有效像數(shù)7.68萬，輸出速率25幀/每秒。

一種快速、低成本的輸電線路測距方法，包括如下步驟：

a：首先，計算標定閥值的大小：通過試用第一攝像機在已知知的距離l處攝取已知且固定輸電線線徑d的圖像，采集到的圖像中的有效像數(shù)個數(shù)n閾即代表線徑值d，對應于距離l閾，以此作為比例標尺即標定的閥值；

b：然后，采用參數(shù)大小與第一攝像機完全相同的第二安裝在無人機機體的機頭和機體的一側(cè)上，且第二攝像機鏡頭朝向與無人機飛行方向或與無人機飛行方向相垂直，然后啟動無人機對未知輸電輸電線路進行巡視；

c：巡視過程中，第二攝像頭實時對無人機巡視的輸電線路進行拍攝，拍攝后的圖像發(fā)送到單片機依次進行二值化處理，然后在圖像的不同列上，采集有效線徑數(shù)據(jù)總數(shù)大于45個以上，或采集的列數(shù)超過15個以上，然后對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)值濾波，最后取其平均值n，n即為代表待測輸電線路線徑值的大小；

d：然后按照幾何對比的原理，通過如下公式計算得到拍攝圖像時刻，無人機與待測輸電線路之間的實際距離大小l。

所述的步驟c中得到代表待測輸電線路線徑值大小的n，具體包括如下步驟：

①記白色像數(shù)值為“0”，黑色像數(shù)值為“1”，然后對整個圖像的x(列)×y(行)信號矩陣，取m列將圖像m+1等分，則對應的列的序號分別為li(i＝1,2,3，…m)，其中

②以首列第l1列為對象采集有效線徑數(shù)據(jù),如lm+1：從l1的第一行開始向下行序號變大的方向意思從第一行采集，并判斷像素值大小，從而找到第一個像數(shù)值為“1”的行記作n1，自n1開始計算連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)s1，記作n1＝s1，即為采集完成一個有效線徑數(shù)據(jù)；緊接著同列的像素值向下繼續(xù)采集，得到n2＝s2、n3＝s3…，其中一列采集完，依次成轉(zhuǎn)向下一列l(wèi)2，……li采集，最終得到nj＝sj；其中如果首列是插入列，從插入列首列開始，；

③采集過程中針對上述步驟中得到的各個值進行判斷：判斷j值，如果j345，則轉(zhuǎn)入步驟⑤；如果j≤45則判斷i值，其中，如果i≥15，則也轉(zhuǎn)入步驟⑥，否則進行下一步驟；

④以上述已處理過的列序號為參考，依次選取對應的中間列作為插入對象列，選取的插入對象列記為第lm+1列、lm+2列、lm+3列、…；

⑤依次選取任意一列插入對象列記為第lm+k列重復②、③步驟，直到滿足判斷條件i≥15，進入下一步驟；

⑥對j個有效線徑數(shù)據(jù)做中值濾波處理，然后計算平均作為實際線徑值，記作n。

所述的步驟②中有效線徑數(shù)據(jù)判斷方法為：考慮圖像雜波干擾因素，其中毗鄰斷點即像數(shù)值為“0”不超過2個視為連續(xù)；考慮非輸電線類目標，連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)小于5視作無效；考慮是桿塔、背景飛機等景物的圖像，而非輸電線圖像的情況，同樣連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)超過60視作無效。

本發(fā)明由一個或若干個微型攝像頭和單片機最小系統(tǒng)組成，攝像頭從線路側(cè)面攝取空間輸電線的連續(xù)圖像，每秒25幀，單片機對每幀圖像信號進行采集、處理。攝像頭攝取的每幀圖像包含m×n(列數(shù)×行數(shù))個像素信號，經(jīng)二值化處理后以串行通信方式傳送給單片機，單片機依據(jù)特別設計的方法對m×n個數(shù)據(jù)進行識別、處理，處理結(jié)果經(jīng)過與標定閾值比較、換算后，輸出距離信息發(fā)送給無人機飛控系統(tǒng)，單片機完成一幀圖像的采集、處理、比較、輸出后，轉(zhuǎn)而對下一幀圖像重復上述過程，循環(huán)往復直至停機，其間攝像頭與單片機保持同步工作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述單通道工作過程示意框圖；

圖2為本發(fā)明中測距原理示意圖；

圖3為本發(fā)明所述浮動閾值處理電路原理圖；

圖4為本發(fā)明的流程圖；

圖5為本發(fā)明所述有效線徑的采集示意圖。

具體實施方式

以下將對本發(fā)明的優(yōu)先實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)先實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。如圖1、2和3所示，本發(fā)明包括第一攝像機、第二攝像機、圖像處理電路和中央處理器，所述的第一、第二攝像機的輸出端分別通過圖像處理電路連接中央處理器的輸入端，所述的圖像處理電路采用浮動閾值處理電路，所述的浮動閾值處理電路包括有反向保護電路、低通濾波電路、信號放大電路、峰值保持電路、電壓跟隨器、電壓比較器和幅值可調(diào)的閥值電壓生成器，所述的反向保護電路的輸出端依次通過低通濾波電路、信號放大電路、峰值保持電路、電壓跟隨器與電壓比較器輸入端相連接，幅值可調(diào)的閥值電壓生成器的輸入端與12伏穩(wěn)壓電源相連接，輸出端分別與信號放大電路、電壓跟隨器與電壓比較器的電壓接入端。

本發(fā)明首先將ccd視頻輸出的脈沖調(diào)制信號經(jīng)過低通濾波器濾波后變成時間上連續(xù)的模擬信號。按照對圖像分辨率的要求，用采樣/保持電路對連續(xù)的視頻信號在時間上進行間隔采樣，把ccd視頻信號變成模擬的離散信號，由a/d轉(zhuǎn)換器再將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。即ccd視頻信號→低通濾波→采樣/保持→a/d轉(zhuǎn)換→輸出。如圖3所示，d1為反向保護二極管，r1，c1為低通濾波器；ic1為信號放大器(r2分壓電阻，r3反饋電阻，r4輸出耦合電阻)；c2，r5，c3構(gòu)成峰值保持電路；ic2為電壓跟隨器，ic3為電壓比較器(r10反饋電阻)；rw，r6，r7，r8，r9，t1，c4提供一個幅值可調(diào)的閾值電壓。針對圖中所述連接關(guān)系十分清楚，在此不在贅述。本發(fā)明使電壓比較器的閾值電平隨ccd輸出視頻信號的幅值變化而浮動(r2輸出)，這樣在測量時背景亮度變化引起ccd輸出信號變化時，可以通過電路將ccd輸出視頻信號幅值的變化關(guān)聯(lián)到閾值電平上，使閾值電平跟隨變化，從而抵消ccd輸出視頻信號因背景亮度不同造成的誤差。

在無人飛行器巡線過程中實時監(jiān)測無人飛行器與輸電線間的距離，由裝置上的攝像頭攝取輸電線路沿線的圖像信息，經(jīng)由單片機中的特別算法處理程序處理，實時輸出距離、速度信號給無人飛行器的飛控系統(tǒng)，提供飛行控制為無人飛行器的壁障、循跡、自主飛行提供必要的保障。

一種快速、低成本的輸電線路測距方法，如圖4所示，包括如下步驟：

a：首先，計算標定閥值的大?。和ㄟ^試用第一攝像頭在已知知的距離l處攝取已知且固定輸電線線徑d的圖像，采集到的圖像中的有效像數(shù)個數(shù)n閾即代表線徑值d，對應于距離l閾，以此作為比例標尺即標定的閥值；

b：然后，采用參數(shù)大小與第一攝像機完全相同的第二攝像頭安裝在無人機機體的機頭和機體的一側(cè)上，且第二攝像頭鏡頭朝向無人機飛行方向或與無人機飛行方向相垂直，然后啟動無人機對未知輸電輸電線路進行巡視；

c：巡視過程中，第二攝像頭實時對無人機巡視的輸電線路進行拍攝，拍攝后的圖像發(fā)送到單片機依次進行二值化處理，然后在圖像的不同列上，采集有效線徑數(shù)據(jù)總數(shù)大于45個以上，或采集的列數(shù)超過15個以上，然后對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)值濾波，最后取其平均值n，n即為代表待測輸電線路線徑值的大??；所述的步驟c中得到代表待測輸電線路線徑值大小的n，具體包括如下步驟：

①：記白色像數(shù)值為“0”，黑色像數(shù)值為“1”，然后對整個圖像的x(列)×y(行)信號矩陣，取m列(相當于在圖片中劃m條豎線)將圖像m+1等分，則對應的列的序號分別為li(i＝1,2,3,…m)，其中此處為實現(xiàn)圖像等分，則m的最大值為x/2。

②以首列第l1(如果是插入列，從插入列首列開始，如lm+1)列為對象采集有效線徑數(shù)據(jù)：從l1的第一行開始向下行序號變大的方向意思從第一行采集，并判斷像素值大小，從而找到第一個像數(shù)值為“1”的行記作n1，自n1開始計算連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)s1，記作n1＝s1，即為采集完成一個有效線徑數(shù)據(jù)；緊接著同列的像素值向下繼續(xù)采集，得到n2＝s2、n3＝s3…，其中一列采集完，依次成轉(zhuǎn)向下一列l(wèi)2，……li采集，最終得到nj＝sj；

所述的有效線徑數(shù)據(jù)判斷方法為：考慮圖像雜波干擾因素，其中毗鄰斷點即像數(shù)值為“0”不超過2個視為連續(xù)；考慮非輸電線類目標，連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)小于5視作無效；考慮是桿塔、背景飛機等景物的圖像，而非輸電線圖像的情況，同樣連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)超過60視作無效。

③采集過程中針對上述步驟中得到的各個值進行判斷：判斷j值，如果j≥45，則轉(zhuǎn)入步驟⑤；如果j≤45則判斷i值，其中，如果i≥15，則也轉(zhuǎn)入步驟⑥，否則進行下一步驟；

④以上述已處理過的列序號為參考，依次選取對應的中間列作為插入對象列，選取的插入對象列記為第lm+1列、lm+2列、lm+3列、…，

⑤依次選取任意一列插入對象列記為第lm+k列重復②、③步驟，直到滿足判斷條件i≥15，進入下一步驟；

⑥對j個有效線徑數(shù)據(jù)做中值濾波處理，然后計算平均作為實際線徑值，記作n。

本發(fā)明的一項核心技術(shù)是，在獲得一幀包含輸電線圖像后，如何識別、計算、給出距離等相關(guān)參數(shù)，同時滿足計算量小、速度快、結(jié)構(gòu)簡單、裝置重量輕，因此，降低每幀圖像的計算并能夠滿足使用要求便是核心問題，不同分辨率的圖像對應的運算、處理數(shù)據(jù)量不同，采用不同分辨率的攝像機獲取的圖像清晰度不同，圖像清晰度越好對應的數(shù)據(jù)量越大，如何平衡清晰度與數(shù)據(jù)量的平衡。本發(fā)明的解決方法是，在獲得有限分辨率圖像的前提下(如320×240像素)，選擇相應的列(由算法決定)進行計算、統(tǒng)計橫穿本列的每根輸電線圖像的寬度(對應于直徑)，圖像中第(i+p)列有q根輸電線橫穿(i＝1～320；p＝0～319；q＝1～240)，求取每根輸電線的寬度(線徑)，然后依據(jù)特別設計的算法，當(p+q)≧45時，取(p+q)個線徑值進行數(shù)值濾波、計算平均值得到有效寬度值(線徑值)，該值與標定閾值(可調(diào)整、設定)對比產(chǎn)生距離參數(shù)并輸出。如圖5所示。

消除隨機誤差的基本方法是平均值法。即平均值當測量次數(shù)n為無窮大時，平均值等于真值。但實際測量只能有限次，在滿足標準偏差σ的情況下，由貝塞爾(bessel)公式可推導出用剩余誤差計算近似標準誤差為：

謝波爾德公式給出了標準誤差σ、近似誤差以及檢測設備分辨率ω之間的關(guān)系：

當測量次數(shù)n增加，利用隨機誤差的抵償性質(zhì)，使隨機誤差對測量結(jié)果的影響削弱到與相近的數(shù)量時，近似誤差就趨于穩(wěn)定，此時測量次數(shù)n為選定值，一般n在10～20之間。實際工程應用通常取15。

在本發(fā)明中，若圖像中只有1根輸電線(單目標)，每列只能提取1個有效寬度值，所以要提取15列；若圖像中有3根輸電線(多目標)，每列提取3個有效寬度值(分別對應于3個目標)，所以提取45個有效寬度值即可，此時每個目標對應有15個有效寬度值；若圖像中有多于3根輸電線(多目標)，每列提取多于3個有效寬度值(分別對應于多個目標)，合計提取45個有效寬度值并不代表每個目標對應有15個有效寬度值，由于多目標之間在空間具有固定的位置比例關(guān)系，此時可近似雷同于“每個目標對應有15個有效寬度值”的情況看待。

d：然后按照幾何對比的原理，通過如下公式計算得到拍攝圖像時刻，無人機與待測輸電線路之間的實際距離大小l。

本發(fā)明另一個重要環(huán)節(jié)是如何精確、穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測并輸出距離參數(shù)值，由于無人機對承載重量、實時性要求、供電能力的苛刻要求，因此在功能、重量、供電方面必須特別設計以滿足要求。因此，設計指標如下：輸出數(shù)據(jù)更新率大于25赫茲(對應每秒25幀處理速度)、供電范圍直流3v～5v、裝置重量小于100克。

本發(fā)明采用第一、第二兩臺攝像頭(通常情況下兩臺，根據(jù)需要也可以三、四臺)、單片機最小系統(tǒng)和安裝底板組成，軟件包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計算與輸出。在無人飛行器巡線過程中，攝像頭分別攝取側(cè)面和前方的輸電線圖像，通過特別設計的處理算法對數(shù)據(jù)進行采集、處理、結(jié)算參數(shù)、輸出，為飛控系統(tǒng)控制飛行器的航跡提供依據(jù)。如圖1所示，裝置包含兩個方向的測距通道，左側(cè)(靠近輸電線一側(cè))和前方(飛行器飛行方向)，兩個通道的工作原理與流程是相同的。圖2是裝置中某一通道的工作流程示意圖(以側(cè)面通道為例)。首先，攝像頭以25幀/秒速率攝錄輸電線圖像，經(jīng)與之配套的硬件二值化電路(集成在攝像頭內(nèi)部)處理后，以每幀為一個數(shù)據(jù)封裝(稱為“數(shù)據(jù)幀”)，通過串口輸出給單片機的接收串口，單片機依據(jù)特別設計的方法對數(shù)據(jù)幀進行識別(忽略非輸電線圖像元素，如背景、塔桿、干擾等)、處理(提取若干組輸電線線徑值經(jīng)數(shù)值濾波后取其平均值，組數(shù)越多最后得到的參數(shù)越精確，但運算耗時也越長，實時性變差，所以要兼顧考慮)，處理結(jié)果經(jīng)過與標定閾值比較后解算出距離參數(shù)(標定閾值是：用同類攝像頭在已知的距離l攝取已知且固定輸電線線徑d的圖像，采集到的圖像中的有效像數(shù)個數(shù)代表線徑值d，對應于距離l，以此作為比例標尺)，輸出距離信息發(fā)送給無人機飛控系統(tǒng)，單片機完成一幀圖像的采集、處理、比較、輸出后，轉(zhuǎn)而對下一幀圖像重復上述過程，循環(huán)往復直至停機，其間攝像頭與單片機保持同步工作。

圖3所示，在距離同一距離(15米)、同一電壓等級(輸電線線徑確定)輸電線不同分辨率攝像頭攝取的圖像，1300萬像素攝像頭拍攝，800萬像素攝像頭拍攝，7.68(320×240)萬像素攝像頭拍攝經(jīng)二值化處理后輸出的圖片經(jīng)過對比可以看出，像數(shù)越高圖片越清晰，需要處理的數(shù)據(jù)也越大，簡單計算可知(a)和(b)的數(shù)據(jù)量是(c)的104～169倍，相應的運算處理時間也延長相應倍數(shù)，也就是說，如果以16位單片機每秒能處理(c)圖片25幀為標準，則采用不同的像數(shù)圖片輸出距離參數(shù)的次數(shù)速率分別為0.148次/每秒、0.24次/每秒、25次/每秒，說明采用攝像頭的像數(shù)越高，系統(tǒng)的實時性越差，同時，攝像頭的像數(shù)越高其重量也越大，也會影響裝置適載性能。

所以本發(fā)明采用低成本的普通攝像頭，分辨最高為320×240像素，總有效像數(shù)只有7.68萬，輸出速率25幀/每秒(滿足人眼視覺上形成連續(xù)動畫的最低要求，>24幀/每秒)，實際攝取圖像二值化后的效果如圖4所示。顯然，由于像素低(對應的處理時間短，實時性好)，所以圖像平滑性不好，造成在不同的列采集計算線徑其結(jié)果不同，如何有效、快速的解決此問題，便是本發(fā)明解決的技術(shù)問題。

本發(fā)明在具體實施過程中首先解決線徑不一致問題，現(xiàn)有的采用通常的平滑算法處理，當然能夠解決此問題，但是其關(guān)鍵是需要耗時太長，以16位單片機為例，最簡單的平滑算法平均耗時約800毫秒，且指標不能太高。所以，若采用簡單的平滑算法處理后再提取線徑計算參數(shù)并輸出，每秒只能輸出約1次距離參數(shù)，遠低于攝像頭輸出25幀/每秒的速率，因此，該方法不可取。本發(fā)明采用的方法是，在圖像的不同列上，采集有效線徑數(shù)據(jù)總數(shù)大于45個以上，然后對數(shù)據(jù)進行數(shù)值濾波，最后取其平均值。具體以下述具體例子進行說明：

經(jīng)二值化處理后的圖像中，白色像數(shù)值為“0”，黑色像數(shù)值為“1”。

①對整個圖像的320(列)×240(行)信號矩陣，取7列(相當于在圖片中劃7條豎線)將圖像8等分，則對應的列的序號分別為l1＝40、l2＝80、l3＝120、l4＝160、l5＝200、l6＝240、l7＝280；

②分別以li列為對象采集有效線徑數(shù)據(jù)。方法是：從li的第一行開始向下(行序號變大的方向)找到第一個像數(shù)值為“1”的行記作n1，自n1開始計算連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)sj(j＝1,2,3,…n)，記作nj＝sj，其中毗鄰斷點(像數(shù)值為“0”)不超過2個視為連續(xù)(考慮圖像雜波干擾因素)，考慮非輸電線類目標，連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)小于5視作無效，而連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)超過60視作無效(考慮是桿塔、背景飛機等景物的圖像，而非輸電線圖像)；采集完一個有效線徑數(shù)據(jù)，接著同列向下繼續(xù)采集下一個，一列采集完成轉(zhuǎn)向下一列采集，直至最后；

③上述列信號處理完成后，判斷j值，如果j≥45，則轉(zhuǎn)入步驟⑥；判斷i值，如果i≥15，則轉(zhuǎn)入步驟⑤，否則進行下一步驟；

④以上述已處理過的列序號為參考，依次選取對應的中間列作為插入對象列，選取的插入對象列記為第l8列、l9列、l10列、…，在本實施例中可以采用20列，60列，100列，140列，180列，220列，260列，300列；

⑤依次選取任意一列插入對象列記為第lm+k列重復②、③步驟，直到滿足判斷條件i≥15，進入下一步驟；

⑥對j個有效線徑數(shù)據(jù)做中值濾波處理，然后計算平均作為實際線徑值，記作n。

由于之前用相同的攝像頭(包括鏡頭)在已知的距離l閾＝10m，拍攝已知輸電線線徑d閾＝30mm的圖片，該圖經(jīng)處理后得到對應的連續(xù)的像數(shù)值為“1”像數(shù)個數(shù)為n閾＝15，單片機中的數(shù)據(jù)處理程序?qū)閾值作為閾值。按照幾何比例原理，距離測量計算步驟如下：

①讀取線徑值n

②計算距離,

③輸出距離值l，從而完成距離測量。