CN111812659A - 一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置及方法 - Google Patents

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王立国
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院利军
周瑾
周鹏
张志韬
彭朝亮
张岩
张晓远
张洋
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张新杨
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Abstract

本发明公开了一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，包括铁塔、摄像头、反光板、天线和水平云台，所述铁塔的顶部设有天线和水平云台，水平云台的下方设有激光发射器，铁塔的下部设有摄像头和反光板，摄像头、反光板和激光发射器的位置关系满足激光发射器发射的激光束经过反光板后被摄像头捕捉，铁塔的内部设有预警***；本发明的有益效果是：1、利用图像识别技术，可以计算机实时监测测量铁塔姿态和沉降，远端监控，设定报警阈值，远端控制和监控铁塔。2、云台的配合使用，提高模块激光垂度的准确性，对姿态和沉降进行精确计算。

Description

一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置及方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体是一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置及方法。
背景技术
随着国家高铁网络建设和应用规模的不断扩大，铁路无线通信技术的快速发展，铁塔越来越多的应用于铁路通信，然而铁塔沿着高铁线路建设，安装环境复杂多样，列车运行、地质变化、气候变化和人为等因素都会对通信铁塔的安全造成影响，容易使铁塔出现倾斜甚至倒塌，直接威胁到人身和列车运行安全。因此对铁塔的姿态、沉降、天线倾角进行高精度监测和实时响应已成为通信铁塔安全维护所急需的功能。
图像识别技术是信息时代的一门重要的技术，其产生目的是为了让计算机代替人类去处理大量的物理信息。计算机的图像识别技术在公共安全、生物、工业、农业、交通、医疗等很多领域都有应用。通过图像的获取、预处理、特征抽取和选择、分类器设计和分类决策，识别有效信息。
激光测距是以激光器作为光源进行测距，利用激光对目标的距离进行准确测定。激光测距模块在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
本发明提出一种图像识别和激光测距的的铁塔姿态预警装置及方法，用于解决现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，包括铁塔、摄像头、反光板、天线和水平云台，所述铁塔的顶部设有天线和水平云台，水平云台的下方设有激光发射器，铁塔的下部设有摄像头和反光板，摄像头、反光板和激光发射器的位置关系满足激光发射器发射的激光束经过反光板后被摄像头捕捉，铁塔的内部设有预警***。
作为本发明的进一步技术方案：所述预警***包括水平云台部分、后台监控平台、主控部分和监控摄像头，主控部分分别连接水平云台部分、后台监控平台和监控摄像头。
作为本发明的进一步技术方案：所述主控部分包括路由器、ARM主控芯片及外设和步进电机驱动器，ARM主控芯片及外设分别连接路由器和步进电机驱动器。
作为本发明的进一步技术方案：所述后台监控平台包括图像识别模块、数据后处理模块、前端显示界面和数据接收存储模块。
作为本发明的进一步技术方案：所述水平云台部分包括激光测距模块、三轴陀螺仪、角度编码器和步进电机，激光测距模块、三轴陀螺仪、角度编码器均连接ARM主控芯片及外设，步进电机连接步进电机驱动器。
作为本发明的进一步技术方案：所述路由器分别连接监控摄像头和后台监控平台。
作为本发明的进一步技术方案：所述主控部分还包括电源模块和电源转换模块。
一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警方法，具体步骤如下：主控部分通过串口控制激光测距模块进行测距，采集距离后上传到监控中心，同时主控部分打开监控摄像头，采集激光光斑在反光板的位置，并通过路由器上传到后台监控平台，后台监控平台将实时图像进行特征点识别，确定激光光斑圆心的位置，解算出塔顶相对于水平方向的位移和方向，通过后处理算法，结合激光测距距离，解算出实现姿态和沉降测量，并仿真到铁塔形变的模型，根据数据模拟出铁塔正常的姿态和沉降模型，将二维正态分布简化为一维正态分布，通过对平均值和方差的确定，设置铁塔形变预警阈值，一旦姿态和沉降数据超过阈值，依次验证铁塔是否在合理的范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、利用图像识别技术，可以计算机实时监测测量铁塔姿态和沉降，远端监控，设定报警阈值，远端控制和监控铁塔。2、云台的配合使用，提高模块激光垂度的准确性，对姿态和沉降进行精确计算。3、加入数据后处理，将光斑分布简化为正态分布，设置方差和平均值，进一步提高预警准确度。4、结合激光射线的直射，将空间相对定位和绝对垂线相结合，测量铁塔姿态的同时，可以验证铁塔姿态。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的***硬件连接框架示意图。
图中：水平云台-1、激光发射器-2、天线-3、摄像头-4、反光板-5、铁塔-6。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，实施例1：一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，包括铁塔6、摄像头4、反光板5、天线3和水平云台1，所述铁塔6的顶部设有天线3和水平云台1，水平云台1的下方设有激光发射器2，铁塔6的下部设有摄像头5和反光板6，摄像头5、反光板6和激光发射器7的位置关系满足激光发射器7发射的激光束经过反光板6后被摄像头5捕捉，铁塔8的内部设有预警***。
如图2所示，其中，预警***包括水平云台部分、后台监控平台、主控部分和监控摄像头，主控部分分别连接水平云台部分、后台监控平台和监控摄像头。
主控部分包括路由器、ARM主控芯片及外设和步进电机驱动器，ARM主控芯片及外设分别连接路由器和步进电机驱动器，路由器分别连接监控摄像头和后台监控平台。主控部分还包括电源模块和电源转换模块，主控部分，通过配置芯片IO口、I2C、485串口和以太网接口，进行数据的采集、处理和传输。主控芯片通过I2C接口，采集三轴陀螺仪的三轴角度和加速度，并通过GPIO采集角度编码器进行反馈控制，同时输出电脉冲驱动步进电机旋转云台，控制云台保持水平状态。主控芯片还通过485串口读取激光测距模块的距离数据，通过以太网接口控制路由器监控摄像头。电源模块向各模块供电，激光测距对供电要求高，电源转换模块，通过电压转换、滤波和防护浪涌处理，将AC220V输入电压转换成DC12V，实现高质量的供电性能。
水平云台部分包括激光测距模块、三轴陀螺仪、角度编码器和步进电机，激光测距模块、三轴陀螺仪、角度编码器均连接ARM主控芯片及外设，步进电机连接步进电机驱动器，水平云台利用惯性测量单元(IMU)、电机磁编码器，对姿态进行调整。在云台上安装与云台固定连接的IMU，用于获取云台对地的三轴角速度Gyro和三轴加速度Acc，每个电机轴上安装的磁编码器获取云台每个轴的角度(这个角度是相对于云台的)。对IMU获取的Gyro角速度进行积分，可得到云台转动的角度，然后反向调节电机相应的角度，既可实现云台增稳，同理其他轴向也增稳。固定在云台的激光测距模块也可时钟保持垂直于地面方向，以便测量塔顶与地面的垂直方向距离。
后台监控平台包括图像识别模块、数据后处理模块、前端显示界面和数据接收存储模块。后台监控平台主要进行图像识别和后处理算法：
1)图像识别是识别反光板上的激光光斑，通过图像识别中的圆检测识别像素，并逐像素扫描图像特征，当图像中的光斑不是一个点时，光斑的位置用光斑面积的中心点确定。从图像中的像素视为单位面积小方块时，则图像中的区域和背景均由小方块组成。区域的周长及其为区域和背景缝隙的长度之和，计算周长。同理，统计边界及其内部的像素总和，求出物体边界内像素点的面接，通过迭代二值化后可找到光斑中心周围像素点取平均，可获得准确的圆心坐标，从而可以与反光板中垂线的位移，计算出铁塔在水平方向的位移向量。
2)后处理算法是结合塔顶在水平方向上的位移和塔顶距离塔底的垂直距离，通过反正弦定理可以得到铁塔相对与中垂线的倾角θ。
Figure BDA0002569014870000051
同理，通过反余弦定理，可以得到铁塔相对于地面的沉降，由此可以模拟出铁塔倾角的模型。光斑在反光板上的分布是呈现二维正态分布。
Figure BDA0002569014870000052
通过平滑处理找到规律，进行指数滤波，消除数据的小抖动，倾角的在方位上是按照一维正态分布，由平均值和方差决定.概率密度函数曲线以均值为对称中线，方差越小，分布越集中在均值附近，通过对平均值和方差的确定，排除因为风速等外界原因所引发的误报警，能够更为准确验证是否出现铁塔倾斜。
Figure BDA0002569014870000053
实施例2，在实施例1的基础上，依据上面的***结构，本发明还提供了一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警方法，具体步骤如下：主控部分通过串口控制激光测距模块进行测距，采集距离后上传到监控中心，同时主控部分打开监控摄像头，采集激光光斑在反光板的位置，并通过路由器上传到后台监控平台，后台监控平台将实时图像进行特征点识别，确定激光光斑圆心的位置，解算出塔顶相对于水平方向的位移和方向，通过后处理算法，结合激光测距距离，解算出实现姿态和沉降测量，并仿真到铁塔形变的模型，根据数据模拟出铁塔正常的姿态和沉降模型，将二维正态分布简化为一维正态分布，通过对平均值和方差的确定，设置铁塔形变预警阈值，一旦姿态和沉降数据超过阈值，依次验证铁塔是否在合理的范围。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，包括铁塔（6）、摄像头（4）、反光板（5）、天线（3）和水平云台（1），其特征在于，所述铁塔（6）的顶部设有天线（3）和水平云台（1），水平云台（1）的下方设有激光发射器（2），铁塔（6）的下部设有摄像头（5）和反光板（6），摄像头（5）、反光板（6）和激光发射器（7）的位置关系满足激光发射器（7）发射的激光束经过反光板（6）后被摄像头（5）捕捉，铁塔（8）的内部设有预警***。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述预警***包括水平云台部分、后台监控平台、主控部分和监控摄像头，主控部分分别连接水平云台部分、后台监控平台和监控摄像头。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述主控部分包括路由器、ARM主控芯片及外设和步进电机驱动器，ARM主控芯片及外设分别连接路由器和步进电机驱动器。
4.根据权利要求3所述的一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述后台监控平台包括图像识别模块、数据后处理模块、前端显示界面和数据接收存储模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述水平云台部分包括激光测距模块、三轴陀螺仪、角度编码器和步进电机，激光测距模块、三轴陀螺仪、角度编码器均连接ARM主控芯片及外设，步进电机连接步进电机驱动器。
6.根据权利要求4所述的一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述路由器分别连接监控摄像头和后台监控平台。
7.根据权利要求4所述的一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警装置，其特征在于，所述主控部分还包括电源模块和电源转换模块。
8.一种基于图像识别和激光测距的铁塔姿态预警方法，其特征在于，采用权利要求5所述的预警装置，具体步骤如下：主控部分通过串口控制激光测距模块进行测距，采集距离后上传到监控中心，同时主控部分打开监控摄像头，采集激光光斑在反光板的位置，并通过路由器上传到后台监控平台，后台监控平台将实时图像进行特征点识别，确定激光光斑圆心的位置，解算出塔顶相对于水平方向的位移和方向，通过后处理算法，结合激光测距距离，解算出实现姿态和沉降测量，并仿真到铁塔形变的模型，根据数据模拟出铁塔正常的姿态和沉降模型，将二维正态分布简化为一维正态分布，通过对平均值和方差的确定，设置铁塔形变预警阈值，一旦姿态和沉降数据超过阈值，依次验证铁塔是否在合理的范围。
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