CN112581837B - 一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置，包括支撑底座和与支撑底座配合的支撑上盖，所述支撑底座内设有可升降的相机，所述支撑上盖内设有横向导轨，所述横向导轨上设有两个与其滑动配合的横向滑块，所述横向滑块上设有竖向导杆，所述竖向导杆上设有与其滑动配合的竖向滑块，竖向滑块与转臂横担一端固定连接，转臂横担上设有电子测力计，两个电子测力计检测端连接柔性线端部；本发明可以模拟演示输电架空线弧垂复杂的物理状态，通过图像处理后直接得到实际弧垂，并与计算出的弧垂进行比较，以获得实际反馈，提高了教学效果。

Description

一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置及方法

技术领域

本发明涉及输电线路教学技术领域，具体地指一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置及方法。

背景技术

在现代化社会中输电线路做为重要的能源动脉，按结构形式分为架空输电线路和地下线路。其中输电架空线路作为当前最主要的电能传输载体，因其架设及维修比较方便，成本也较低，在大型远距离输电上得到广泛应用。学习输电架空线路的构成以及对其各种参数研究是电气学科学习中的必要一环，输电架空线路弧垂作为输电架空线路安全运行的主要指标,在输电架空线路的初期设计和后期维护中都需要对其实现准确的测量和计算。在传统的教学过程中，由于客观原因，课堂教学无法将输电架空线的某一段设备搬入教室，而单独的理论教学，是从柔性线的基本方程出发，根据柔性线张力、倾角或温度等来推导计算出柔性线弧垂，学生对柔性线弧垂的认知只停留在理论计算层面，不仅过于抽象，不易理解，难以有直观的认识，而且学生在得出计算结果后无从得知计算结果是否与实际相符，缺少实际反馈，教学效果不能得到很好的保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置及方法，以模拟演示输电架空线弧垂复杂的物理状态，通过图像处理后直接得到实际弧垂，并与计算出的弧垂进行比较，以获得实际反馈，提高教学效果。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置，包括支撑底座和与支撑底座配合的支撑上盖，所述支撑底座内设有可升降的相机，所述支撑上盖内设有横向导轨，所述横向导轨上设有两个与其滑动配合的横向滑块，所述横向滑块上设有竖向导杆，所述竖向导杆上设有与其滑动配合的竖向滑块，竖向滑块与转臂横担一端固定连接，转臂横担上设有电子测力计，两个电子测力计检测端连接柔性线端部。

优选地，所述支撑底座的背部通过转轴与支撑上盖铰接连接，所述转轴与电动机输出轴连接。

优选地，所述支撑底座与支撑上盖之间还设有可伸缩支撑杆。

优选地，所述相机输出端通过数据传输线与计算机相连。

优选地，其特征在于：所述相机设于弹簧支架顶部，所述弹簧支架底部与支撑底座底部铰接连接，所述弹簧支架侧部与支撑底座底部之间还通过压缩弹簧连接，支撑底座底部上设有对弹簧支架顶部进行限位的闭锁装置。

优选地，所述弹簧支架顶部还设有照明灯，与闭锁装置相对的一侧竖向设有挡板。

优选地，所述竖向导杆为圆柱形杆，所述竖向滑块内部开设有与竖向导杆滑动配合的圆形通孔，竖向滑块外表面与圆形通孔之间开设有用于穿设顶紧螺钉的螺孔。

另外本发明还公开上述装置的使用方法，它包括如下步骤：

步骤1)：在横向导轨上移动横向滑块至不同点位置，在竖向导杆上移动竖向滑块至不同点位置，使得柔性线呈现出不同的弧垂形态；

步骤2)：相机对呈不同形态的柔性线进行图像采集，并将图像传至计算机，通过计算机对图像进行处理；

步骤3)：在步骤2)获得的图像中建立笛卡尔坐标系，将图像的左下角定为坐标轴原点(0，0)，下边界定为x轴，左侧边定为y轴，获得图像中柔性线所形成曲线的状态方程为：y₁＝Ax₁ ²+Bx₁+C，其中A、B、C为常数，x₁为横坐标，y₁为纵坐标；

步骤4)：通过连接步骤3)曲线中任意两点而得到直线方程为：y₂＝kx₂+b，其中k和b为常数，x₂为横坐标，y₂为纵坐标；

步骤5)：在同一竖直方向位置上，x₁＝x₂，此时y₂-y₁，即可得到弧垂表达式为Y＝(k-B)x₁-Ax₁ ²+b-C；

步骤6)：对弧垂表达式求导，使其导数为零时，此时对应的x₁求得的弧垂Y为最大弧垂；

步骤7)：通过电子测力计获得的柔性线轴向应力分别为σ_A和σ_B，计算出最大弧垂Y_max，与步骤6)获得的最大弧垂进行比较。

本发明的有益效果：

1.在教学过程中通过本发明模拟演示输电架空线的状态，增强学生直观感性认识，对一些重要的概念与定义结合课堂授课即时教学。

2.本发明可以模拟演示输电架空线弧垂复杂的物理状态，通过图像处理后直接得到实际弧垂，并与计算出的弧垂进行比较，以获得实际反馈；而且其在教学过程中可以在极短的时间得出所测柔性线的弧垂及最大弧垂。

3.通过本发明得到的结果与学生通过公式计算的结果进行比较，检验所计算的弧垂是否准确，加深学生对输电线路弧垂计算的印象。

4.由于采用了折叠收纳技术，在非教学时间可以很好地进行收纳，节省教学空间资源。

5.本发明通过横向滑块、竖向滑块的联动搭配，可以灵活的调整水平与竖直距离，实现对各种情况的模拟，极大丰富了实例样式。

附图说明

图1为一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为图1的后侧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1至3所示，一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置，包括支撑底座1和与支撑底座1配合的支撑上盖2，所述支撑底座1内设有可升降的相机16，所述支撑上盖2内设有横向导轨11，所述横向导轨11上设有两个与其滑动配合的横向滑块5，所述横向滑块5上设有竖向导杆6，所述竖向导杆6上设有与其滑动配合的竖向滑块10，竖向滑块10与转臂横担7一端固定连接，转臂横担7上设有电子测力计8，两个电子测力计8检测端连接柔性线19端部。

优选地，所述支撑底座1的背部通过转轴15与支撑上盖2铰接连接，所述转轴15与电动机14输出轴连接。由于支撑底座1和支撑上盖2尺寸较大，单靠人为进行开合比较困难，所以通过电动机14驱动可以实现支撑上盖2的自动开合，省时省力。优选地，电动机14可以选用穿心电机，这样可以分别连接两个转轴15。

优选地，所述支撑底座1与支撑上盖2之间还设有可伸缩支撑杆9。本实施例中，可伸缩支撑杆9可选用液压撑杆或自锁式气弹簧结构，可以对支撑上盖2的打开和关闭形成导向支撑。

优选地，所述相机16输出端通过数据传输线13与计算机12相连。

优选地，其特征在于：所述相机16设于弹簧支架4顶部，所述弹簧支架4底部与支撑底座1底部铰接连接，所述弹簧支架4侧部与支撑底座1底部之间还通过压缩弹簧连接，支撑底座1底部上设有对弹簧支架4顶部进行限位的闭锁装置18。在需要使用相机16进行拍照时，可以打开闭锁装置18，本实施例中的闭锁装置18可以为卡扣式结构，可以将弹簧支架4顶部卡住，闭锁装置18打开时，也可以使得弹簧支架4因压缩弹簧的弹力作用而立起。

优选地，所述弹簧支架4顶部还设有照明灯17，与闭锁装置18相对的一侧竖向设有挡板3。挡板3可以对弹簧支架4进行限位，弹簧支架4因压缩弹簧的弹力作用而立起，而挡板3可以防止弹簧支架4发生倾斜。

优选地，所述竖向导杆6为圆柱形杆，所述竖向滑块10内部开设有与竖向导杆6滑动配合的圆形通孔，竖向滑块10外表面与圆形通孔之间开设有用于穿设顶紧螺钉的螺孔20。这样设计后，竖向滑块10可以在竖向导杆6上自转，方便将转臂横担7转向靠近支撑上盖2一侧，方便收纳，另外竖向滑块10可以在竖向导杆上上下滑动，当滑动到某个具***置时，通过拧紧顶紧螺钉，可以将竖向滑块10的位置固定，起到限位作用。

另外本发明还公开上述装置的使用方法，它包括如下步骤：

步骤1)：在横向导轨11上移动横向滑块5至不同点位置，在竖向导杆6上移动竖向滑块10至不同点位置，使得柔性线19呈现出不同的弧垂形态；

步骤2)：相机16对呈不同形态的柔性线19进行图像采集，并将图像传至计算机12，通过计算机12对图像进行处理；

本实施例中图像处理具体过程是：首先对所得图像进行高斯模糊处理，去除图像中的噪声，得到纯净的图像，更方便对展示柔性线的提取；进一步地，在计算机12的处理过程中，对所得图像进行灰度化处理，并利用Canny边缘检测算子对图像进行处理，从而得到柔性线的边缘；

步骤3)：在步骤2)获得的图像中建立笛卡尔坐标系，将图像的左下角定为坐标轴原点(0，0)，下边界定为x轴，左侧边定为y轴，获得图像中柔性线19所形成曲线的状态方程为：y₁＝Ax₁ ²+Bx₁+C，其中A、B、C为常数，x₁为横坐标，y₁为纵坐标；

在步骤3)中，因为教学所用的柔性线19本身具有一定宽度，在图像上显示为两条互相平行的曲线，即为上边界曲线y_s和下边界曲线y_x，本实施例中y₁取y_s和y_x的平均值，即为y₁＝(y_s+y_x)/2，这样取值更加准确。

进一步地，曲线的状态方程：y₁＝Ax₁ ²+Bx₁+C具体推导过程如下：

因为在计算机的处理过程中，业内多用悬链线曲线状态方程求解，如下式所示：

y＝a*ch(x/a+archn-l/a)-a*ch(archn-l/a)

式中，ch( )为双曲余弦函数，arch( )为反双曲余弦函数，a为待求未知量，n为对目标点处切线与坐标轴夹角进行正割后的正割值，(l，h)为目标点坐标，该方程计算复杂且拟合成功率低。

考虑到在本装置中，原各模型的数值都比较小，故简化方程运用“斜抛物线法”对已有的悬链线方程进行简化，从而得到状态方程y＝Ax²+Bx+C；

步骤4)：通过连接步骤3)曲线中任意两点而得到直线方程为：y₂＝kx₂+b，其中k和b为常数，x₂为横坐标，y₂为纵坐标；

步骤5)：在同一竖直方向位置上，x₁＝x₂，此时y₂-y₁，即可得到弧垂表达式为Y＝(k-B)x₁-Ax₁ ²+b-C；本实施例中，弧垂的定义为：架空线上任意一点距两悬挂点连线的垂向距离；

步骤6)：对弧垂表达式求导，使其导数为零时，此时对应的x₁求得的弧垂Y为最大弧垂；

步骤7)：通过电子测力计8获得的柔性线轴向应力分别为σ_A和σ_B，计算出最大弧垂Y_max，与步骤6)获得的最大弧垂进行比较。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，所述输电架空线弧垂教学装置包括支撑底座(1)和与支撑底座(1)配合的支撑上盖(2)，所述支撑底座(1)内设有可升降的相机(16)，所述支撑上盖(2)内设有横向导轨(11)，所述横向导轨(11)上设有两个与其滑动配合的横向滑块(5)，所述横向滑块(5)上设有竖向导杆(6)，所述竖向导杆(6)上设有与其滑动配合的竖向滑块(10)，竖向滑块(10)与转臂横担(7)一端固定连接，转臂横担(7)上设有电子测力计(8)，两个电子测力计(8)检测端连接柔性线(19)端部；其特征在于：它包括如下步骤：

步骤1)：在横向导轨(11)上移动横向滑块(5)至不同点位置，在竖向导杆(6)上移动竖向滑块(10)至不同点位置，使得柔性线(19)呈现出不同的弧垂形态；

步骤2)：相机(16)对呈不同形态的柔性线(19)进行图像采集，并将图像传至计算机(12)，通过计算机(12)对图像进行处理；

步骤3)：在步骤2)获得的图像中建立笛卡尔坐标系，将图像的左下角定为坐标轴原点(0，0)，下边界定为x轴，左侧边定为y轴，获得图像中柔性线(19)所形成曲线的状态方程为：y₁＝Ax₁ ²+Bx₁+C，其中A、B、C为常数，x₁为横坐标，y₁为纵坐标；

步骤4)：通过连接步骤3)曲线中任意两点而得到直线方程为：y₂＝kx₂+b，其中k和b为常数，x₂为横坐标，y₂为纵坐标；

步骤5)：在同一竖直方向位置上，x₁＝x₂，此时y₂-y₁，即可得到弧垂表达式为Y＝(k-B)x₁-Ax₁ ²+b-C；

步骤6)：对弧垂表达式求导，使其导数为零时，此时对应的x₁求得的弧垂Y为最大弧垂；

步骤7)：通过电子测力计(8)获得的柔性线轴向应力分别为σA和σB，计算出最大弧垂Y_max，与步骤6)获得的最大弧垂进行比较。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，其特征在于：所述支撑底座(1)的背部通过转轴(15)与支撑上盖(2)铰接连接，所述转轴(15)与电动机(14)输出轴连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，其特征在于：所述支撑底座(1)与支撑上盖(2)之间还设有可伸缩支撑杆(9)。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，其特征在于：所述相机(16)输出端通过数据传输线(13)与计算机(12)相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，其特征在于：所述相机(16)设于弹簧支架(4)顶部，所述弹簧支架(4)底部与支撑底座(1)底部铰接连接，所述弹簧支架(4)侧部与支撑底座(1)底部之间还通过压缩弹簧连接，支撑底座(1)底部上设有对弹簧支架(4)顶部进行限位的闭锁装置(18)。

6.根据权利要求5所述的一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，其特征在于：所述弹簧支架(4)顶部还设有照明灯(17)，与闭锁装置(18)相对的一侧竖向设有挡板(3)。

7.根据权利要求1所述的一种基于图像识别技术的输电架空线弧垂教学装置的使用方法，其特征在于：所述竖向导杆(6)为圆柱形杆，所述竖向滑块(10)内部开设有与竖向导杆(6)滑动配合的圆形通孔，竖向滑块(10)外表面与圆形通孔之间开设有用于穿设顶紧螺钉的螺孔(20)。

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