输电线路覆冰测量系统及方法与流程

本发明涉及故障检测技术领域，特别涉及一种输电线路覆冰测量系统及方法。

背景技术：

在中国南方的一些高海拔区域，冬天气温低，空气湿度大，在雨雪天气很容易出现冰冻现象。对于电力系统来说，导线和铁塔上的覆冰会使导线和铁塔的荷载增加，严重时会导致倒塔或者断线等情况，造成电力供应得中断。电力系统采用了多种融冰方式解决上述问题，每种融冰方式都需要暂停供电。为了缩短融冰造成的暂停供电的时长，同时防止覆冰对供电系统造成的危害，在雨雪天气时，电力职工需要对输电线路进行长时间监控，对导线和铁塔的覆冰状况进行检查，在导线和铁塔达到融冰的限度后，启动融冰装置进行融冰。因此，在冬天必须对高海拔区域的电力线路进行导线覆冰厚度的测量。

目前，导线覆冰的测量方式主要依靠人眼借助望远镜观察，由于导线离地面较高，而且在高山密林等环境下，人工很难到达，人眼也无法实现定量检测，对覆冰情况只能进行大致的估计。另外，还有电线拉力传感、两塔之间电线垂下值测量等间接测量方法，由于不同电线不同安装位置的拉力值和垂下值受多种因素影响，这些方法达不到定量检测的要求。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种输电线路覆冰测量系统，用以提高输电线路覆冰测量的准确性，该系统包括：三维相机、飞行器以及计算设备，其中：

飞行器用于承载三维相机飞行；

三维相机，用于在预设位置采集不同拍摄角度的输电线路覆冰图像；

计算设备，用于根据输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度。

本发明实施例提供了一种输电线路覆冰测量方法，用以提高输电线路覆冰测量的准确性，该方法包括：

通过飞行器承载三维相机飞行；

通过三维相机在预设位置采集不同拍摄角度的输电线路覆冰图像；

根据不同拍摄角度的输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度。

本发明实施例中，飞行器承载三维相机飞行，三维相机在预设位置采集不同拍摄角度的输电线路覆冰图像，实现了多幅图像的高速同步采集，满足了多方位多角度采集输电线路覆冰图像的需求；计算设备根据输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度，实现了基于多方位多角度采集输电线路覆冰图像来测量输电线路覆冰厚度，与现有技术中借助望远镜观察、通过电线拉力传感、两塔之间电线垂下值测量间接测量等方式相比，本申请有助于提高输电线路覆冰测量的效率和准确性，可以广泛应用于电力系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中输电线路覆冰测量系统的结构的示意图；

图2是本发明实施例中三维相机结构的示意图；

图3是本发明实施例中三维相机与无人机连接的示意图；

图4是本发明实施例中三维相机安装架的示意图；

图5是本发明实施例中输电线路覆冰检测方法的流程意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

近年来，无人机在输电线路的检测、巡检和测量方面得到了广泛的应用，各输电线路的运维单位逐步配备大量巡检无人机，但是，目前的输电线路的无人机系统均基于单目相机进行测量，测量结果的准确性较低。

本发明实施例提供一种输电线路覆冰测量系统，用以提高输电线路覆冰测量的准确性，如图1所示，该系统可以包括：三维相机01、飞行器02以及计算设备03，其中：

飞行器02，用于承载三维相机01飞行；

三维相机01，用于在预设位置采集不同拍摄角度的输电线路覆冰图像；

计算设备03，用于根据输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度。

如图1所示，本发明实施例中，飞行器承载三维相机飞行，三维相机在预设位置采集不同拍摄角度的输电线路覆冰图像，实现了多幅图像的高速同步采集，满足了多方位多角度采集输电线路覆冰图像的需求；计算设备根据输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度，实现了基于多方位多角度采集输电线路覆冰图像来测量输电线路覆冰厚度，与现有技术中借助望远镜观察、通过电线拉力传感、两塔之间电线垂下值测量间接测量等方式相比，本申请有助于提高输电线路覆冰测量的效率和准确性，可以广泛应用于电力系统中。

具体实施时，为了可以准确了解并控制飞行器的飞行情况，在本实施例中，三维相机01还用于采集飞行器02的飞行动态图像；进而计算设备03根据所述飞行动态图像控制飞行器飞行。

具体实施时，三维相机01安装在飞行器02上，用于采集图像，图像包括：飞行器02的飞行动态图像和输电线路覆冰图像，其中，三维相机01在飞行器02飞行时采集的图像为飞行动态图像，三维相机01在飞行器02到达三维相机01的镜头与输电线路的横截面相平行或三维相机的镜头01与输电线路的横截面相垂直的位置时采集的图像为输电线路覆冰图像，其中，输电线路的覆冰图像可以是四目图像。三维相机01可以采用平行光轴四相机阵列硬件结构，是一项在任意可见光条件下均可即时被动成像的光学检测技术，能够快速生成相机视场范围内物体的边缘特征点和三维数字线条图像，其中包含其中每个像素点的空间坐标值和纹理数据。三维相机可以为人工智能提供一项通用的、实时的、在室内外任意环境下均可作业的三维视觉感知功能，可以满足电线覆冰厚度的测量需要，具有以下特点：大场景和远距离，适用于各类室内外远距离和复杂环境下的测量；实时快速，单机运算时间≤10秒，fpga嵌入式芯片运算时间≤200毫秒；被动成像，对场景无限制，适应于各类光照场合，可用于红热物体、透明物体、动物皮毛、野外等测量，也可任意添加各类结构光和激光辅助照明；操作简单，数据接口丰富，方便使用和二次开发；三维数据结果简洁易用，直接给出物体轮廓和边缘的位置和尺寸，消除了大量无用的表面数据点，运算快速，存储量小，物体分离和识别非常方便。

具体实施时，为了采集多角度的输电线路覆冰图像，在本实施例中，如图2所示，三维相机01包括：多目相机图像采集板100、传输器101和计算机102；多目图像采集板100用于采集图像；传输器101用于接收计算设备03发送的拍摄指令；计算机102用于在飞行器02起飞时，控制多目图像采集板100采集飞行器02的飞行动态图像，在传输器101接收到拍摄指令时，控制多目图像采集板100采集输电线路覆冰图像。

具体实施时，多目相机图像采集板100可以是四目图像采集板，四个图像传感器焊接在同一块电路板上，图像传感器光学中心呈矩形布置，四个传感器的扫描线水平对齐，且垂直对齐。矩形的尺寸可以为60×280mm，长度和宽度的取值范围为40-400mm，尺寸越大，输电线路覆冰测量的精度越高。传感器可以采用图像分辨率为500万像素的ccd或cmos图像传感器，传感器靶面尺寸为1吋，图像采集电路可以采用fpga，图像采集板依靠千兆网口或其它图像数据接口输出数据。传输器101与计算设备03建立无线连接，计算设备03向传输器101发送拍摄指令，同时，传输器101也向计算设备03发送三维相机的工作状态。计算机板102，可采用嵌入式cpu计算机板，基于windows平台进行运算，也可以采用ram计算平台。计算机板102中包括hdmi图传接口和图像输出端口，计算机102的图像采集控制的方式有两种，方式一是根据飞行器02起飞，选择四目相机图像采集板中的任意一目相机作为飞行监控相机，单帧连续的采集飞行器02的飞行动态图像，飞行动态图像通过计算机102上的hdmi图传接口传输至飞行器02，飞行器02与计算设备03建立无线连接，将飞行动态图像传输到计算设备03上，实时显示三维相机在飞行中拍摄的飞行动态图像，便于计算设备03控制飞行器02的飞行线路，便于计算设备03将三维相机调整到采集输电线路覆冰图像的位置；方式二是根据传输器101接收到拍摄指令，控制四目相机图像采集板中的四目相机同步采集输电线路覆冰图像，并将图像存储到计算机102上，当飞行器02飞回地面后，通过图像输出端口将输电线路覆冰图像下载到计算设备03中，计算设备03进行输电线路覆冰厚度的计算。

具体实施时，如图2所示，三维相机01还可以包括：四目相机光学镜头103、电池104、四目相机安装机架105、三维相机前机壳106、三维相机后机壳107、三维相机后盖板108、四目相机防护镜109。四目相机光学镜头103可采用c型接口镜头，焦距根据测量距离选择不同的焦距，距离远可以选择长焦镜头，一般覆冰导线的测量距离为8～15米，镜头焦距可选为16mm或35mm定焦镜头。电池104采用锂电池直流供电方式，满足四目图像采集板100、传输器101和计算机102的用电需求，四目图像采集板100、传输器101和计算机102各自的功率分别为6w、2w和20w，共28瓦，电池104的性能参数为dc12v，6000mah，可提供不低于2.5小时的供电。如图3所示，四目镜头安装机架105、三维相机前机壳106、三维相机后机壳107、三维相机后盖板108共同组成三维相机壳，四目相机防护镜109用于镜头防护和透光。

具体实施时，实施例中的三维相机01可以具备以下性能：

1)三维相机组二维图像分辨率≥500万像素；

2)镜头焦距：16～50mm(根据要求具体选用)；

3)单路监控图像采样速度：≥20帧/s；

4)单次四相机同步图像采集速度：≥1s/次；

5)有效感知和测量范围(长×宽×深)：10×10×30m(由于镜头视角关系，测量区域为四棱锥形，以上尺寸为最大尺寸)；

6)有效感知深度：5～30m；

7)最佳测量感知深度范围：8～10m；

8)覆冰厚度感知精度：≤±1mm(感知深度≤10m时)；

9)三维相机随机图像及视频存储容量≥30g；

10)三维相机至少具备图像输出接口hdmi一个，rj45接口一个，图像采集控制信号输入接口一个，电池充电接口一个；

11)体积：不大于200×400×300mm(含运算电路和电池)；

12)重量：≤3kg；

13)防护等级：ip54；

14)系统功耗：≤30w；

15)系统工作电压：dc12v、5v；

16)独立电池供电，电池容量：≥15ah；电池重量：≤1000g；

17)无线信号传输距离≥1km。

具体实施时，为了承载三维相机01飞行，在本实施例中，飞行器02可以是无人机。

具体实施时，无人机采用市场既有的标准无人机系统，如图3、图4所示，三维相机01通过安装架与无人机连接，安装架包括：三维相机吊架110、吊板111、挂环112、挂杆113，其中挂杆113是无人机的既有配件。

具体实施时，为了可以在预设位置的采集输电线路覆冰图像，在本实施例中，计算设备03还用于根据飞行动态图像，在飞行器到达所述预设位置时，输出控制三维相机01采集输电线路覆冰图像的拍摄指令。

实施例中，预设位置为三维相机01的镜头与输电线路的横截面相平行或三维相机的镜头01与输电线路的横截面相垂直。

具体实施时，在飞行器02起飞时，三维相机01采集飞行器02的飞行动态图像，并将飞行动态图像传输到计算设备03中，计算设备03实时监视飞行器02的位置，控制飞行器02的飞行路径；当飞行器02到达三维相机01的镜头与输电线路的横截面相平行或三维相机的镜头01与输电线路的横截面相垂直的位置时，计算设备03生成拍摄指令，将拍摄指令发送至三维相机01，控制三维相机01采集输电线路覆冰图像；当飞行器02飞回地面后，通过三维相机01将输电线路覆冰图像从三维相机01下载至计算设备03，计算设备03根据输电线路覆冰图像，计算输电线路覆冰厚度。

具体实施时，为了计算确定输电线路覆冰厚度，本实施例中，计算机设备03还包括：视差数据获取模块，用于根据输电线路的覆冰图像，确定输电线路覆冰图像的视差数据；深度数据获取模块，用于根据输电线路覆冰图像的视差数据，确定输电线路覆冰图像的深度数据；三维数据获取模块，用于根据输电线路覆冰图像的深度数据，确定输电线路覆冰图像的三维数据；导线截面数据获取模块，用于根据输电线路覆冰图像的三维数据，确定输电线路导线截面数据；输电线路覆冰厚度确定模块，用于根据输电线路导线的横截面数据，确定输电线路覆冰厚度。

具体实施时，三维相机01可以是四目相机，通过四目相机同步采集四幅二维图像，通过计算设备03进行三维运算实现三维测量，其三维运算的基本原理是：基于平行双目视差原理，不同深度的被视点，都具有不同的视差值，深度值和视差值之间成反比，深度值与两幅图像之间的基线距离以及相机镜头的焦距成正比。运算的过程就是寻找双目图像相同的图像特征，通过图像匹配寻找同名点，找到同名点后，根据深度公式计算该点的深度值。但在寻找同名点的过程中，双目匹配极易产生错误匹配和歧义，为消除歧义，本发明实施例采用了平行四相机，这样就产生了四组平行的双目匹配关系(矩形的垂直方向也完全可以理解为双目平行匹配)，使原来双目的单一不确定性匹配，变为四组双目的具有强几何约束的确定性匹配，在平行四目相机的视场范围内，任何一个被视物的被视点都与四相机图像中的四个像素点形成唯一对应关系，且该四个点组成的矩形与四相机组光心组成的矩形是相似矩形。

在完成四幅图像的三维运算后，被摄的输电线路由四幅二维平面图像转换为三维数据。同时，可以生成正向深度图和正向灰度图，两幅二维图像，这两幅图像中，除了包含原有二维图像的像素信息外，还包含了该像素的空间三维信息。

导线覆冰尺寸的测量，是基于正向深度图和正向灰度图，采用霍夫变换或机器学习的方式，在正向深度图上自动寻找覆冰导线的边缘的轮廓线，然后计算该轮廓线的法向截面上轮廓线之间的距离，这样就得到导线覆冰的外轮廓某角度方向上的直径，把导线的型号提前输入到计算设备03中，导线覆冰的外轮廓直径减去导线直径，然后除以2就是导线在某截面上的覆冰厚度。沿着导线方向计算所有覆冰导线截面，得到不同截面上的覆冰厚度，将这些覆冰厚度取平均值得到导线的平均覆冰厚度。

在某一角度拍摄的导线覆冰四目图像并不能反映导线整体的覆冰厚度，可以采用两种方式采集，首先，在同一截面位置控制飞行器02从低到高飞行，在飞行过程中拍摄多帧四目图像，测量导线从低到高的不同角度的导线覆冰后外轮廓，然后求平均覆冰厚度，基本可以避免从单一角度测量覆冰所产生的误差。另一种方式是沿导线的水平方向，采集同一导线的多个位置的截面，测量在一段区域内导线的覆冰状态。

具体实施时，计算设备03还可以输入测量基础数据，这些数据包括但不限于：导线型号、测量日期、测试人、测量位置、覆冰类型等；计算设备03可以根据导线的型号以及同一测量位置上多个视角的覆冰轮廓，自动计算覆冰平均厚度，判断覆冰类型，计算覆冰单位长度上的重量，并形成覆冰测量报告，报告中应至少包含导线型号、测量时间、测试人、测量位置、长径、短径、覆冰类型、标准冰厚等信息。计算设备03还具有各类图像流的分类自动显示和保存的功能，包括飞行器02飞行动态图像、二维图像、三维图像、导地线外形轮廓尺寸图像、覆冰检测报告等；计算设备03还具有单次和累计测量数据的记录、显示和导出功能；计算设备03还具备自检功能，计算机设备03和三维相机01上的任一模块发生故障，均能以明显的声光或代码进行报警提示，根据报警提示，能直接确定故障的模块。

具体实施时，计算设备03可以具备以下性能：

1)处理器要求：i7七代以上cpu；

2)内存要求：≥4gb；

3)硬盘要求：固态硬盘；

4)具备1个以上千兆网口；

5)系统要求：预装64位windows7；

6)单次采集图像测量覆冰尺寸时间≤2min/次；

7)覆冰尺寸显示格式包括视角方向正向全长度投影图，尺寸数据包括最大截面高度，最小截面高度，平均截面高度，冰层厚度，冰层单位长度重量；

8)覆冰测量报告应至少包括导线型号、测量时间、测试人、测量位置、长径、短径、覆冰类型、标准冰厚等信息；

9)电池充放电次数≥300次；

10)电池充电温度：-10℃～+55℃；

11)电池容量≥6000mah；

12)电池应具备防振动、防淋雨措施。

下面举一个例子，以便于理解本发明如何实施。

三维相机01安装在无人机上，由无人机带到空中，完成图像采集任务。计算设备03在地面由覆冰检测人员控制和无人机飞手控制。

无人机起飞时，三维相机01的计算机102控制三维相机01的任意一目相机作为飞行监控相机，采集无人机的飞行动态图像，飞行动态图像通过计算机103上的hdmi图传接口传输至飞行器02，飞行器02与计算设备03建立无线连接，将飞行动态图像传输至计算设备03，计算设备03通过显示屏显示飞行动态图像，无人机飞手根据飞行动态图像确定无人机的飞行路线。

无人机到达三维相机01的镜头与输电线路的横截面相平行或三维相机01的镜头与输电线路的横截面相垂直的位置时，覆冰检测人员通过手动(键盘或鼠标)控制计算设备03生成拍摄指令，计算设备03与三维相机01的传输器101建立无线连接，将拍摄指令发送至三维相机01，三维相机01的计算机102控制三维相机采集输电线路覆冰的四目图像，拍摄指令分为两种，一种为连续拍摄模式，一种为手动拍摄模式，连续拍摄是指每拍摄完一帧图像后，自动拍摄下一帧图像，手动拍摄模式是指每发送一条拍摄指令，就拍摄一次四目图像。三维相机01每拍摄一帧四目图像，计算机102就将该图像按任务执行的时间进行编号并存储。

三维相机01完成覆冰导线的四目图像拍摄任务后，由无人机承载飞回地面。无人机停止飞行后，关闭无人机飞行引擎。通过数据线将三维相机01中的图像输出端口与计算设备03连接，将输电线路覆冰的四目图像下载至计算设备03，计算设备03根据输电线路覆冰的四目图像，计算输电线路覆冰厚度。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种输电线路覆冰厚度测量方法，如下面的实施例所述。由于该方法实施例解决问题的原理与输电线路覆冰厚度测量系统相似，因此该方法实施例的实施可以参见系统的实施，重复之处不再赘述。

图5是本发明实施例中输电线路覆冰检测方法的流程的示意图，如图5所示，该方法包括：

201：通过飞行器承载三维相机飞行；

202：通过三维相机采集不同拍摄角度的输电线路覆冰图像；

203：根据所述不同拍摄角度的输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度。

实施例中，步骤202包括：采集飞行器的飞行动态图像；根据飞行器的飞行动态图像，控制飞行器飞行。

实施例中，步骤202还包括：根据飞行器的飞行动态图像，在飞行器到达预设位置时，控制三维相机采集输电线路覆冰图像。

实施例中，预设位置为三维相机的镜头与输电线路的横截面相平行或三维相机的镜头与输电线路的横截面相垂直。

实施例中，步骤203包括：根据输电线路的覆冰图像，确定输电线路覆冰图像的视差数据；根据输电线路覆冰图像的视差数据，确定输电线路覆冰图像的深度数据；根据输电线路覆冰图像的深度数据，确定输电线路覆冰图像的三维数据；根据输电线路覆冰图像的三维数据，确定输电线路导线截面数据；根据输电线路导线的横截面数据，确定输电线路覆冰厚度。

综上所述，本发明实施例通过：飞行器承载三维相机飞行，三维相机不同拍摄角度的输电线路覆冰图像，实现了四幅图像的高速同步采集，达到了多方位多角度采集输电线路覆冰四目图像的需求；计算设备根据输电线路覆冰图像，确定输电线路覆冰厚度，实现了将输电线路覆冰的平面四目图像转化为三维模型并用于输电线路覆冰厚度测量，提高了输电线路覆冰测量的效率和准确性，可以广泛应用于电力系统中。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。