一种自动跟踪电网异物激光远程清除装置的制作方法

本实用新型涉及一种自动跟踪电网异物激光远程清除装置及清除方法，属于电网设备的激光远程清除装置技术领域。

背景技术：

目前，架空线路是电力传输的重要载体。据国网年度报告数据统计，自2013年以来，异物短路次数呈逐年上升趋势。仅2016年，500kV及以上线路异物短路跳闸32次，占总外破61.5%。异物短路已成为影响线路安全运行的主要危害之一。针对异物挂线，传统的方式通过停电作业、带电作业进行，安全风险大、作业效率低；随着技术发展，出现了机器人作业和无人机喷火的方式，但受操作起来复杂、安全风险大，像无人机喷火对飞控的要求高、安全风险高，控制不当还容易造成次生事故。

近年来，电网激光远程清除技术得到了快速发展，电网异物激光清除器可带电清除作业，具有适用范围广、作用距离远、作用风险低、清除异物种类多等优点。该方法可解决传统工具和方法成本高、耗时长、风险高的缺点，提高清除效率，降低作业难度、风险和成本，大大减少线路停电时间，有效保障供电水平。但目前的现有电网异物远程清除装置还存在以下问题：线路导线及挂线异物在风的作用下是不规则摆动的，尤其是电压等级高，杆塔距离远的线路，瞄准难度大，处理要求高；电网异物远程清除装置属于第4类激光产品，拥有开放式管理，现场作业环境复杂多变，目前装置无法针对现场作业过程中人员及设备误入情况进行安全管控。上述问题导致对用户使用作业过程中的快捷性、智能性、安全性无法保障。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种自动跟踪电网异物激光远程清除装置及清除方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种自动跟踪电网异物激光远程清除装置，包括：自动跟踪瞄准模块，所述自动跟踪瞄准模块具体结构如下：

转台固定底座上设置有水平旋转底座，转台固定底座中心设置有水平电机、用于带动水平旋转座水平旋转；转台固定底座下方设置有激光发射头，用于接收激光光源；水平方向反射镜固定筒设置在水平旋转底座上，水平方向反射镜固定在水平方向反射镜固定筒内部，水平方向反射镜可随水平旋转底座进行水平方向旋转；所述激光发射头发出的激光穿过转台固定底座、水平旋转底座从水平方向反射镜固定筒底部射入，经水平方向反射镜从固定筒一侧通光孔射出；

水平旋转底座两边固定有左固定臂、右固定臂，垂直电机固定于左固定臂上，垂直电机的转动轴与左侧旋转臂固定，左侧旋转臂与右侧旋转臂通过固定板固定连接，垂直电机带动左侧旋转臂、右侧旋转臂、固定板同时转动；

垂直方向反射镜固定在顶部固定板上，可随固定板进行垂直方向旋转，经水平方向反射镜固定筒通光孔射出的激光，入射到垂直方向反射镜，激光改变方向发射出去照射在异物上；

图像采集模块通过图像采集模块固定结构安装在顶部固定板上，图像采集模块用于采集电网异物及导线图像信息，并发送给激光与控制系统主机。

作为优选方案，还包括激光与控制系统主机、复合连接线，所述激光与控制系统主机通过复合连接线与自动跟踪瞄准模块连接，所述激光与控制系统主机用于提供激光光源、电源、控制信号给自动跟踪瞄准模块。

作为优选方案，还包括电源模块，所述电源模块通过电源线与激光与控制系统主机连接，用于为整套设备供电。

作为优选方案，还包括安装水平底座，所述自动跟踪瞄准模块设置在安装水平底座上，用于保持自动跟踪瞄准模块水平、调节转台高度及保障转台位置稳定，避免振动。

作为优选方案，所述图像采集模块固定结构设有调节旋钮，可调节图像采集模块的方向和角度。

作为优选方案，所述安装水平底座采用三角支架结构或多脚支架结构。

有益效果：本实用新型提供的一种自动跟踪电网异物激光远程清除装置及清除方法，可实现远距离、复杂天空背景下，不规则小扰动的运动异物精确跟踪瞄准，进一步提升了电网异物激光远程清除装备的应用范围和作业效率；本实用新型清除异物准确率更高，可自动跟踪瞄准、操作方便、安全风险低、耗时短、组装拆卸快速方便、整体重量轻，易于搬运，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型清除装置的结构示意图；

图2为自动跟踪瞄准模块结构示意图；

图3为控制系统的结构示意图；

图4为线路识别流程示意图；

图5为获取线路与异物的结合部分的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，一种自动跟踪电网异物激光远程清除装置，包括：激光与控制系统主机1、电源模块2、复合连接线3、安装水平底座4以及自动跟踪瞄准模块5，电源模块2通过电源线与激光与控制系统主机1连接，为整套设备供电；激光与控制系统主机1通过复合连接线3与自动跟踪瞄准模块5连接，复合连接线3中包括激光光纤、电源线及控制线路，复合连接线3中的激光光纤分别与激光与控制系统主机1中的激光光源、自动跟踪瞄准模块5中的激光发射头501相连，复合连接线3中的电源线一端分别连接控制系统、自动跟踪瞄准模块5中的水平电机502、垂直电机506、图像采集模块5014，另一端从控制系统中获得电源，并为电机和图像采集模块提供电源。复合连接线3中的控制线路分别连接激光与控制系统主机1中的控制系统、自动跟踪瞄准模块5中的水平电机502、垂直电机506和图像采集模块5014。

自动跟踪瞄准模块5与安装水平底座4固定连接，安装水平底座4具有保持自动跟踪瞄准模块5水平、调节转台高度及保障转台位置稳定，避免振动等功能，底座结构可以为三角支架结构、多脚支架结构或立式结构。

如图2所示，自动跟踪瞄准模块5包括：转台固定底座503、位于转台固定底座503上的水平旋转底座504、位于转台固定底座503中心的水平电机502、位于自动跟踪瞄准模块5中心位置的激光发射头501、左固定臂505、右固定臂507、固定在左固定臂上的垂直电机506、左侧旋转臂508、右侧旋转臂509、顶部固定板5012、水平方向反射镜5011、垂直方向反射镜5010、图像采集模块5014、图像采集模块固定结构5013、水平方向反射镜固定筒5015；

激光发射头501位于自动跟踪瞄准模块5中心位置，可保持激光光路方向调节准确性又可避免复合连接线3水平布设时的连接阻尼力对激光光路调节的影响。

水平电机502固定于转台固定底座503中央，水平电机502的转动轴部分与水平旋转底座504固定连接，可实现水平旋转底座504及其上方的部件水平旋转。

水平方向反射镜固定筒5015位于水平旋转底座504的中心位置，在垂直方向反射镜5010一侧具有一个通光孔，水平方向的激光通过通光孔入射到垂直方向反射镜5010，水平方向反射镜5011固定在水平方向反射镜固定筒5015内部，与激光入射角呈现45°，水平方向反射镜5011可随水平旋转底座504在水平电机502的带动下进行水平方向旋转，从而实现将激光方向由垂直向上方向变为水平方向，随电机的转动进行水平方向任意运动。

左固定臂505及右固定臂507在水平旋转底座504两边对称位置固定；

垂直电机506固定于左固定臂505上，垂直电机506的转动轴部分与左侧旋转臂508固定，实现左侧旋转臂508及与其相固定的部件的垂直方向旋转；

左侧旋转臂508与右侧旋转臂509通过顶部固定板5012固定连接，使其左侧旋转臂508及右侧旋转臂509保持相同旋转角度和旋转速度。

垂直方向反射镜5010固定在顶部固定板5012上，可随左侧旋转臂508进行垂直方向旋转，以实现垂直方向反射镜5010与水平方向反射镜5011的夹角调节将水平方向反射镜5011反射的水平方向的激光光束变成垂直方向的激光光束，从而实现激光在垂直方向的任意运动。

图像采集模块5014通过图像采集模块固定结构5013安装在顶部固定板5012上。图像采集模块固定结构5013具有调节旋钮，可调节图像采集模块5014的方向和角度。图像采集模块5014内部光路光轴平行于经垂直方向反射镜5010反射后的激光光轴，可实时获取电网异物及导线图像信息，其中包括线路图像的识别与捕捉及异物图像识别与捕捉。

激光与控制系统主机1中包括激光光源和控制系统，激光光源用于提供清除异物所需的大功率激光，控制系统是整套设备的控制中心，可完成水平电机502、垂直电机506控制，图像采集模块5014控制，可实现选取清除目标、设定清异参数、控制激光功率等功能。具体可基于X86工控机，采用VC++语言及MFC面向对象编程技术实现上述功能。如图3所示，所述激光与控制系统主机的控制系统，包括：图像分析模块、电机控制模块、激光光源控制模块。

一种基于上述电网异物激光远程清除装置的清除方法，包括步骤如下：

步骤一，观察现场作业环境，选取作业位置，架设安装水平底座4，检查自动跟踪瞄准模块5与安装水平底座4固定情况，确保自动跟踪瞄准模块5的水平及稳定；

步骤二，将激光与控制系统主机1和自动跟踪瞄准模块5通过复合连接线3进行快速连接，电源模块2连接至激光与控制系统主机1，为整套装置供电，完成整套装置部署；

步骤三，开启电源，检查并确认激光与控制系统主机1和自动跟踪瞄准模块5是否正常工作，通过控制系统根据图像采集模块获得的异物所在位置的图片进行分析，对异物及导线结合点进行识别，同时控制自动跟踪瞄准模块5的水平电机502及垂直电机506对结合缠绕点进行实时跟踪瞄准；

步骤四，在确认跟踪瞄准异物目标后，选择激光出光模式，包括：手动控制模式或自适应模式，经安全确认后，出光；

步骤五，激光光束由激光与控制系统主机1中的激光光源发出，激光光束进入复合连接线3中的激光光纤及激光发射接头501，然后通过水平方向反射镜5011及垂直方向反射镜5010两次反射，将激光光束准确施加到异物与导线的结合点上，将目标灼烧损毁；

步骤六，作业过程中操作人员如发现人员或其他设备误入试验作业范围，可触发急停功能并通过复合连接线3中的控制线路给激光与控制系统主机1发出停止信号，自动停止激光光源出光，确保作业过程人员安全。

步骤七，异物灼烧损毁或掉落，关闭装置各部件电源，拆卸各部件，将各部件放置回包装运输箱，任务完成。

所述步骤三中线路识别的具体步骤如下：

考虑本工作场景背景多为天空，故线路的捕捉采取背景差分法，利用当前图像与背景图像的差分来检测目标，实现简单，能够提供完整的目标特征数据，具体流程如图3所示。

3.1.1：考虑天空的颜色信息与作为目标的线路和异物存在差别，为降低计算量、处理的复杂程度，将彩色图像根据预设的阈值对图像进行二值化处理，得到一幅黑白色的图像。

3.1.2：经过二值化后的图像，背景和前景的画面中都存在很多的噪声，这些图像噪声在形态上不一而同，将不可避免地影响目标特征的识别和检测结果；因此需要对二值化后的图像进行滤波和形态学处理，提高信噪比；滤波算法采用运算量最小的中值滤波算法。

3.1.3：经过滤波后的二值图像虽然信噪比有所提高，但是仍有可能存在许多孤点和奇点，这些点的存在仍会给目标检测带来困难；因此，需要对图像进行形态学的处理，包括腐蚀和膨胀。

3.1.4：对经过形态学处理的图像，利用搜索方法进行边沿检测；从图像的原点出发，沿某个方向进行搜索，通过计算相邻图像区域亮度的梯度，将变化最大的点进行标记，从而获得若干的边沿信息。

3.1.5：由于线路的特征数据十分明确，在图像中，如果线路的宽度并非一个像素，则线路的外形特征近似为长方形区域，而且长度与宽度具有明显的差距；基于以上特征，可计算上一步骤中提取出的若干的边沿信息的形态特征。若满足线路特征，则认为该区域为线路。

所述步骤三中异物和线路结合部识别的具体步骤如下：

异物检测目的是获取异物和线路的结合部，而非异物本身。因此，本设计利用已经获知的线路信息，采用搜索的方法，获取线路与异物的结合部分。具体流程如图4所示。

3.2.1：在已经检测出的线路区域中，选择一条电缆，计算出电缆的方向向量，即标记出线路在图像中的斜率。

3.2.2：在图像中虚拟一系列与该线路同样斜率的线路，并用此组虚拟线路搜索图像空间；如发现图像空间中检测出的若干连通区域与虚拟线路有交点，则计算交点区域的特征数据。

3.2.3：若交点区域的特征数据与线路类似，则说明该连通区域也是一条线路；若连通区域呈现出其他的特征，则认为该交点是线路与异物的交点；并将该交点区域做标记。

在此需要说明的是本设计的搜索途径随着计算得到的线路斜率自动选择最优的搜索路径进行搜索；此外搜索的方向可以人为调整，已满足不同切割模式和异物的需要。

实施例1：

使用时，图像采集模块将图片通过复合连接线中的控制线路传输给控制系统，控制系统通过识别导线，并识别出图像中异物与导线结合点位置信息，在标记出异物和线路结合区域的坐标后，系统自动将该结合区域的左边缘与线路坐标重合点作为起始点，并将该点的坐标输出。通过控制电机转动转台，进而转动激光光束方向，将激光指向导线与异物结合位置，并随之运动，当异物与导线结合位置被激光远程击穿断开后，控制系统继续识别并处理下一个异物与导线结合部分，直至异物全部与导线分离，即实现了异物清除。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。