基于TOF摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置与流程

基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置
技术领域
1.本发明属于输电线路外力监测的技术领域，具体涉及一种基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置。


背景技术：

2.高压架空输电线路是城市电力供应的主要通道，随着城市建设的发展，各种大型施工机械在线路保护区内施工作业，外力破坏事件频发发生，严重影响了城市电网的安全稳定运行。由于施工机械作业的不确定性，目前主要通过加强巡视和作业监护来避免外力破坏事故的发生。传统的输电线路巡视和现场监护，主要依靠运维人员的根据现场施工情况判断，人一旦离开泽无法实时监护，且对运维班组人员现场工作经验的要求较高。而现有的基于常规2d摄像头的视频监控系统可以将2d的画面实时反馈，可大型机械与输电线路之间的净空距离无法实时确定，危险程度严重依旧依赖于视频监控浏览者的主观判断，且由于摄像头视角差的原因容易产生误判。另一种现有技术采用激光防外破监测装置，利用红外线激光进行触发式预警，其主要方法是将激光探头安装在杆塔上一定的位置(该位置根据导线的安全距离确定)，一旦施工机械进入该区域红外区域，探测器即可接收施工机械反射的激光信号，从而进行安全预警；但是这种方法只能进行被动式预警，无法测得施工机械距离导线的净空距离，不利于运维人员实时评估作业风险。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法及装置，方法使用tof摄像头测量三维空间距离，使用时不受地理环境的限制；使用空间矢量求差法计算实时净空距离并进行破坏判断，判断依据准确，能有效地避免目标对象外力破坏线路，保护线路运行安全，减少了运维成本，降低了运维风险。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一方面，本发明提供一种基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法，所述方法包括下述步骤：
6.使用tof摄像头测量架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的位置信息；
7.根据位置信息生成架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标与空间位置矢量；
8.采用空间矢量求差法，使用球坐标计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离，取最小值作为目标对象与架空输电线路之间的实时净空距离；
9.根据实时净空距离进行破坏判断并执行预警操作。
10.作为优选的技术方案，所述tof摄像头安装于架空输电线路杆塔任意高度处，拍摄时视野无遮挡；
11.所述位置信息包括架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的距离、俯仰角和旋转角；
12.所述球坐标在tof摄像头的三维坐标系中生成；
13.所述空间位置矢量为球坐标系中，从tof摄像头至架空输电线路导线上各点及目标对象的空间矢量。
14.作为优选的技术方案，所述生成架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标与空间位置矢量，具体为：
15.根据架空输电线路导线上各点到tof摄像头的位置信息，生成架空输电线路导线上各点在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
16.所述架空输电线路导线上各点的球坐标表示为：
[0017][0018]
所述架空输电线路导线上各点的空间位置矢量表示为：
[0019][0020]
其中，n表示架空输电线路导线上各点的数量；r
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的距离；θ
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的俯仰角；表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的旋转角；
[0021]
根据目标对象到tof摄像头的位置信息，生成目标对象在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0022]
所述目标对象的球坐标表示为：
[0023][0024]
所述目标对象的空间位置矢量表示为：
[0025][0026]
其中，rs表示目标对象到tof摄像头的距离；θs表示目标对象到tof摄像头的俯仰角；表示目标对象到tof摄像头的旋转角。
[0027]
作为优选的技术方案，所述架空输电线路导线上相邻两点到tof摄像头的距离相差为1m，即r
dx-r
dx-1
＝1,1＜x＜n。
[0028]
作为优选的技术方案，所述计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离，具体为：
[0029]
采用空间矢量求差法，根据架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标，计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离l
x
，计算公式为：
[0030][0031]
作为优选的技术方案，所述根据实时净空距离进行破坏判断并执行预警操作，具体为：
[0032]
所述实时净空距离计算公式为：
[0033]
l
min
＝min(l
x
),x∈[1,n]
[0034]
将l
min
与对应电压等级的安全距离相比较，判断破坏状态，包括：
[0035]
当所述实时净空距离l
min
大于安全距离时，确定为安全状态，继续进行监测；
[0036]
当所述实时净空距离l
min
小于安全距离时，确定为破坏状态，执行预警操作，避免目标对象与架空输电线路导线进行接触。
[0037]
另一方面，本发明提供一种基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统，所述系统包括tof摄像系统、数据传输系统、数据处理系统和智能预警系统；
[0038]
所述tof摄像系统和数据传输系统安装于架空输电线路杆塔任意高度处，拍摄时视野无遮挡；
[0039]
所述tof摄像系统用于测量架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的位置信息；所述tof摄像系统包括电源模块和tof摄像头；
[0040]
所述数据传输系统用于与数据处理系统进行通讯，通过信号线与tof摄像系统连接；
[0041]
所述数据处理系统用于生成架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标与空间位置矢量，并计算目标对象与架空输电线路之间的实时净空距离；
[0042]
所述智能预警系统根据实时净空距离，进行破坏判断并执行预警操作。
[0043]
作为优选的技术方案，所述电源模块包括太阳能电池板、锂电池和电源控制模块；所述电源模块通过电源线为tof摄像系统和数据传输系统供电；
[0044]
所述tof摄像头方位角360
°
旋转，俯仰调节
±
135
°
。
[0045]
作为优选的技术方案，所述数据处理系统处理步骤包括：
[0046]
根据架空输电线路导线上各点到tof摄像头的位置信息，生成架空输电线路导线上各点在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0047]
所述架空输电线路导线上各点的球坐标表示为：
[0048][0049]
所述架空输电线路导线上各点的空间位置矢量表示为：
[0050][0051]
其中，n表示架空输电线路导线上各点的数量；r
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的距离；θ
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的俯仰角；表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的旋转角；
[0052]
根据目标对象到tof摄像头的位置信息，生成目标对象在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0053]
所述目标对象的球坐标表示为：
[0054][0055]
所述目标对象的空间位置矢量表示为：
[0056][0057]
其中，rs表示目标对象到tof摄像头的距离；θs表示目标对象到tof摄像头的俯仰角；表示目标对象到tof摄像头的旋转角；
[0058]
采用空间矢量求差法，根据架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标，计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离l
x
，计算公式为：
[0059]
[0060]
根据空间距离l
x
计算实时净空距离，公式为：
[0061]
l
min
＝min(l
x
),x∈[1,n]。
[0062]
还一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有程序，当程序被执行时，实现上述的基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法。
[0063]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0064]
本发明基于tof测距技术，通过测量架空输电线路上各点及目标对象的空间位置矢量生成球坐标，再计算得出目标对象与导线的实时净空距离，并与对应电压等级安全距离进行判断，做出相应预警操作。
[0065]
1、本发明相比于传统的防外力破坏运维作业，通过远程集中监控，可减少运维人员去现场监护作业的频率，降低了输电线路防外力破坏运维的人力成本；
[0066]
2、本发明相比于现有基于2d视频的监控方法，采用tof摄像头监测包含距离信息的3d视频，消除了二维画面视觉差的误导，并且能提供目标对象与导线的实时净空距离，判断更加准确，即使运维人员不熟悉现场环境也能进行准确的风险判断；
[0067]
3、现有采用激光防外破方法，通过探测器接收目标对象反射的激光信号进行触发式预警，该方法仅考虑了线底施工时通过垂直距离进行判断预警，然而当目标对象在线路两侧施工时，由于水平距离的影响，无法测得目标对象距离导线的净空距离，因此会产生误判，并且受预警距离的限制，其安装位置固定；而本发明使用tof摄像头测量三维空间距离，使用时不受地理环境的限制；通过计算实时净空距离进行破坏判断，判断依据准确，并能避免导线弧垂的影响，有效地保护线路安全。
附图说明
[0068]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
[0069]
图1为本发明实施例中基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法的流程图；
[0070]
图2为本发明实施例中测量施工机械与架空输电线路实时净空距离的示意图；
[0071]
图3为本发明实施例中基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统的结构图；
[0072]
图4为本发明实施例中一种可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
[0073]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
[0074]
在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相
同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0075]
tof为飞行时间(time of flight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。
[0076]
如图1、图2所示，目标对象以施工机械为例，本实施例基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法，包括下述步骤：
[0077]
s1、使用tof摄像头测量架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的位置信息；
[0078]
具体的，tof摄像头的使用不受地理环境的限制，为了便于测量，本实施例中的tof摄像头安装于架空输电线路杆塔上，安装高度无限制，视野开阔无遮挡即可。获取的位置信息包括了架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的距离、俯仰角和旋转角。
[0079]
s2、根据位置信息生成架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标与空间位置矢量；
[0080]
具体的，球坐标是在tof摄像头的三维坐标系中生成，空间位置矢量为球坐标系中，从tof摄像头至架空输电线路导线上各点及目标对象的空间矢量，生成的具体步骤为：
[0081]
根据架空输电线路导线上各点到tof摄像头的位置信息，生成架空输电线路导线上各点在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0082]
所述架空输电线路导线上各点的球坐标表示为：
[0083][0084]
所述架空输电线路导线上各点的空间位置矢量表示为：
[0085][0086]
其中，n表示架空输电线路导线上各点的数量；r
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的距离；θ
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的俯仰角；表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的旋转角；
[0087]
根据目标对象到tof摄像头的位置信息，生成目标对象在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0088]
所述目标对象的球坐标表示为：
[0089][0090]
所述目标对象的空间位置矢量表示为：
[0091][0092]
其中，rs表示目标对象到tof摄像头的距离；θs表示目标对象到tof摄像头的俯仰角；表示目标对象到tof摄像头的旋转角。
[0093]
如图2所示，本实施例中，tof摄像头至架空输电线路导线上某点的空间矢量为至施工机械的空间矢量为则导线该点到施工机械的空间矢量为
[0094]
为了使计算的空间距离的误差变小，本实施例中架空输电线路导线上相邻两点到
tof摄像头的距离相差为1m，即r
dx-r
dx-1
＝1,1＜x＜n。
[0095]
s3、采用空间矢量求差法，根据球坐标计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离，取最小值作为目标对象与架空输电线路之间的实时净空距离，具体为：
[0096]
采用空间矢量求差法，根据架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标，计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离l
x
，计算公式为：
[0097][0098]
根据计算出的空间距离l
x
，计算实时净空距离l
min
，公式为：
[0099]
l
min
＝min(l
x
),x∈[1,n]
[0100]
s4、根据实时净空距离进行破坏判断并执行预警操作。
[0101]
将l
min
与对应电压等级的安全距离相比较，判断破坏状态，包括：
[0102]
当所述实时最小净空距离l
min
大于安全距离时，确定为安全状态，继续进行监测；
[0103]
当所述实时最小净空距离l
min
小于安全距离时，确定为破坏状态，执行预警操作，避免目标对象与架空输电线路导线进行接触。
[0104]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。
[0105]
基于与上述实施例中的基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法相同的思想，本发明还提供基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统，该系统可用于执行上述基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法。为了便于说明，基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统实施例的结构示意图中，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分，本领域技术人员可以理解，图示结构并不构成对装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0106]
如图3所示，本实施例还提供了一种基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统，包括tof摄像系统、数据传输系统、数据处理系统和智能预警系统；
[0107]
tof摄像系统和数据传输系统安装于架空输电线路杆塔任意高度处，拍摄时视野无遮挡；
[0108]
tof摄像系统用于测量架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的空间位置矢量；所述tof摄像系统包括电源模块和tof摄像头；
[0109]
数据传输系统用于与数据处理系统进行通讯，通过信号线与tof摄像系统连接；
[0110]
数据处理系统用于生成架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标，并计算目标对象与架空输电线路之间的实时净空距离；
[0111]
智能预警系统根据实时净空距离，进行破坏判断并执行预警操作。
[0112]
更具体的，电源模块包括太阳能电池板、锂电池和电源控制模块，通过电源线为tof摄像系统和数据传输系统供电；tof摄像头方位角360
°
旋转，俯仰调节
±
135
°
。
[0113]
更具体的，数据处理系统处理步骤包括：
[0114]
根据架空输电线路导线上各点到tof摄像头的位置信息，生成架空输电线路导线上各点在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0115]
所述架空输电线路导线上各点的球坐标表示为：
[0116][0117]
所述架空输电线路导线上各点的空间位置矢量表示为：
[0118][0119]
其中，n表示架空输电线路导线上各点的数量；r
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的距离；θ
dx
表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的俯仰角；表示架空输电线路导线上第x个点到tof摄像头的旋转角；
[0120]
根据目标对象到tof摄像头的位置信息，生成目标对象在tof摄像头三维坐标系中的球坐标与空间位置矢量，
[0121]
所述目标对象的球坐标表示为：
[0122][0123]
所述目标对象的空间位置矢量表示为：
[0124][0125]
其中，rs表示目标对象到tof摄像头的距离；θs表示目标对象到tof摄像头的俯仰角；表示目标对象到tof摄像头的旋转角；
[0126]
采用空间矢量求差法，根据架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标，计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空间距离l
x
，计算公式为：
[0127][0128]
根据空间距离l
x
计算实时净空距离，公式为：
[0129]
l
min
＝min(l
x
),x∈[1,n]。
[0130]
需要说明的是，本发明的基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统与本发明的基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法一一对应，在上述基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统的实施例中，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述，特此声明。
[0131]
此外，上述实施例的基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统的实施方式中，各程序模块的逻辑划分仅是举例说明，实际应用中可以根据需要，例如出于相应硬件的配置要求或者软件的实现的便利考虑，将上述功能分配由不同的程序模块完成，即将所述基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测系统的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0132]
如图4所示，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储有程序于存储器中，当程序被处理器执行时，实现基于tof摄像头的输电线路防外力破坏在线监测方法，具体为：
[0133]
使用tof摄像头测量架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的位置信息；
[0134]
根据位置信息生成架空输电线路导线上各点及目标对象到tof摄像头的球坐标与空间位置矢量；
[0135]
采用空间矢量求差法，使用球坐标计算架空输电线路导线上各点到目标对象的空
间距离，取最小值作为目标对象与架空输电线路之间的实时净空距离；
[0136]
根据实时净空距离进行破坏判断并执行预警操作。
[0137]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0138]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。