专利名称：基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电力系统中绝缘子监测装置，特别是一种基于运动背景的绝 缘子实时目标识别和跟踪装置。
背景技术：
绝缘子是架空高压输电线路上用于导线与铁塔绝缘连接的装置，是用量最大的绝 缘体之一。当绝缘子串中存在低值或零值绝缘子时，在污秽环境、过电压，甚至工作电压下 就容易发生闪络事故，当零值绝缘子被完全击穿，将引起绝缘子炸开，是造成输电线路重大 事故的隐患。目前测量零值绝缘子的方法是定期停电或带电人工检测，这些作业需要登杆逐片 检测，属于高空作业，受环境影响大，危险性高，劳动强度也大。如果在地面测量零值绝缘 子，准确度不够高，难以判断哪一片绝缘子出了问题，针对该问题本发明项目的科研组发明 了一种用于检测输电线路绝缘子的飞行机器人，专利申请号为2008102M172. 1，其解决了 登杆检测绝缘子的问题，可以极大减轻劳动强度，具有重大意义。但该技术尚未解决的技术问题是，飞行机器人的图像检测和识别分别安装在飞行 设备和地面站上，在对目标绝缘子进行识别后，由于其一直处于运动背景，难以完成对目标 绝缘子的跟踪，搜索范围大，通信运行时间长，算法运行速度受限，无法与人体跟踪同步进 行，因此对目标绝缘子的检测也就难以保证足够的准确度和精度。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，而提供能够提高对目标绝缘子 检测的准确度和精度的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置。本实用新型是通过以下途径来实现的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，包括有飞行机器设备、地面控 制系统和通信模块，飞行机器设备包括有飞行系统和控制处理装置，其结构要点在于，控制 处理装置安装在飞行系统上，其包括有图像成像探测部件及图像信号处理部件，图像成像 探测部件包括依序电连接的成像装置、转换电路和采集电路，图像信号处理部件包括有相 互连接的图像预处理装置和识别跟踪处理装置，采集电路的输出端与图像预处理装置连 接，识别跟踪处理装置通过通信模块与地面控制系统连接；成像装置获取目标绝缘子的视频图像，通过转换电路转换为数字数据信号，采集 电路采集该数字数据信号后发送给图像预处理装置；图像预处理装置接收到采集电路发送过来的信号后，将图像进行灰度化处理，然 后进行中值滤波，将图像平滑化，之后再进行直方图均衡化处理，增强图像对比度；识别跟踪处理装置包括有提取装置、绝缘子运动行为数学模型、预测装置、判断处 理装置；提取装置对预处理过的图像进行纹理特征提取，根据提取的目标绝缘子的纹理特 征对绝缘子进行检测；获取绝缘子运动区域的数据，根据绝缘子运动行为数学模型对目标绝缘子进行跟踪，预测装置根据数学模型的设置要求对人体重心在下一帧图案进行预测， 判断处理装置接收下一帧图像，并判断预测得到的人体重心是否落在下一帧图像检测到的 绝缘子的跟踪窗口内，如果是，则认定上一帧中的绝缘子和下一帧的绝缘子相匹配，之后根 据新得到的测量值对系统状态进行跟踪。本实用新型将目标绝缘子探测得到的图像的处理安装在飞行机器设备上，实现基 于运动分析的绝缘子检测只在视频窗口中的小区域内进行检测，大大减小了通信传输时 间，提高算法运行速度，另外，准确的跟踪减小了对目标绝缘子的搜索范围，使得绝缘子的 检测与人体跟踪几乎是同步进行，达到了准确跟踪绝缘子的目的，保证了检测绝缘子的准 确度和精度。本实用新型可以进一步具体为控制处理装置还包括有伺服控制部件，其包括控制电路和力矩电机，控制电路的 输出端与力矩电机的输入端连接，控制电路的信号接收端与图像信号处理部件连接。控制处理装置提供一个在空间稳定不变的方向基准，当图像成像探测部件将采集 到的图像信息传送给退昂信号处理部件后，图像信号处理部件根据所的图像信息处理结果 输出两路目标角误差信息，经控制电路的功率放大器形成控制电流输送给力矩电机，力矩 电机输出与目标角误差成比例的力矩作用给飞行系统，从而形成对目标绝缘子的两个自由 度跟踪，并将跟踪的结果及原始图像通过通信模块传送给地面控制系统。这样，能够使飞行 机器设备准确飞临待测的目标绝缘子上空，并与目标绝缘子保持最佳测量距离，避免了因 飞行的不稳定造成目标设备与飞行设备的相互干扰和碰撞，造成不必要的损失。伺服控制部件还包括有速率陀螺仪，其与控制电路的输出端连接。速率陀螺仪能够根据控制电路和飞行系统的指令进行调整，保证飞行机器设备的 稳定飞行和稳定定位，为获取稳定的、高清晰、高质量的影像提供保证。一般来说，速率陀螺仪都由飞行系统控制，鉴于本实用新型技术方案的特殊性，速 率陀螺仪需要增加伺服控制电路在方位的微调控制，以保证图像成像探测部件能够得到更 好的目标绝缘子图像，提高检测准确度和精度。通信模块包括有无线数字图像传输系统和无线数字指令收发系统，识别跟踪处理 装置的数据输出端通过无线数字图像传输系统与地面控制系统连接，地面控制系统的控制 端通过无线数字指令收发系统与飞行系统连接。在使用中，由于数字图像信息的传输量大，速度较慢，而控制指令则需要快速的传 达，以保证飞行机器设备的跟踪实现与人体跟踪同步，因此，采用通信模块分别通过无线数 字图像传输系统和无线数字指令收发系统来对应实现数字图像信息的传输和指令收发控 制。无线图像传输系统用于摄像机和照相机的数据传输，采用COFDM调制方式。指令收发 系统用于对机载设备的遥控。图像成像探测部件中的成像装置优选使用CCD摄像机。CCD摄像机具有自动变焦功能，能够根据地面控制系统所发出的指令进行焦距调 整。这样做的好处是，当电力线所处位置海拔高度变化在一百米的范围内时，可以通过调整 摄像机的焦距来观察电力线的情况，而不必改变飞行器的飞行高度，毕竟调整摄像机的焦 距要比调整飞行器的高度要容易得多。识别跟踪处理装置以现场可编程门阵列和高速数字信号处理器为硬件平台。[0023]这样能够通过红外图像处理进行目标检测、识别和跟踪，可以计算出目标的俯仰 与方位误差角，送给伺服控制部件及通信模块进行跟踪控制及地面控制系统结果显示。综上所述，本实用新型提供了一种基于运动背景的绝缘子实施目标识别和跟踪装 置，将目标绝缘子探测得到的图像的处理安装在飞行机器设备上，实现基于运动分析的绝 缘子检测只在视频窗口中的小区域内进行检测，大大减小了通信传输时间，提高算法运行 速度，另外，准确的跟踪减小了对目标绝缘子的搜索范围，使得绝缘子的检测与人体跟踪几 乎是同步进行，达到了准确跟踪绝缘子的目的，保证了检测绝缘子的准确度和精度。
图1所示为本实用新型所述基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置的 框架结构示意图；图2所示为本实用新型所述的控制处理装置的原理结构示意图；图3所示为本实用新型所述伺服控制部件的电路原理结构视图。下面结合具体实施例进一步描述本实用新型。
具体实施方式
最佳实施例参照附图1，基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，包括有飞行机器设 备、地面控制系统和通信模块，飞行机器设备包括有飞行系统和控制处理装置，通信模块包 括有无线数字图像传输系统和无线数字指令收发系统，控制处理装置的数据输出端经由发 射模块通过无线数字图像传输系统将图像传送给地面控制系统，而通过无线数字指令收发 系统接收的信号经由前端处理模块转发给飞行系统；地面控制系统的控制中心经由指令发 射模块将指令通过无线数字指令收发系统发送给飞行系统，而经由无线数字图像传输系统 接收的信息，经由滤波放大、解码处理等预处理后，传送到控制中心。参照附图2，控制处理装置包括有伺服控制部件图像成像探测部件及图像信号处 理部件；图像成像探测部件包括依序电连接的成像装置、转换电路和采集电路，其中成像装 置采用CXD探测器，即CXD摄像机，转换电路为A/D转换电路；图像信号处理部件包括有 相互连接的图像预处理装置和识别跟踪处理装置，采集电路的输出端与图像预处理装置连 接，识别跟踪处理装置通过通信模块与地面控制系统连接；伺服控制部件包括控制电路、力 矩电机和速率陀螺仪，控制电路的输出端分别与力矩电机的输入端和速率陀螺仪的控制端 连接，控制电路的信号接收端与图像信号处理部件连接。其工作流程为成像装置获取目标绝缘子的视频图像，通过转换电路转换为数字数据信号，采集 电路采集该数字数据信号后发送给图像预处理装置；图像预处理装置接收到采集电路发送过来的信号后，将图像进行灰度化处理，然 后进行中值滤波，将图像平滑化，之后再进行直方图均衡化处理，增强图像对比度；识别跟踪处理装置包括有提取装置、绝缘子运动行为数学模型、预测装置、判断处 理装置；鉴于绝缘子边缘具有明显的方向特征，提取装置对预处理过的图像进行纹理特征 提取利用多媒体内容描述标准MPEG-7中的描述工具对视频帧中的图像进行特征提取，并对提取的特征进行选择，根据提取的目标绝缘子的纹理特征对绝缘子进行检测；获取绝缘子运动区域的数据对于当前帧图像进行运动区域检测和绝缘子识别， 得到图像帧中运动绝缘子区域和中心坐标。然后在运动绝缘子区域内，利用提取的纹理特 征进行绝缘子检测，把得到的绝缘子区域作出标记，并输出结果，做为目标绝缘子跟踪的初值。根据绝缘子运动行为数学模型对目标绝缘子进行跟踪利用卡尔曼滤波对视频中 的绝缘子区域进行跟踪，根据上一步给出的当前量测值，对绝缘子重心的位移、速度和加速 度进行估计。预测装置根据数学模型的设置要求对人体重心在下一帧图案进行预测，判断 处理装置接收下一帧图像，并判断预测得到的人体重心是否落在下一帧图像检测到的绝缘 子的跟踪窗口内，如果是，则认定上一帧中的绝缘子和下一帧的绝缘子相匹配，之后根据新 得到的测量值对系统状态进行跟踪。控制处理装置提供一个在空间稳定不变的方向基准，当图像成像探测部件将采集 到的图像信息传送给退昂信号处理部件后，图像信号处理部件根据所的图像信息处理结果 输出两路目标角误差信息，经控制电路的功率放大器形成控制电流输送给力矩电机，力矩 电机输出与目标角误差成比例的力矩作用给飞行系统，从而形成对目标绝缘子的两个自由 度跟踪，并将跟踪的结果及原始图像通过通信模块传送给地面控制系统。这样，能够使飞行 机器设备准确飞临待测的目标绝缘子上空，并与目标绝缘子保持最佳测量距离。参照附图3，控制电路的核心处理器可选用DSPTMS320LFM07芯片。该芯片具有 强大的处理能力和丰富的外设功能，可以使视觉云台控制器的设计变得简单而实用。控制 电路由四个单元组成姿态测量单元，电机控制单元，摄像机控制单元和通讯单元。姿态测 量单元利用微机械陀螺仪测量摄像机在惯性空间的角速度输出电压信号，经DSP的AD采集 通道进入DSP，计算后可获得云台在惯性空间三维姿态的偏转，为上位机和电机控制提供决 策数据。电机控制单元根据姿态测量单元的数据和上位机命令，产生PWM脉冲，控制电机的 转角与转速。摄像机控制单元通过I/O产生一定占空比的方波信号，控制摄像头的焦距等 状态参数。通讯单元采用SCI串口通讯接口，向上位机传输电机的姿态、转角等各种状态参 数，同时接受上位机的相应控制命令。以上所述上位机为地面控制系统。本实用新型未述部分与现有技术相同。
权利要求1.基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，包括有飞行机器设备、地面控制 系统和通信模块，飞行机器设备包括有飞行系统和控制处理装置，其特征在于，控制处理装 置安装在飞行系统上，其包括有图像成像探测部件及图像信号处理部件，图像成像探测部 件包括依序电连接的成像装置、转换电路和采集电路，图像信号处理部件包括有相互连接 的图像预处理装置和识别跟踪处理装置，采集电路的输出端与图像预处理装置连接，识别 跟踪处理装置通过通信模块与地面控制系统连接；识别跟踪处理装置包括有依序连接的提 取装置、绝缘子运动行为数学模型、预测装置、判断处理装置。
2.根据权利要求1所述的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，其特征在 于，控制处理装置还包括有伺服控制部件，其包括控制电路和力矩电机，控制电路的输出端 与力矩电机的输入端连接，控制电路的信号接收端与图像信号处理部件连接。
3.根据权利要求2所述的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，其特征在 于，伺服控制部件还包括有速率陀螺仪，其与控制电路的输出端连接。
4.根据权利要求1所述的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，其特征在 于，通信模块包括有无线数字图像传输系统和无线数字指令收发系统，识别跟踪处理装置 的数据输出端通过无线数字图像传输系统与地面控制系统连接，地面控制系统的控制端通 过无线数字指令收发系统与飞行系统连接。
5.根据权利要求1所述的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，其特征在 于，图像成像探测部件中的成像装置为一种CCD摄像机。
6.根据权利要求1所述的基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，其特征在 于，识别跟踪处理装置以现场可编程门阵列和高速数字信号处理器为硬件平台。
专利摘要本实用新型涉及一种电力系统中绝缘子监测装置，特别是一种基于运动背景的绝缘子实时目标识别和跟踪装置，包括有飞行机器设备、地面控制系统和通信模块，飞行机器设备包括有飞行系统和控制处理装置，其结构要点在于，控制处理装置安装在飞行系统上，其包括有图像成像探测部件及图像信号处理部件。本实用新型将目标绝缘子探测得到的图像的处理安装在飞行机器设备上，实现基于运动分析的绝缘子检测只在视频窗口中的小区域内进行检测，大大减小了通信传输时间，提高算法运行速度，另外，准确的跟踪减小了对目标绝缘子的搜索范围，使得绝缘子的检测与人体跟踪几乎是同步进行，达到了准确跟踪绝缘子的目的，保证了检测绝缘子的准确度和精度。
文档编号G06T7/20GK201910074SQ20102064469
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者李卫国, 李超英, 林韩, 王世坤, 邓开清, 黄锋 申请人:福建省电力有限公司厦门电业局