本发明属于输电线路维护技术领域，具体涉及一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置及方法。
背景技术：
目前，输配电架空线路、电气化铁路接触网绝大部分是由无绝缘层保护的裸金属线通过杆塔架设在空中的，但是风筝线、塑料布和广告布等漂浮性异物，很容易被大风吹落到裸露的金属导线上，一旦此类漂浮性的异物受雨、雪、露浸湿，极易造成金属导线相间短路、单相接地等故障，从而导致输、配电线路的跳闸或线路损毁，造成人畜伤亡和停电事故，因此及时清理输电线路上的异物对于供电安全十分重要。传统的清除输电线路上的异物采用带电作业或者停电处理等方式，主要使用的工具、方法及缺点介绍如下：
(1)带电使用绝缘操作杆处理，可操作距离有限，需要攀爬杆塔，费时费力且具有一定危险性；
(2)绝缘绳索缠绕牵引清除，需要将清除装置抛掷到架空输电线路上，对于离地较高的线路上异物操作比较困难，清除较大异物也比较困难；
(3)使用吊篮软梯进行手工处理，需要攀爬杆塔作业，难度较大且具有一定危险性；
(4)用绝缘斗臂车处理，可处理大范围移动的缺陷，但受地理条件和高度限制极大；
(5)线控或遥控线上爬行清除装置等较新的工具，需要将装置安放到线路上，也需要攀爬杆塔；
(6)无人机喷火处理，可是无人机操作复杂且在操作不当时机翼容易损坏甚至割断电线，造成严重后果；
上述的工具及方法普遍具有作业程序复杂、作业时间长、人员体力消耗大、作业安全风险高、人力物力消耗大等问题。
为有效解决现有方法的缺点和不足，本发明的目的在于提供了一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置，适用于各种电压等级的架空输电线路、配电网线路和电气化铁路接触网，本发明专利清障操作简洁方便，无需与其他设备联合使用。其中自然光成像系统负责收集信息并传递至信息中心处理系统；信息中心处理系统对异物进行清晰度分析，并确定障碍物成像最清晰时的像距；定位及检测系统将像距传递至所述信息中心处理系统；云台控制系统通过减小障碍物轮廓中心和激光聚焦中心原点之间的距离，使障碍物位于所述激光发射及自动聚焦系统的聚焦中心线；信息中心处理系统根据反馈的变量调配所述激光发射及自动聚焦系统完成自动调焦，确定对应的激光调焦量s；信息中心处理系统向激光发射器发出指令，led激光发射管自动发射激光，完成清障工作；操作人员可以在地面上手动操作，不用攀爬杆塔，无需与输电线路相接触，不仅节约时间，也更加保证了工作人员的安全。
基于激光测距精度问题，本发明通过建立物体成像过程和激光聚焦过程的光学公式，建立了成像光学系统参数与聚焦光学系统参数之间的关系式，抵消了距离在两个公式之间的作用，避免了目前测距方法，即主动测距和被动测距两种方法的缺点，极大程度地提高了测距精度。
基于激光使用安全性及可靠性，本发明通过识别检测所定位的目标，判断其是障碍物还是自然人、飞禽，所述激光发射系统只有当所述识别系统检测到线路上有障碍物，并且未检测到自然人和飞禽时才会启动激光器发射激光，否则切断外部电路，这大大避免了激光误用的隐患，保障了人身的安全。
技术实现要素：
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置，其特征在于：所述装置内含3个主系统以及3个辅助系统，其中3个主系统包括自然光成像系统、信息中心处理系统、激光发射及自动聚焦系统，3个辅助系统包括距离定位及检测系统、云台控制系统、紧急制动系统；其中自然光成像系统和激光发射及自动聚焦系统由联体金属外壳包裹并相互连接。
所述的自然光成像系统包括自然光成像透镜组、ccd感光屏；所述的自然光成像透镜组位于联体金属外壳小腔体内的前端，与金属外壳内表面的滑动轨道连接；所述滑动轨道用以调焦过程中移动自然光成像透镜组的位置；所述的ccd感光屏位于拥有自然光成像透镜组的腔体尾部，用以接收透镜成像传输给中央控制器。
所述的激光发射及自动聚焦系统包括激光自动调焦器、聚焦凹透镜、聚焦凸透镜、激光发射器、光束准直器、电池盒、冷却风扇；其中所述的聚焦凹、凸透镜位于联体金属外壳大腔体内的前端，与金属外壳内表面的滑动轨道连接；所述的滑动轨道用以调焦过程中移动聚焦透镜的位置；所述的激光自动调焦器与金属外壳大腔体的内壁相连，位于聚焦凹、凸透镜的中间，两端分别连接聚焦凹、凸透镜，通过伸缩来调节凹、凸透镜间的距离以此来进行调焦；由所述的距离定位及检测系统测量凹、凸透镜间的距离，与中央控制器计算所得到的聚焦凹、凸透镜之间的距离进行比较，当两个距离相等时视为调焦完成。
所述光束准直器采用至少由凹凸透镜各一片组成的准直光学单元，位于所述的激光发射器前端，准直所述激光发射器发出的激光束；所述激光发射器位于所述的光束准直器的后方，固定在以大腔体轴心为轴的轴对称金属框架上，在金属框架靠近透镜一侧的表面上以轴心为圆心均匀分布有led激光发射管，金属框架另一侧安置有控制电路，可调节激光光源的光功率，满足所述激光发射器光功率可调节的要求；所述led激光发射管由后方电池盒内的锂电池供电，由中央控制器的控制电路控制开、关；为了降低激光发射器的温度，后方所述的冷却风扇对其进行局部散热，风扇所产生的气流由激光发射器前方两端的通风孔排出。
所述的信息中心处理系统包括触屏操作板以及中央控制器；其中中央控制器控制着自然光成像系统、激光发射及自动聚焦系统、距离定位及检测系统、云台紧急制动系统，承担着接收信息、下发指令的任务，并具有计算的功能；所述的触屏操作板是人机交互的媒介，用户可通过触屏操作板观测到激光光路所瞄准的位置，并可在特殊情况下对障碍物进行手动圈定。
所述的距离定位及检测系统为2台内部透镜测距仪，分别位于聚焦凹透镜和凸透镜之间的大腔体内壁上以及自然光成像透镜组和ccd感光屏之间的小腔体内壁上，起到建立负反馈以及数据计算之前数据采集的作用。
所述的云台控制系统包括2台旋转电机，分别控制激光发射及自动聚焦系统在水平面和竖直面进行一定角度的旋转，此外还包括附件固定盘和三脚架；所述的紧急制动系统是用以在紧急情况下由外部切断电源。
一种清障方法包括如下步骤：
s1.所述自然光成像系统负责收集信息并传递至信息中心处理系统；
s2.所述信息中心处理系统对异物进行清晰度分析并确定障碍物成像最清晰时的像距u；
s3.所述定位及检测系统将像距u传递至所述信息中心处理系统；
s4.所述云台控制系统通过减小δl使障碍物位于所述激光发射及自动聚焦系统的聚焦中心线；
s5.所述信息中心处理系统根据反馈的变量调配所述激光发射及自动聚焦系统完成自动调焦，确定对应的激光调焦量s；
s6.所述信息中心处理系统向激光发射及自动聚焦系统发出指令启动激光电源，自动发射激光，完成清障工作
s7.所述信息中心处理系统通过识别功能在每个工作循环中分析对比确认激光作用区域内有无自然人，若出现自然人，所述紧急制动系统及时断开开关，防止意外；
s8.所述信息中心处理系统与所述云台控制系统交互完成每个工作循环内的信息处理环节。
所述步骤s2中自然光成像系统通过调节透镜组与所述ccd感光屏的距离u，并由所述定位及检测系统通过像距计算将障碍物清晰度处于波峰位置所对应的像距u值反馈给所述信息中心处理系统。
所述步骤s4通过信息中心处理系统调节所述的云台控制系统减小δl使障碍物影像位于成像系统的中心处，由于所述激光发射及自动聚焦系统与成像系统之间的轴心差距与物距相比可忽略不计，所以可以等效看作两者有共同的中心；故当δl无限趋近与0时，障碍物位于所述激光发射及自动聚焦系统的聚焦中心线上。
所述步骤s5根据反馈到所述信息中心处理系统的变量，通过推导公式计算出此时对应的激光调焦量s，并由所述信息中心处理系统对所述激光发射及自动聚焦系统的内置电机发出指令，当调焦量为s时，完成激光自动调焦。
所述的自然光成像系统中，通过内置电机匀速调节凹凸透镜组镜头与ccd感光屏的距离u，由所述的信息中心处理系统对识别出的障碍物进行清晰度分析，通过调节寻找出障碍物成像的清晰度在波峰位置的u并由所述的距离定位及检测系统通过像距计算将u的值反馈给信息中心处理系统。
所述的中心-原点距离测算法中，利用凸包算法和旋转卡壳算法求出识别出的障碍物轮廓中距离最远的两个点，两点连线的中心作为障碍物轮廓中心，通过将障碍物轮廓中心和图像中心原点进行距离δl的测算，通过调节所述的云台控制系统减小δl，直到δl→→0时停止调节，此时障碍物影像位于成像系统的中心处，又由于激光发射及自动聚焦系统与成像系统有共同的中心，故此时障碍物位于激光发射及自动聚焦系统的聚焦中心线上。
所述内置电机每一次调节清晰度伊始，所述的内置电机会先将所述的镜头以及ccd感光成像屏的位置移动到信息中心处理系统中所预先设置的固定位置u0后再进行内置电机匀速调节操作。其中所述的像距计算给定镜头和ccd感光成像屏的初始坐标均为0，初始的镜头与ccd感光成像屏的距离u0为所述的信息中心处理系统中预先设置的值；当电机开始工作，凹凸透镜组镜头和成像屏之间的距离变化量δu将直接反馈到信息中心处理系统中，u0和δu之和即为所求像距u。
根据反馈到信息中心处理系统的变量，通过推导公式
计算出此时对应的激光调焦量s，并由信息中心处理系统对激光发射及自动聚焦系统的内置电机发出指令，使其将此时的调焦量s调节到对应的值，从而完成激光自动调焦；其中f1为自然光成像系统中凸透镜焦距，f2为自然光成像系统中凹透镜焦距取负值，d为自然光成像系统中凹凸透镜距离，u为自然光成像系统中的像距，f1为激光聚焦系统中的凹透镜焦距，f2为激光聚焦系统中的凸透镜焦距。
所述激光发射器采用的是激光光源的光功率可调的激光发射器，地面上的操作人员可以根据输电线路上异物的情况，事先在触屏操作板上选择激光发射器的光功率调节档位；所述光束准直器采用至少两块镜片组成准直光学单元，用于将激光发射器发出的激光光束准直，此部分的控制装置还包括用于调节激发发射器光功率的光功率调节开关和用于指示光功率大小的光功率指示器。与此同时，在激光发射器的下端安装所述冷却系统，包括冷却开关和温度指示器两部分，用于对激光发射器的冷却降温，防止激光发射器因高频工作产生的高温而损坏。
上述的障碍物识别是利用轮廓法提取线路轮廓进行识别，在由直线构成的电网线路中若存在障碍物将导致识别的轮廓线产生突变，设定突变的阈值φ来对障碍物进行识别，若突变值超过阈值φ则识别为障碍物并圈定该轮廓，若突变值小于阈值φ则跳过。上述的人、物识别系统是利用轮廓法对图像信息进行提取，并与数据库中信息进行比对，识别在激光影响范围内是否存在自然人和飞禽。
前述的轮廓法其特征在于：首先对拍摄的图片进行二值化处理，将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，将整个图像呈现出明显的黑白视觉效果，然后对二值化的图像进行读取，逐行进行图像扫描，若图像含有多个黑色块，从左向右提取每个色块的轮廓并只提取一个轮廓。为了提高识别效率和速度，仅提取外部轮廓信息，对内部信息进行忽略，以此降低数据处理量。同时对轮廓点进行定义并找寻第一个轮廓点，从其上下左右四个相邻点，开始递归寻找，直到整个轮廓的点都被寻找到。所述的轮廓点的定义，其特征在于如果一个黑点的8个相邻点(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下)中有一个为白色点，即认为是轮廓点。
上述的识别系统是利用opencv进行识别并对其所识别的人、物或障碍物进行跟踪，所述的紧急制动系统是当所述的识别系统判断出在激光影响范围内存在自然人或飞禽时，紧急制动系统将收到来自信息中心处理系统发出的断电信号，能够快速切断激光发射电路的供电电源开关。所述的激光发射系统只有当识别系统识别到线路，并识别到线路上有障碍物，而且未识别到人或飞禽时才会启动led激光管发射激光。
前述的一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置，其特征在于：电源装置与控制系统、激光发射器，开关、冷却装置相连接，为它们提供可靠的动力。
附图说明
图1是本发明的装配图主视图；
图2是本发明的装配图立体图；
图3是本发明的装配图右视图；
图4是本发明自然光成像系统及激光发射及自动聚焦系统内部结构示意图；
实施例涉及到的图1-图4中的标号含义：
1-自然光成像透镜组；2-ccd感光屏；3-内部透镜测距仪；4-云台旋转电机；5-激光自动调焦器；6-触屏操作板；7-中央控制器；8-冷却风扇；9-电池盒；10-聚焦凹透镜；11-聚焦凸透镜；12-激光发射器；13-光束准直器；14-三脚架；15-附件固定盘；16-通气孔；17-大腔体；18-小腔体。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置包括：自然光成像透镜组1、ccd感光屏2、内部透镜测距仪3、云台旋转电机4、激光自动调焦器5、触屏操作板6、中央控制器7、冷却风扇8、电池盒9、聚焦凹透镜10、聚焦凸透镜11、激光发射器12、光束准直器13、三脚架14、附件固定盘15、通气孔16、大腔体17、小腔体18。
一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一，操作人员首先目测导线上障碍物的类型和质地，然后打开装置总开关，并在触屏操作板上选择激光发射器的光功率调节开关档位，设备开始工作，自然光成像透镜组1收集聚焦点位置信息并由中央控制器7分析比对输电线路上异物的种类；
步骤二，中央控制器7对异物进行清晰度分析并生成以清晰度为纵坐标，以像距u为横坐标的曲线，选取曲线极大值点所对应的横坐标作为障碍物成像最清晰时的像距u；
步骤三，内部透镜测距仪3将像距u传递至所述中央控制器7；
步骤四，云台旋转电机4通过减小δl使障碍物位于所述激光发射及自动聚焦系统的聚焦中心线；
步骤五，中央控制器7根据反馈的变量调配所述激光自动调焦器5确定对应的激光调焦量s，完成自动调焦；
步骤六，中央控制器7向激光发射器12发出指令，激光自动出射，识别系统在工作循环中分析对比确认激光作用区域内有无自然人，若出现自然人或飞禽，紧急制动系统及时断开开关，待作用区域无自然人后清障器重复前述工作；
步骤七，待异物灼烧完毕后，操作人员关闭电源开关，收回清障装置，完成一次工作循环。
本发明提出一种基于激光切熔的输电线路带电远程清障装置及方法，无需其他辅助设备，也无需攀爬杆塔，通过线路轮廓提取，自动识别输电线路上的障碍物，设备自动定焦后瞄准目标并发射激光，在数十秒内清除或击落异物。若激光作用范围出现自然人、飞禽，则设备自动切断开关，防止危险。整个过程中操作人员与输电线路设备无直接接触，可带电作业，可远距离及时、快速、安全地清除线上异物，携带容易，操作方便，省时省力，同时避免了激光误用的可能性。