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專(zhuān)利名稱(chēng)：基于多角度成像技術(shù)的機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力傳輸線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及高壓輸電線的巡檢和維護(hù)，特別是飛機(jī)對(duì)電力傳輸線進(jìn)行巡線檢測(cè)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)架空輸電線路分布很廣，線路很長(zhǎng)，許多分布在荒無(wú)人煙的崇山峻嶺，如華中電網(wǎng)山區(qū)和丘陵地帶已建的500千伏超高壓輸電線路，大部分遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、遠(yuǎn)離交通干線、人煙稀少。傳統(tǒng)的線路維護(hù)和檢測(cè)的方式，是依靠線路運(yùn)行維護(hù)人員徒步進(jìn)行地面人工巡視線路，不僅工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作條件艱苦，而且勞動(dòng)效率低下，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或消除線路設(shè)備缺陷，根本無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化大電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展需要。
隨著電力技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及航空事業(yè)的發(fā)展，世界各國(guó)采用直升飛機(jī)對(duì)架空輸電線路進(jìn)行線路巡檢、帶電作業(yè)和施工作業(yè)等有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。早在50年代初期，美國(guó)、加拿大以及西歐各國(guó)就已經(jīng)在架空輸電線路上使用直升機(jī)搶救傷病員和進(jìn)行線路巡檢等工作。隨著中、重型直升機(jī)的陸續(xù)出現(xiàn)，尤其是美國(guó)、加拿大、德國(guó)以及法國(guó)等國(guó)家在直升機(jī)參與架空輸電線路施工方面取得了巨大進(jìn)展。80年代以來(lái)美國(guó)哥倫比亞直升機(jī)公司和美國(guó)的電力公司合作已邁入線路的帶電作業(yè)領(lǐng)域，如應(yīng)用直升機(jī)帶電更換分裂導(dǎo)線間隔棒；在帶電的交、直流500kV的超高壓線路上維修架空地線，修補(bǔ)導(dǎo)線等。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的實(shí)踐探索以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，西方各國(guó)以及俄羅斯、以色列和日本等國(guó)家已較為全面地掌握了采用直升機(jī)對(duì)架空輸電線路進(jìn)行巡檢，帶電作業(yè)以及線路施工等各項(xiàng)技術(shù)，使得他們的架空輸電線路建設(shè)和維修技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的階段。
縱觀世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家采用直升機(jī)開(kāi)展電力作業(yè)的歷史，也是經(jīng)濟(jì)逐漸發(fā)展帶動(dòng)技術(shù)不斷進(jìn)步的歷史。即由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由單一項(xiàng)目到各類(lèi)作業(yè)項(xiàng)目的過(guò)程，也是一個(gè)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)逐步發(fā)展完善的過(guò)程。
我國(guó)從1982年開(kāi)始嘗試運(yùn)用直升機(jī)進(jìn)行電力作業(yè)的工作，華中、華南、西北、東北等電力公司進(jìn)行了8次直升機(jī)巡線和6次直升機(jī)作業(yè)，受檢線路的電壓等級(jí)遍及220kV、330kV、500kV。1982年10月25日，西寧供電局在西安熱工研究院以及珠海英達(dá)新技術(shù)研究所的協(xié)助下，采用直升機(jī)對(duì)330kV龍黃線和花黃線進(jìn)行了巡線檢測(cè)。這次巡檢任務(wù)采用的直升機(jī)型為80-150C，機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)包括TVS-600型熱像儀、M1000可見(jiàn)光攝像機(jī)，直升機(jī)上配有兩名駕駛員，兩名作業(yè)人員。當(dāng)時(shí)西寧供電局管轄的330kV線路共有340余km，地處青藏高原，均位于高海拔地區(qū)，最高海拔達(dá)3600m，路徑十分復(fù)雜，冬季大雪封山期特別長(zhǎng)，給運(yùn)行、維護(hù)尤其是巡線帶來(lái)諸多不便，其中線路路經(jīng)終年積雪的日月山，山勢(shì)陡峭，高差達(dá)1100m，人跡罕至，地面巡線十分困難。這次巡檢的這兩條線路全長(zhǎng)145km，整個(gè)航程只用了1小時(shí)17分鐘，作業(yè)時(shí)線路輸送功率190MW，直升機(jī)外氣溫-10℃，風(fēng)力3～4級(jí)。機(jī)載的紅外熱像儀發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)線的10處發(fā)熱點(diǎn)，而可見(jiàn)光攝像機(jī)也拍攝下了沿線地形地貌以及日月山終年積雪地段的導(dǎo)地線覆冰及脫冰實(shí)況。330kV龍黃、花黃線自投運(yùn)以來(lái)從未檢測(cè)接續(xù)管，這次巡檢成功地解決了供電企業(yè)長(zhǎng)期盼望解決的生產(chǎn)難題，同時(shí)也為高海拔、高寒地區(qū)以及山區(qū)的超高壓線路巡檢工作開(kāi)了先河，也為以后的事故巡線、事故搶修提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。
影響輸電線路正常工作的因素很多，其中包括輸電線路與周?chē)鷺?shù)木等障礙物之間的距離，若輸電線路與周?chē)鷺?shù)木等障礙物之間的距離太近，會(huì)造成高壓輸電線路與周?chē)鷺?shù)木等障礙物之間的放電，嚴(yán)重影響電力傳輸?shù)陌踩５壳斑€沒(méi)有一種能用于檢測(cè)輸電線路與周?chē)鷺?shù)木等障礙物之間距離的機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于多角度成像技術(shù)的機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得準(zhǔn)確的參數(shù)，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而準(zhǔn)確檢測(cè)輸電線路與周?chē)鷺?shù)木等障礙物之間的空間距離。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是基于多角度成像技術(shù)的機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)，它包括三臺(tái)安裝在飛機(jī)上并向下拍攝的數(shù)字照相機(jī)；用于測(cè)量數(shù)字照相機(jī)姿態(tài)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；用于存儲(chǔ)數(shù)字照相機(jī)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器陣列；三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線在同一平面內(nèi)，且各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線之間具有夾角。
上述方案中，它還包括安裝平臺(tái)，安裝平臺(tái)安裝在飛機(jī)上，三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)固定在安裝平臺(tái)上。
上述方案中，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)安裝在安裝平臺(tái)上。
上述方案中，它還包括用于控制數(shù)字照相機(jī)曝光的曝光時(shí)刻控制電路。
上述方案中，它還包括數(shù)據(jù)采集器，數(shù)字照相機(jī)、曝光時(shí)刻控制電路、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器陣列中。
上述方案中，它還包括用于調(diào)整安裝平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)。
上述方案中，各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線與飛機(jī)的飛行方向在同一平面內(nèi)。
上述方案中，三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)沿飛行方向依次為前視相機(jī)、下視相機(jī)、后視相機(jī)；后視相機(jī)觀測(cè)軸線與下視相機(jī)觀測(cè)軸線之間的夾角為15°；前視相機(jī)觀測(cè)軸線與下視相機(jī)觀測(cè)軸線之間的夾角為28.2°。
上述方案中，它還包括吊艙，吊艙安裝在飛機(jī)上；數(shù)字照相機(jī)、安裝平臺(tái)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在吊艙內(nèi)。
上述方案中，吊艙通過(guò)減震器安裝在飛機(jī)上。
本發(fā)明機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)的工作原理為載有本發(fā)明巡線系統(tǒng)的飛機(jī)沿輸電線路飛行，巡線系統(tǒng)中的三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)向下對(duì)輸電線路周?chē)M(jìn)行拍攝，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)用來(lái)得到平臺(tái)的位置和姿態(tài)信息。數(shù)字照相機(jī)、POS、GPS的輸出數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，可供以后計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)可根據(jù)空中三角測(cè)量的方法計(jì)算出輸電線路周?chē)鷺?shù)木等障礙物的高度，從而準(zhǔn)確檢測(cè)輸電線路與周?chē)鷺?shù)木等障礙物之間的空間距離。
本發(fā)明機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于1、本發(fā)明機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確地對(duì)輸電線路周?chē)臉?shù)木等障礙物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率高，尤其適用于崇山峻嶺、原始森林等無(wú)人區(qū)線路走廊中輸電線路的快速檢測(cè)。
2、三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)固定在安裝平臺(tái)上，可以方便數(shù)字照相機(jī)定位和安裝。
3、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)安裝在安裝平臺(tái)上，可以同時(shí)對(duì)三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。
4、曝光時(shí)刻控制電路可根據(jù)設(shè)定控制數(shù)字照相機(jī)進(jìn)行拍攝。
5、數(shù)據(jù)采集器可將某一時(shí)刻的數(shù)字照相機(jī)、曝光時(shí)刻控制電路、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包存儲(chǔ)。
6、由于飛機(jī)飛行時(shí)的姿態(tài)隨時(shí)發(fā)生著變化，調(diào)整系統(tǒng)可通過(guò)安裝平臺(tái)對(duì)數(shù)字照相機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以保證數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)角度為設(shè)定角度。
7、各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線與飛機(jī)的飛行方向在同一平面內(nèi)，有利于后期計(jì)算機(jī)的處理。
8、通過(guò)試驗(yàn)，飛機(jī)飛行的高度在輸電線路上方100米左右比較適合，因此，三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)沿飛行方向依次為前視相機(jī)、下視相機(jī)、后視相機(jī)；后視相機(jī)觀測(cè)軸線與下視相機(jī)觀測(cè)軸線之間的夾角為15°；前視相機(jī)觀測(cè)軸線與下視相機(jī)觀測(cè)軸線之間的夾角為28.2°。一來(lái)有利于相機(jī)的全景拍攝，保證照片掃描重疊率，二來(lái)固定的角度有利于后期計(jì)算機(jī)的計(jì)算。
9、數(shù)字照相機(jī)、安裝平臺(tái)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在吊艙內(nèi)，使機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)方便地安裝在飛機(jī)上。
10、吊艙通過(guò)減震器安裝在飛機(jī)上，有利于設(shè)備的穩(wěn)定工作。


圖1為本發(fā)明巡線系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框2為同步記錄的與圖像相關(guān)的附加數(shù)據(jù)導(dǎo)出至系統(tǒng)盤(pán)后的msf文件示意3為同步記錄的與圖像相關(guān)的附加數(shù)據(jù)導(dǎo)出至系統(tǒng)盤(pán)后的datetime.dll記錄的部分txt文件示意4為數(shù)據(jù)采集器軟件流程5為吊艙的結(jié)構(gòu)示意6為單張大角度圖像樹(shù)枝高度修正算法原理示意7為輸電線路路剖面的計(jì)算機(jī)界面顯示5中的箭頭方向?yàn)轱w機(jī)飛行方向。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的本發(fā)明輸電線路巡線系統(tǒng)實(shí)施例，它包括1、三臺(tái)安裝在飛機(jī)上并向下拍攝的數(shù)字照相機(jī)數(shù)字照相機(jī)采用加拿大DALSA公司的高分辨率面陣CCD全色相機(jī)。型號(hào)為DS-21-2M30，分辨率為1600×1200像素，像元尺寸為7.4μm×7.4μm，相機(jī)采用Camera Link接口，信號(hào)傳輸類(lèi)型為L(zhǎng)VDS低電壓差分信號(hào)，內(nèi)部通道數(shù)為2，總數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘頻率為80MHz，最大幀速率為30幀/秒，像素深度可選8bit或10bit，動(dòng)態(tài)范圍449∶1，相機(jī)可調(diào)增益為0到15db，工作溫度為0到40℃，工作電壓為11VDC至25VDC。
相機(jī)配置簡(jiǎn)潔明了，通過(guò)Camera Link標(biāo)準(zhǔn)集成的串行總線，用戶(hù)可以通過(guò)連接相機(jī)的采集卡提供的專(zhuān)用API函數(shù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，例如相機(jī)工作模式、內(nèi)部analog增益調(diào)節(jié)、相機(jī)曝光時(shí)間、像素深度等。
2、差分GPS全球定位系統(tǒng)。GPS天線安裝在飛機(jī)尾部，并保證在天線上方一定范圍內(nèi)不被阻擋。DGPS基站設(shè)置在機(jī)場(chǎng)或測(cè)區(qū)中，盡量靠近測(cè)區(qū)，以提高測(cè)量精度。
3、用于測(cè)量數(shù)字照相機(jī)姿態(tài)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(POS)為了直接獲取每一幀圖像曝光時(shí)刻的飛行姿態(tài)參數(shù)和相應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行遙感圖像的地理定位和偏差校正，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采用Applanix公司研制的POS/AV 510測(cè)量設(shè)備，它是GPS/INS的組合(GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng))，主要由四個(gè)部分組成IMU(Inertial Measure Unit慣性測(cè)量單元)，雙頻低噪聲GPS接收機(jī)，主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)PCS和后續(xù)處理軟件包。整個(gè)系統(tǒng)的核心是PCS主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它集成了實(shí)時(shí)運(yùn)行于其上面慣性導(dǎo)航算法軟件，且通過(guò)專(zhuān)用電纜分別與GPS和IMU連接；通過(guò)GPS數(shù)據(jù)來(lái)校正IMU獲得的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，從而使IMU輸出的數(shù)據(jù)保持動(dòng)態(tài)高精度和絕對(duì)高精度。此外，PCS輸出的數(shù)據(jù)類(lèi)型很多，系統(tǒng)主要利用PPS(Pulse per second信號(hào))、串口輸出的事件信號(hào)來(lái)和相關(guān)的每一幀圖像進(jìn)行同步。
4、用于存儲(chǔ)數(shù)字照相機(jī)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器陣列存儲(chǔ)器采用磁盤(pán)陣列和高速大容量硬盤(pán)，主要用于記錄圖像數(shù)據(jù)。
5、數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器主要采集相機(jī)的圖像信息、POS的姿態(tài)信息和GPS位置信息，主要是保證圖像、姿態(tài)、位置在時(shí)間上的相關(guān)性。數(shù)據(jù)采集器包括三塊圖像采集卡和主控制工控機(jī)。
圖像采集卡采用的是Io Industries公司研制生產(chǎn)的DVR-EXPRESS CL160數(shù)據(jù)采集卡，接口基于33MHz、32bit PCI總線。支持Camera Link Base MDR26接口最大24bit格式輸入或LVDS接口最大18bit格式輸入。內(nèi)部總時(shí)鐘頻率為80MHz。板載SCSI Raid0控制器，直接連接大容量高轉(zhuǎn)速SCSI硬盤(pán)，接口為68芯ultra160標(biāo)準(zhǔn)界面，這種連接模式彌補(bǔ)了以往通過(guò)PCI總線進(jìn)行圖像傳輸、存儲(chǔ)的速率瓶頸，減少了系統(tǒng)資源的占用率，極大地提高了整個(gè)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。此外，單塊采集卡最多可連接15塊SCSI硬盤(pán)，且支持每塊硬盤(pán)的容量最大可達(dá)300G，無(wú)損圖像存儲(chǔ)峰值速率可達(dá)141MBPS。
采集卡的核心部件是Acquisition Engine“采集引擎”，由板載現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA組成，控制不同格式類(lèi)型的圖像數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)、顯示和處理。
三塊圖像采集卡分別連接三臺(tái)相機(jī)，為了獲取地面同一目標(biāo)三個(gè)角度不同的圖像信息，三塊采集卡同時(shí)工作來(lái)觸發(fā)所連接的相機(jī)進(jìn)行曝光。
三塊圖像采集卡中，一塊為主卡，其余兩塊作為副卡。激活主卡板載的信號(hào)發(fā)生器，使其產(chǎn)生頻率為2Hz，占空比為0.5的脈沖電平信號(hào)。同時(shí)設(shè)定相機(jī)工作在外同步模式狀態(tài)下，其工作原理為當(dāng)相機(jī)捕獲到外同步信號(hào)的上升沿的同時(shí)觸發(fā)自身的電子快門(mén)，電子快門(mén)脈沖的下降沿清空感光區(qū)域的電荷而后開(kāi)始進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間由相機(jī)API命令事先設(shè)定好。曝光完成即傳輸圖像出去，遵循CameraLink標(biāo)準(zhǔn)傳送給采集卡。整個(gè)過(guò)程的延遲在幾納秒之內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)不造成任何影響。主卡板載信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的同步脈沖由LVDS接口TTLOUT0角通過(guò)SCSI扁平電纜引出，分別連接到主卡和副卡的LVDS接口TTLIN0角，而TTLIN0角通過(guò)采集卡軟件設(shè)置使其作為相機(jī)的外同步信號(hào)源。至此，實(shí)現(xiàn)了三塊采集卡提供給各自相機(jī)的外同步信號(hào)。由應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一的控制命令，采集卡便通過(guò)CameraLink標(biāo)準(zhǔn)集成的控制總線向相機(jī)傳遞外同步脈沖信號(hào)，按照前面所說(shuō)的工作原理，同時(shí)捕獲三幅圖像，并按照相機(jī)配置文件的格式要求，將分別來(lái)自三臺(tái)相機(jī)且分辨率都是1600*1200像素的三幅圖像按照上、中、下排列格式整合成一幀1600*3600像素的圖像存儲(chǔ)于所連接的SCSI硬盤(pán)陣列中。
采集系統(tǒng)的控制核心為ICP EC-1040B主控制工控機(jī)，它配置的底板為PX-14S3，12根PCI插槽，2根PICMG插槽，三根ISA插槽；電源為18V-32V直流輸入的ACE-828C ATX電源，總功率為280W；系統(tǒng)主板為ROCKY-4782E2V PICMG全長(zhǎng)CPU卡，處理器為P42.0GHz，400FSB，芯片組為Intel 845，2條184pinDIMM插槽，最大支持2GB SDRAM內(nèi)存，集成SIS 315 AGP 4X圖形芯片，顯存大小為32MB，集成2個(gè)Intel 10/100Mbps 82559以太網(wǎng)控制器，2個(gè)ATA100接口。主系統(tǒng)盤(pán)為邁拓DiamondMax Plus9ATA133 80G IDE硬盤(pán)，和采集卡直接連接作為圖像存儲(chǔ)介質(zhì)的為西捷cheetah 10K轉(zhuǎn)140G高容量ultra320 SCSI硬盤(pán)。
POS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集為了同時(shí)解決遙感的定性、定位、定量問(wèn)題，僅靠獲取地面目標(biāo)的光譜特征信息是不可能解決的，所以數(shù)據(jù)采集器集成了姿態(tài)測(cè)量裝置POS，在成像的同時(shí)獲取當(dāng)前的外方位元素，直接進(jìn)行遙感圖像的地理定位。
為了使采集的每一幀圖像都有唯一的POS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，本實(shí)施例采用如下的協(xié)同方式工作1.用專(zhuān)用串口線連接POS的PCS主控計(jì)算機(jī)串口COM1與主控制工控機(jī)主板串口COM1。
2.引出采集卡LVDS接口TTLOUT0腳與POS事件觸發(fā)EVENT1接頭連接。
具體工作原理為a、在POS這一端，圖像采集卡TTLOUT0腳引出的相機(jī)外同步信號(hào)電平沿觸發(fā)與之連接的POS事件EVENT1，使其按照和相機(jī)外同步信號(hào)頻率一樣的頻率開(kāi)始計(jì)數(shù)。同時(shí)我們?cè)O(shè)置PSC主控制計(jì)算機(jī)串口，使其更新頻率與相機(jī)外同步信號(hào)一致，這是因?yàn)橄鄼C(jī)外同步信號(hào)頻率就等于圖像采集的速率，頻率一致就嚴(yán)格保證了他們之間的同步。串口的事件數(shù)據(jù)流設(shè)置為波特率9600，非極性，每字節(jié)有8bit且僅跟1位停止位。其數(shù)據(jù)格式為$EVT1，------.------，G，++++++++*##，其中$EVT1為事件標(biāo)記，------.------表示當(dāng)前時(shí)刻距離周日凌晨開(kāi)始所經(jīng)歷的秒數(shù)，G代表格林尼治時(shí)間，++++++++代表事件號(hào)，*##為校驗(yàn)碼。由于POS系統(tǒng)在IMU初始化且GPS接收到足夠多的衛(wèi)星使其狀態(tài)穩(wěn)定之后開(kāi)始正常工作，記錄當(dāng)前的GPS信息及姿態(tài)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于PCS內(nèi)部硬盤(pán)和插入的PCMCIA存儲(chǔ)卡中，存儲(chǔ)的信息和相機(jī)外同步信號(hào)電平沿觸發(fā)的事件信息唯一對(duì)應(yīng)，所以，PCS串口發(fā)出的事件信息就和當(dāng)前的POS各項(xiàng)數(shù)據(jù)嚴(yán)格同步。
b、在主控制工控機(jī)這一端，同樣設(shè)置和PCS一樣的串口參數(shù)。由應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)統(tǒng)一的控制命令，采集一幀圖像的同時(shí)訪問(wèn)串口獲取當(dāng)前的事件數(shù)據(jù)，并把獲取的事件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于內(nèi)存中，在采集完成之后統(tǒng)一按照先后的順序整合到SCSI硬盤(pán)陣列中去，且和每一幀圖像一一對(duì)應(yīng)。采集當(dāng)前圖像并訪問(wèn)串口的延遲在幾個(gè)納秒以?xún)?nèi)，對(duì)最后圖像數(shù)據(jù)的匹配不造成任何影響。并且對(duì)于串口緩存進(jìn)行了事先清空，避免了由于緩存FIFO特性造成當(dāng)前串口緩存讀取指針指定的數(shù)據(jù)不是當(dāng)前那一幀圖像對(duì)應(yīng)的事件數(shù)據(jù)的誤差狀況。
圖像數(shù)據(jù)的定位由于CL160采集卡采集圖像時(shí)禁止其余線程對(duì)圖像進(jìn)行訪問(wèn)，所以本實(shí)施例利用采集卡提供的SDK開(kāi)發(fā)底層流濾波stream filter類(lèi)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載到采集卡核心Engine驅(qū)動(dòng)中去。采集當(dāng)前圖像的同時(shí)由采集卡核心Engine調(diào)用此類(lèi)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，由其記錄與圖像相關(guān)的一些數(shù)據(jù)，這一過(guò)程的延遲和前面章節(jié)提到的一樣也只有幾納秒，所以不會(huì)影響整個(gè)數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題。具體工作原理如下a、定義存儲(chǔ)每一幀圖像對(duì)應(yīng)的附加信息的內(nèi)存字節(jié)。
b、記錄每一幀圖像的圖像號(hào)碼。
c、記錄PCS發(fā)送過(guò)來(lái)的串口事件數(shù)據(jù)。
d、動(dòng)態(tài)加載DateTime.dll鏈接庫(kù)，記錄當(dāng)前圖像采集時(shí)刻，精確到毫秒。
e、采集完畢，采集卡核心Engine，自動(dòng)將底層動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)整合到SCSI硬盤(pán)陣列中去。且嚴(yán)格保持一一對(duì)應(yīng)。
f、導(dǎo)出這類(lèi)流濾波類(lèi)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)到主系統(tǒng)硬盤(pán)中，便于圖像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)匹配定位的后處理。
圖2、圖3分別是同步記錄的與圖像相關(guān)的附加數(shù)據(jù)導(dǎo)出至系統(tǒng)盤(pán)后的文件的部分內(nèi)容。圖2中直線圈框內(nèi)的數(shù)據(jù)為串口接受的POS事件數(shù)據(jù)，圓圈內(nèi)的01、02分別為圖像號(hào)01、02。圖3中的第一列(Date)為圖像采集日期，第二列(Time)為圖像采集時(shí)間(精確到毫秒)，第三列(Time in MS)為相機(jī)收到外同步信號(hào)開(kāi)始曝光所累計(jì)的時(shí)間。
數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。
6、曝光時(shí)刻控制電路曝光時(shí)刻控制電路控制三臺(tái)相機(jī)同時(shí)曝光，每臺(tái)相機(jī)曝光的時(shí)間間隔為0.5s，保證照片77％的掃描重疊率。
曝光時(shí)刻控制電路作為圖像和POS數(shù)據(jù)配對(duì)的備用方案。曝光時(shí)刻控制電路內(nèi)部有一時(shí)鐘電路，當(dāng)接收到POS的第1個(gè)1pps信號(hào)后清零，并記錄當(dāng)時(shí)的POS時(shí)間。當(dāng)曝光同步脈沖信號(hào)出現(xiàn)后，產(chǎn)生曝光的當(dāng)前時(shí)刻，存放在緩存器，供計(jì)算機(jī)訪問(wèn)。曝光時(shí)刻確定電路主要由時(shí)鐘電路、鎖存器、譯碼器等組成。時(shí)鐘基頻由2MHz晶振產(chǎn)生。曝光時(shí)刻電路主要通過(guò)ALTERA EMP7128SLC實(shí)現(xiàn)。曝光時(shí)刻控制電路內(nèi)建于計(jì)算機(jī)，通過(guò)IDE總線和計(jì)算機(jī)通訊，曝光同步脈沖來(lái)自圖像采集卡，1pps信號(hào)通過(guò)Q9接插件及屏蔽電纜和POS相連。
7、安裝平臺(tái)如圖1、5所示，三臺(tái)數(shù)字相機(jī)3、4、5固定安裝在安裝平臺(tái)1上。三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線在同一平面內(nèi)，且各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線之間具有夾角。各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線與飛機(jī)的飛行方向在同一平面內(nèi)。三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)沿飛行方向依次為前視相機(jī)3、下視相機(jī)4、后視相機(jī)5；后視相機(jī)5觀測(cè)軸線與下視相機(jī)4觀測(cè)軸線之間的夾角為15°；前視相機(jī)3觀測(cè)軸線與下視相機(jī)4觀測(cè)軸線之間的夾角為28.2°。
8、用于調(diào)整安裝平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)它包括傾角傳感器、平臺(tái)控制器、電機(jī)7；電機(jī)7為步進(jìn)電機(jī)，它的輸出軸與安裝平臺(tái)的一端連接。傾角傳感器設(shè)置在安裝平臺(tái)上，它的輸出端與平臺(tái)控制器連接。平臺(tái)控制器控制電機(jī)7。
當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，飛機(jī)的姿態(tài)有一定的俯仰、測(cè)滾和偏航，這都影響圖像的定位精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)無(wú)法解算目標(biāo)的空間位置關(guān)系。穩(wěn)定平臺(tái)需要有用于調(diào)整安裝平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)，本實(shí)施例采用單環(huán)控制方式，使平臺(tái)的測(cè)滾誤差＜±3°，保證輸電線路在儀器的視場(chǎng)之內(nèi)。
傾角傳感器的精度直接影響著整個(gè)控制系統(tǒng)的控制精度，整個(gè)控制系統(tǒng)最終的精度不會(huì)超過(guò)傳感器的精度，但可以逼近傳感器的精度。傾角傳感器的選擇，除了考慮它的功能和精度外，還要考慮它的外形尺寸，重量，價(jià)格，尤其是價(jià)格。在精度達(dá)到要求情況下，顯然要選擇價(jià)格便宜的傳感器。本實(shí)施例選擇了美國(guó)Crossbow公司的CXTILT02EC傾角傳感器，該傾角傳感器是一個(gè)兩維角度傳感器，只有俯仰和測(cè)滾的角度信息，沒(méi)有偏航方向的角度信息。俯仰方向的偏差通過(guò)提高相機(jī)的曝光頻率來(lái)補(bǔ)償，姿態(tài)偏差的精確值將通過(guò)安裝在安裝平臺(tái)1基準(zhǔn)面上的高精度POS獲取(如圖5所示)。
如圖5所示，由于直升飛機(jī)的艙位較小，無(wú)法在內(nèi)部開(kāi)窗，本發(fā)明巡線系統(tǒng)實(shí)施例的數(shù)字照相機(jī)3、4、5、安裝平臺(tái)1、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)2等部件設(shè)置在一吊艙8內(nèi)，吊艙8通過(guò)減震器6安裝在直升飛機(jī)的下部。
本發(fā)明巡線系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器陣列中，供以后計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的處理。計(jì)算機(jī)可根據(jù)空中三角測(cè)量的原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)現(xiàn)有條件，空中三角測(cè)量部分可以省去常規(guī)的相對(duì)定向、模型連接、絕對(duì)定向、后方交會(huì)、前方交會(huì)等預(yù)處理過(guò)程，而直接進(jìn)入光束法整體聯(lián)合平差。將從影像匹配得到的同名點(diǎn)作為加密點(diǎn)，利用已知的桿塔角點(diǎn)信息作為地面控制點(diǎn)和GPS、POS得到的外方位元素一起作為附加觀測(cè)方程引入光束法聯(lián)合平差。
光束法聯(lián)合平差模塊是空三測(cè)量的核心部分，它以控制點(diǎn)、加密點(diǎn)和外方位元素初始值為輸入，通過(guò)帶權(quán)值聯(lián)合平差，輸出平差后各像片的外方位元素、控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)和加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)，并可以對(duì)各項(xiàng)平差結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)和可靠性分析。
光束法聯(lián)合平差模塊建立了誤差方程，設(shè)計(jì)了針對(duì)大型稀疏矩陣的法方程式求解算法，由誤差理論出發(fā)，根據(jù)各觀測(cè)值的測(cè)量精度等先驗(yàn)知識(shí)確定各組觀測(cè)量的初始權(quán)值，使用選權(quán)迭代方法在每次平差迭代前確定新的權(quán)值，并在每次迭代后利用可靠性原理對(duì)粗差進(jìn)行檢測(cè)定位和剔除。
后期的計(jì)算機(jī)處理可建立影像匹配及高程模型，生成線路高度提取、DSM修正及正射影像。考慮到圖像中輸電線路的一些先驗(yàn)信息，如輸電線路貫穿整個(gè)圖像，近似直線等信息，輸電線路自動(dòng)提取時(shí)利用線性檢測(cè)模板檢測(cè)輸電線路象素，由于復(fù)雜的背景干擾，檢測(cè)的輸電線路象素不連續(xù)。對(duì)局部檢測(cè)的輸電線路象素進(jìn)行分段radon變換，利用類(lèi)似kalman跟蹤連接，最后通過(guò)曲線擬合獲得平滑的輸電線路。
由于輸電線路上很難找到同名點(diǎn)，實(shí)際計(jì)算輸電線路高度時(shí)，是對(duì)輸電線路上的間隔棒進(jìn)行計(jì)算，并最終擬合到整條線路。考慮到實(shí)際間隔棒形狀大小基本固定不變，且基本豎直等，可采用一種自適應(yīng)模板的間隔棒檢測(cè)方法。當(dāng)已知兩張不同角度相片的內(nèi)外方位元素，可大致確定相片中不同象素位置間隔棒投影的形狀。由此形狀信息設(shè)計(jì)圖像中不同位置的間隔棒提取模板。
針對(duì)巡線這一特殊目的，對(duì)于細(xì)數(shù)字表明模型(DSM)提取的樹(shù)冠尺度上的包絡(luò)，還必須考慮樹(shù)枝的高度，需要對(duì)高出樹(shù)冠包絡(luò)面的有威脅的樹(shù)枝進(jìn)行高度修正，以提供樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)輸電線路影響的有效預(yù)警。利用單張大角度投影相片上的樹(shù)枝信息對(duì)DSM進(jìn)行修正方法的原理圖如圖6所示，圖中的S為相機(jī)位置的坐標(biāo)，由細(xì)DSM樹(shù)冠包絡(luò)12的投影位置獲得樹(shù)枝底部A的空間坐標(biāo)，利用提取樹(shù)枝的端點(diǎn)象素獲得B點(diǎn)的像片坐標(biāo)，通過(guò)空間解析幾何和攝影測(cè)量的方法，可以解得樹(shù)枝端點(diǎn)在近似垂直的空間位置C點(diǎn)的坐標(biāo)，并可計(jì)算出C的最小偏離天頂角，從而求出樹(shù)枝11的垂直高度，對(duì)DSM進(jìn)行修正。
如圖7所示，計(jì)算機(jī)最后得到的結(jié)果之一為輸電線路橫端面和剖面圖的界面顯示，圖中的縱坐標(biāo)為模擬高度，區(qū)域9表示障礙物，直線10表示預(yù)警線。
權(quán)利要求
1.基于多角度成像技術(shù)的機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)，其特征在于它包括三臺(tái)安裝在飛機(jī)上并向下拍攝的數(shù)字照相機(jī)；用于測(cè)量數(shù)字照相機(jī)姿態(tài)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；用于存儲(chǔ)數(shù)字照相機(jī)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器陣列；三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線在同一平面內(nèi)，且各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線之間具有夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于它還包括安裝平臺(tái)(1)，安裝平臺(tái)(1)安裝在飛機(jī)上，三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)固定在安裝平臺(tái)(1)上。
3.如權(quán)利要求2所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(2)安裝在安裝平臺(tái)(1)上。
4.如權(quán)利要求1所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于它還包括用于控制數(shù)字照相機(jī)曝光的曝光時(shí)刻控制電路。
5.如權(quán)利要求4所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于它還包括數(shù)據(jù)采集器，數(shù)字照相機(jī)、曝光時(shí)刻控制電路、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器陣列中。
6.如權(quán)利要求2所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于它還包括用于調(diào)整安裝平臺(tái)姿態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)。
7.如權(quán)利要求1所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線與飛機(jī)的飛行方向在同一平面內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)沿飛行方向依次為前視相機(jī)(3)、下視相機(jī)(4)、后視相機(jī)(5)；后視相機(jī)(5)觀測(cè)軸線與下視相機(jī)(4)觀測(cè)軸線之間的夾角為15°；前視相機(jī)(3)觀測(cè)軸線與下視相機(jī)(4)觀測(cè)軸線之間的夾角為28.2°。
9.如權(quán)利要求3所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于它還包括吊艙(8)，吊艙(8)安裝在飛機(jī)上；數(shù)字照相機(jī)、安裝平臺(tái)(1)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(2)設(shè)置在吊艙內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的巡線系統(tǒng)，其特征在于吊艙(8)通過(guò)減震器(6)安裝在飛機(jī)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于多角度成像技術(shù)的機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)，它包括三臺(tái)安裝在飛機(jī)上并向下拍攝的數(shù)字照相機(jī)、用于測(cè)量數(shù)字照相機(jī)姿態(tài)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、用于存儲(chǔ)數(shù)字照相機(jī)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器陣列；三臺(tái)數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線在同一平面內(nèi)，且各數(shù)字照相機(jī)的觀測(cè)軸線之間具有夾角。本發(fā)明機(jī)載輸電線路巡線系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確地對(duì)輸電線路周?chē)臉?shù)木等障礙物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率高，尤其適用于崇山峻嶺、原始森林等無(wú)人區(qū)線路走廊中輸電線路的快速檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01R31/00GK1837815SQ20061001884
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
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