專利名稱：基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)中絕緣子監(jiān)測裝置，特別是一種基于運動背景的絕緣子 實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
絕緣子是架空高壓輸電線路上用于導(dǎo)線與鐵塔絕緣連接的裝置，是用量最大的絕 緣體之一。當(dāng)絕緣子串中存在低值或零值絕緣子時，在污穢環(huán)境、過電壓，甚至工作電壓下 就容易發(fā)生閃絡(luò)事故，當(dāng)零值絕緣子被完全擊穿，將引起絕緣子炸開，是造成輸電線路重大 事故的隱患。
目前測量零值絕緣子的方法是定期停電或帶電人工檢測，這些作業(yè)需要登桿逐片 檢測，屬于高空作業(yè)，受環(huán)境影響大，危險性高，勞動強度也大。如果在地面測量零值絕緣 子，準(zhǔn)確度不夠高，難以判斷哪一片絕緣子出了問題，針對該問題本發(fā)明項目的科研組發(fā)明 了一種用于檢測輸電線路絕緣子的飛行機器人，專利申請?zhí)枮?008102M172. 1，其解決了 登桿檢測絕緣子的問題，可以極大減輕勞動強度，具有重大意義。
但該技術(shù)尚未解決的技術(shù)問題是，飛行機器人的圖像檢測和識別分別安裝在飛行 設(shè)備和地面站上，在對目標(biāo)絕緣子進行識別后，由于其一直處于運動背景，難以完成對目標(biāo) 絕緣子的跟蹤，搜索范圍大，通信運行時間長，算法運行速度受限，無法與人體跟蹤同步進 行，因此對目標(biāo)絕緣子的檢測也就難以保證足夠的準(zhǔn)確度和精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提供能夠提高對目標(biāo)絕緣子檢測 的準(zhǔn)確度和精度的基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置。
本發(fā)明是通過以下途徑來實現(xiàn)的
基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，包括有飛行機器設(shè)備、地面控 制系統(tǒng)和通信模塊，飛行機器設(shè)備包括有飛行系統(tǒng)和控制處理裝置，其結(jié)構(gòu)要點在于，控制 處理裝置安裝在飛行系統(tǒng)上，其包括有圖像成像探測部件及圖像信號處理部件，圖像成像 探測部件包括依序電連接的成像裝置、轉(zhuǎn)換電路和采集電路，圖像信號處理部件包括有相 互連接的圖像預(yù)處理裝置和識別跟蹤處理裝置，采集電路的輸出端與圖像預(yù)處理裝置連 接，識別跟蹤處理裝置通過通信模塊與地面控制系統(tǒng)連接；
成像裝置獲取目標(biāo)絕緣子的視頻圖像，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)信號，采集 電路采集該數(shù)字數(shù)據(jù)信號后發(fā)送給圖像預(yù)處理裝置；
圖像預(yù)處理裝置接收到采集電路發(fā)送過來的信號后，將圖像進行灰度化處理，然 后進行中值濾波，將圖像平滑化，之后再進行直方圖均衡化處理，增強圖像對比度；
識別跟蹤處理裝置包括有提取裝置、絕緣子運動行為數(shù)學(xué)模型、預(yù)測裝置、判斷處 理裝置；提取裝置對預(yù)處理過的圖像進行紋理特征提取，根據(jù)提取的目標(biāo)絕緣子的紋理特 征對絕緣子進行檢測；獲取絕緣子運動區(qū)域的數(shù)據(jù)，根據(jù)絕緣子運動行為數(shù)學(xué)模型對目標(biāo)絕緣子進行跟蹤，預(yù)測裝置根據(jù)數(shù)學(xué)模型的設(shè)置要求對人體重心在下一幀圖案進行預(yù)測， 判斷處理裝置接收下一幀圖像，并判斷預(yù)測得到的人體重心是否落在下一幀圖像檢測到的 絕緣子的跟蹤窗口內(nèi)，如果是，則認定上一幀中的絕緣子和下一幀的絕緣子相匹配，之后根 據(jù)新得到的測量值對系統(tǒng)狀態(tài)進行跟蹤。
本發(fā)明將目標(biāo)絕緣子探測得到的圖像的處理安裝在飛行機器設(shè)備上，實現(xiàn)基于運 動分析的絕緣子檢測只在視頻窗口中的小區(qū)域內(nèi)進行檢測，大大減小了通信傳輸時間，提 高算法運行速度，另外，準(zhǔn)確的跟蹤減小了對目標(biāo)絕緣子的搜索范圍，使得絕緣子的檢測與 人體跟蹤幾乎是同步進行，達到了準(zhǔn)確跟蹤絕緣子的目的，保證了檢測絕緣子的準(zhǔn)確度和 精度。
本發(fā)明可以進一步具體為
控制處理裝置還包括有伺服控制部件，其包括控制電路和力矩電機，控制電路的 輸出端與力矩電機的輸入端連接，控制電路的信號接收端與圖像信號處理部件連接。
控制處理裝置提供一個在空間穩(wěn)定不變的方向基準(zhǔn)，當(dāng)圖像成像探測部件將采集 到的圖像信息傳送給退昂信號處理部件后，圖像信號處理部件根據(jù)所的圖像信息處理結(jié)果 輸出兩路目標(biāo)角誤差信息，經(jīng)控制電路的功率放大器形成控制電流輸送給力矩電機，力矩 電機輸出與目標(biāo)角誤差成比例的力矩作用給飛行系統(tǒng)，從而形成對目標(biāo)絕緣子的兩個自由 度跟蹤，并將跟蹤的結(jié)果及原始圖像通過通信模塊傳送給地面控制系統(tǒng)。這樣，能夠使飛行 機器設(shè)備準(zhǔn)確飛臨待測的目標(biāo)絕緣子上空，并與目標(biāo)絕緣子保持最佳測量距離，避免了因 飛行的不穩(wěn)定造成目標(biāo)設(shè)備與飛行設(shè)備的相互干擾和碰撞，造成不必要的損失。
伺服控制部件還包括有速率陀螺儀，其與控制電路的輸出端連接。
速率陀螺儀能夠根據(jù)控制電路和飛行系統(tǒng)的指令進行調(diào)整，保證飛行機器設(shè)備的 穩(wěn)定飛行和穩(wěn)定定位，為獲取穩(wěn)定的、高清晰、高質(zhì)量的影像提供保證。
一般來說，速率陀螺儀都由飛行系統(tǒng)控制，鑒于本發(fā)明技術(shù)方案的特殊性，速率陀 螺儀需要增加伺服控制電路在方位的微調(diào)控制，以保證圖像成像探測部件能夠得到更好的 目標(biāo)絕緣子圖像，提高檢測準(zhǔn)確度和精度。
通信模塊包括有無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)，識別跟蹤處理 裝置的數(shù)據(jù)輸出端通過無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)連接，地面控制系統(tǒng)的控制 端通過無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)與飛行系統(tǒng)連接。
在使用中，由于數(shù)字圖像信息的傳輸量大，速度較慢，而控制指令則需要快速的傳 達，以保證飛行機器設(shè)備的跟蹤實現(xiàn)與人體跟蹤同步，因此，采用通信模塊分別通過無線數(shù) 字圖像傳輸系統(tǒng)和無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)來對應(yīng)實現(xiàn)數(shù)字圖像信息的傳輸和指令收發(fā)控 制。無線圖像傳輸系統(tǒng)用于攝像機和照相機的數(shù)據(jù)傳輸，采用COFDM調(diào)制方式。指令收發(fā) 系統(tǒng)用于對機載設(shè)備的遙控。
圖像成像探測部件中的成像裝置優(yōu)選使用CCD攝像機。
CCD攝像機具有自動變焦功能，能夠根據(jù)地面控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令進行焦距調(diào) 整。這樣做的好處是，當(dāng)電力線所處位置海拔高度變化在一百米的范圍內(nèi)時，可以通過調(diào)整 攝像機的焦距來觀察電力線的情況，而不必改變飛行器的飛行高度，畢竟調(diào)整攝像機的焦 距要比調(diào)整飛行器的高度要容易得多。
識別跟蹤處理裝置以現(xiàn)場可編程門陣列和高速數(shù)字信號處理器為硬件平臺。
這樣能夠通過紅外圖像處理進行目標(biāo)檢測、識別和跟蹤，可以計算出目標(biāo)的俯仰 與方位誤差角，送給伺服控制部件及通信模塊進行跟蹤控制及地面控制系統(tǒng)結(jié)果顯示。
綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于運動背景的絕緣子實施目標(biāo)識別和跟蹤裝置， 將目標(biāo)絕緣子探測得到的圖像的處理安裝在飛行機器設(shè)備上，實現(xiàn)基于運動分析的絕緣子 檢測只在視頻窗口中的小區(qū)域內(nèi)進行檢測，大大減小了通信傳輸時間，提高算法運行速度， 另外，準(zhǔn)確的跟蹤減小了對目標(biāo)絕緣子的搜索范圍，使得絕緣子的檢測與人體跟蹤幾乎是 同步進行，達到了準(zhǔn)確跟蹤絕緣子的目的，保證了檢測絕緣子的準(zhǔn)確度和精度。


圖1所示為本發(fā)明所述基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置的框架 結(jié)構(gòu)示意圖2所示為本發(fā)明所述的控制處理裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖3所示為本發(fā)明所述伺服控制部件的電路原理結(jié)構(gòu)視圖。
下面結(jié)合具體實施例進一步描述本發(fā)明。
具體實施方式
最佳實施例
參照附圖1，基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，包括有飛行機器設(shè) 備、地面控制系統(tǒng)和通信模塊，飛行機器設(shè)備包括有飛行系統(tǒng)和控制處理裝置，通信模塊包 括有無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)，控制處理裝置的數(shù)據(jù)輸出端經(jīng)由發(fā) 射模塊通過無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)將圖像傳送給地面控制系統(tǒng)，而通過無線數(shù)字指令收發(fā) 系統(tǒng)接收的信號經(jīng)由前端處理模塊轉(zhuǎn)發(fā)給飛行系統(tǒng)；地面控制系統(tǒng)的控制中心經(jīng)由指令發(fā) 射模塊將指令通過無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送給飛行系統(tǒng)，而經(jīng)由無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng) 接收的信息，經(jīng)由濾波放大、解碼處理等預(yù)處理后，傳送到控制中心。
參照附圖2，控制處理裝置包括有伺服控制部件圖像成像探測部件及圖像信號處 理部件；圖像成像探測部件包括依序電連接的成像裝置、轉(zhuǎn)換電路和采集電路，其中成像裝 置采用CXD探測器，即CXD攝像機，轉(zhuǎn)換電路為A/D轉(zhuǎn)換電路；圖像信號處理部件包括有 相互連接的圖像預(yù)處理裝置和識別跟蹤處理裝置，采集電路的輸出端與圖像預(yù)處理裝置連 接，識別跟蹤處理裝置通過通信模塊與地面控制系統(tǒng)連接；伺服控制部件包括控制電路、力 矩電機和速率陀螺儀，控制電路的輸出端分別與力矩電機的輸入端和速率陀螺儀的控制端 連接，控制電路的信號接收端與圖像信號處理部件連接。
其工作流程為
成像裝置獲取目標(biāo)絕緣子的視頻圖像，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)信號，采集 電路采集該數(shù)字數(shù)據(jù)信號后發(fā)送給圖像預(yù)處理裝置；
圖像預(yù)處理裝置接收到采集電路發(fā)送過來的信號后，將圖像進行灰度化處理，然 后進行中值濾波，將圖像平滑化，之后再進行直方圖均衡化處理，增強圖像對比度；
識別跟蹤處理裝置包括有提取裝置、絕緣子運動行為數(shù)學(xué)模型、預(yù)測裝置、判斷處 理裝置；鑒于絕緣子邊緣具有明顯的方向特征，提取裝置對預(yù)處理過的圖像進行紋理特征 提取利用多媒體內(nèi)容描述標(biāo)準(zhǔn)MPEG-7中的描述工具對視頻幀中的圖像進行特征提取，并對提取的特征進行選擇，根據(jù)提取的目標(biāo)絕緣子的紋理特征對絕緣子進行檢測；
獲取絕緣子運動區(qū)域的數(shù)據(jù)對于當(dāng)前幀圖像進行運動區(qū)域檢測和絕緣子識別， 得到圖像幀中運動絕緣子區(qū)域和中心坐標(biāo)。然后在運動絕緣子區(qū)域內(nèi)，利用提取的紋理特 征進行絕緣子檢測，把得到的絕緣子區(qū)域作出標(biāo)記，并輸出結(jié)果，做為目標(biāo)絕緣子跟蹤的初值。
根據(jù)絕緣子運動行為數(shù)學(xué)模型對目標(biāo)絕緣子進行跟蹤利用卡爾曼濾波對視頻中 的絕緣子區(qū)域進行跟蹤，根據(jù)上一步給出的當(dāng)前量測值，對絕緣子重心的位移、速度和加速 度進行估計。預(yù)測裝置根據(jù)數(shù)學(xué)模型的設(shè)置要求對人體重心在下一幀圖案進行預(yù)測，判斷 處理裝置接收下一幀圖像，并判斷預(yù)測得到的人體重心是否落在下一幀圖像檢測到的絕緣 子的跟蹤窗口內(nèi)，如果是，則認定上一幀中的絕緣子和下一幀的絕緣子相匹配，之后根據(jù)新 得到的測量值對系統(tǒng)狀態(tài)進行跟蹤。
控制處理裝置提供一個在空間穩(wěn)定不變的方向基準(zhǔn)，當(dāng)圖像成像探測部件將采集 到的圖像信息傳送給退昂信號處理部件后，圖像信號處理部件根據(jù)所的圖像信息處理結(jié)果 輸出兩路目標(biāo)角誤差信息，經(jīng)控制電路的功率放大器形成控制電流輸送給力矩電機，力矩 電機輸出與目標(biāo)角誤差成比例的力矩作用給飛行系統(tǒng)，從而形成對目標(biāo)絕緣子的兩個自由 度跟蹤，并將跟蹤的結(jié)果及原始圖像通過通信模塊傳送給地面控制系統(tǒng)。這樣，能夠使飛行 機器設(shè)備準(zhǔn)確飛臨待測的目標(biāo)絕緣子上空，并與目標(biāo)絕緣子保持最佳測量距離。
參照附圖3，控制電路的核心處理器可選用DSPTMS320LFM07芯片。該芯片具有 強大的處理能力和豐富的外設(shè)功能，可以使視覺云臺控制器的設(shè)計變得簡單而實用?？刂?電路由四個單元組成姿態(tài)測量單元，電機控制單元，攝像機控制單元和通訊單元。姿態(tài)測 量單元利用微機械陀螺儀測量攝像機在慣性空間的角速度輸出電壓信號，經(jīng)DSP的AD采集 通道進入DSP，計算后可獲得云臺在慣性空間三維姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)，為上位機和電機控制提供決 策數(shù)據(jù)。電機控制單元根據(jù)姿態(tài)測量單元的數(shù)據(jù)和上位機命令，產(chǎn)生PWM脈沖，控制電機的 轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。攝像機控制單元通過I/O產(chǎn)生一定占空比的方波信號，控制攝像頭的焦距等 狀態(tài)參數(shù)。通訊單元采用SCI串口通訊接口，向上位機傳輸電機的姿態(tài)、轉(zhuǎn)角等各種狀態(tài)參 數(shù)，同時接受上位機的相應(yīng)控制命令。以上所述上位機為地面控制系統(tǒng)。
本發(fā)明未述部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。
權(quán)利要求
1.基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，包括有飛行機器設(shè)備、地面控制 系統(tǒng)和通信模塊，飛行機器設(shè)備包括有飛行系統(tǒng)和控制處理裝置，其結(jié)構(gòu)要點在于，控制處 理裝置安裝在飛行系統(tǒng)上，其包括有圖像成像探測部件及圖像信號處理部件，圖像成像探 測部件包括依序電連接的成像裝置、轉(zhuǎn)換電路和采集電路，圖像信號處理部件包括有相互 連接的圖像預(yù)處理裝置和識別跟蹤處理裝置，采集電路的輸出端與圖像預(yù)處理裝置連接， 識別跟蹤處理裝置通過通信模塊與地面控制系統(tǒng)連接；成像裝置獲取目標(biāo)絕緣子的視頻圖像，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)信號，采集電路 采集該數(shù)字數(shù)據(jù)信號后發(fā)送給圖像預(yù)處理裝置；圖像預(yù)處理裝置接收到采集電路發(fā)送過來的信號后，將圖像進行灰度化處理，然后進 行中值濾波，將圖像平滑化，之后再進行直方圖均衡化處理，增強圖像對比度；識別跟蹤處理裝置包括有提取裝置、絕緣子運動行為數(shù)學(xué)模型、預(yù)測裝置、判斷處理裝 置；提取裝置對預(yù)處理過的圖像進行紋理特征提取，根據(jù)提取的目標(biāo)絕緣子的紋理特征對 絕緣子進行檢測；獲取絕緣子運動區(qū)域的數(shù)據(jù)，根據(jù)絕緣子運動行為數(shù)學(xué)模型對目標(biāo)絕緣 子進行跟蹤，預(yù)測裝置根據(jù)數(shù)學(xué)模型的設(shè)置要求對人體重心在下一幀圖案進行預(yù)測，判斷 處理裝置接收下一幀圖像，并判斷預(yù)測得到的人體重心是否落在下一幀圖像檢測到的絕緣 子的跟蹤窗口內(nèi)，如果是，則認定上一幀中的絕緣子和下一幀的絕緣子相匹配，之后根據(jù)新 得到的測量值對系統(tǒng)狀態(tài)進行跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，其特征在 于，控制處理裝置還包括有伺服控制部件，其包括控制電路和力矩電機，控制電路的輸出端 與力矩電機的輸入端連接，控制電路的信號接收端與圖像信號處理部件連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，其特征在 于，伺服控制部件還包括有速率陀螺儀，其與控制電路的輸出端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，其特征在 于，通信模塊包括有無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)，識別跟蹤處理裝置 的數(shù)據(jù)輸出端通過無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)連接，地面控制系統(tǒng)的控制端通 過無線數(shù)字指令收發(fā)系統(tǒng)與飛行系統(tǒng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，其特征在 于，圖像成像探測部件中的成像裝置為一種CCD攝像機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，其特征在 于，識別跟蹤處理裝置以現(xiàn)場可編程門陣列和高速數(shù)字信號處理器為硬件平臺。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)中絕緣子監(jiān)測裝置，特別是一種基于運動背景的絕緣子實時目標(biāo)識別和跟蹤裝置，包括有飛行機器設(shè)備、地面控制系統(tǒng)和通信模塊，飛行機器設(shè)備包括有飛行系統(tǒng)和控制處理裝置，其結(jié)構(gòu)要點在于，控制處理裝置安裝在飛行系統(tǒng)上，其包括有圖像成像探測部件及圖像信號處理部件。本發(fā)明將目標(biāo)絕緣子探測得到的圖像的處理安裝在飛行機器設(shè)備上，實現(xiàn)基于運動分析的絕緣子檢測只在視頻窗口中的小區(qū)域內(nèi)進行檢測，大大減小了通信傳輸時間，提高算法運行速度，另外，準(zhǔn)確的跟蹤減小了對目標(biāo)絕緣子的搜索范圍，使得絕緣子的檢測與人體跟蹤幾乎是同步進行，達到了準(zhǔn)確跟蹤絕緣子的目的，保證了檢測絕緣子的準(zhǔn)確度和精度。
文檔編號G06T7/20GK102034244SQ201010576500
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者李衛(wèi)國, 李超英, 林韓, 王世坤, 鄧開清, 黃鋒 申請人:福建省電力有限公司廈門電業(yè)局