一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法技术

本发明专利技术公开了一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，属于数字图像识别领域，目的在于帮助电力巡检与维护机器人在检测到线路缺陷后，确定缺陷位置。检测顺序如下：(1)线路缺陷的识别；(2)获取线路缺陷到相机光心的直线数学表达；(3)获取输电线路的数学表达；(4)结合缺陷的几何特征计算其位置。本发明专利技术将数字图像处理技术引入到线路缺陷诊断中，利用电力巡检与维护机器人采集的缺陷图像信息自动识别出线路缺陷位置。为提升机器人化线路检修水平提供了支撑。

A visual computing method for defect location of transmission lines

The invention discloses a transmission line defect location visual calculation method, which belongs to the field of digital image recognition, the purpose is to help the power inspection and maintenance robot to line defects in the post test, to determine the position of defect. The test sequence is as follows: (1) identification line defects; (2) the expression of straight line defect to obtain mathematical camera optical center; (3) the expression for transmission line mathematics; (4) to calculate the position according to the geometrical characteristics of defects. The invention introduces the digital image processing technology into the line defect diagnosis, and automatically identifies the defect position of the line by utilizing the defect image information collected by the power patrol and maintenance robot. It provides the support for improving the level of robot line maintenance.

【技术实现步骤摘要】
一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法
本专利技术属于数字图像识别领域，具体涉及一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法。
技术介绍
我国220kV及以上输电线路作为跨区、跨省、省内骨干电网，需要定期巡视维护。目前，这项工作主要由通过人工方式进行。由输电线路工人通过望远镜在地面对线路进行观察，必要时工人还要登塔走线以实现对线路的近距离检测，当发现输电线路故障时，输电线路工人会采用滑车、走线、骑线等方式接近作业目标点，完成维护作业。人工巡检与维护存在劳动强度大、准确性低、维护成本高等缺点，随着自动化技术的不断发展，机器人被逐渐开发研究用于替代人工完成巡检与维护工作。输电线路的缺陷与金具检测是进行机器人化巡检与维护的重要关键技术，目前国内外已经有针对断股、防振锤等方面的研究[谭磊,王耀南,沈春生等.输电线路除冰机器人障碍视觉检测识别算法.仪器仪表学报,2011,32(11):2564-2571.]。目前对于输电线目标定位的研究主要集中在线路定位[王聪,孙炜.高压输电线路除冰机器人抓线运动控制[J].机械工程学报,2011,47(9):8-15.]，但是如何快速准确的对缺陷进行定位，相应的研究并不多。
技术实现思路
为了便于机器人在发现线路缺陷后开展对应的维护作业，提高线路巡检与维护的治疗，本专利技术要解决的技术问题是提供一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，用于对输电线缺陷进行自主定位。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，包括以下步骤：线路缺陷的识别：检测电力巡检与维护机器人获得的图像中是否存在缺陷，如果存在缺陷，给出缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)；缺陷到光心直线表达的计算：利用世界坐标系与图像坐标间的关系，根据缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)反解出缺陷到相机光心直线l1在世界坐标系中的表达；输电线路直线表达的计算：根据机器人与线路间的位置约束，建立线路与相机之间的相对位置关系，获取输电线路l2在世界坐标系的直线表达；缺陷位置的计算：输电线路缺陷同时位于光心直线l1与输电线路l2上，利用坐标变换得到两直线在世界坐标系的表达，联立直线方程，获取直线交点的位置，即得到缺陷位置。所述世界坐标系与图像坐标间的关系为：其中，u0与v0分别为人为设定的图像坐标系原点坐标，ax与ay为图像坐标系轴上的尺度因子，以上四个参数均为相机的内部参数，s为一比例因子，是由世界坐标系到图像坐标系的变换矩阵，[XwYwZw]T是成像点在世界坐标系中的坐标，M是世界坐标系到图像坐标系的变换矩阵。所述缺陷到相机光心直线l1的表达：其中，[XwYwZw]T是成像点在世界坐标系中的坐标，为任意实数，为世界坐标系中OCP方向矢量，为世界坐标系中OCP上一点。所述机器人与线路间的位置约束，包括：机器人驱动轮位于输电线路上方；相机安装在机器人驱动轮下方垂直距离H处；在稳定状态下，相机的光心在世界坐标系的x方向坐标为0。所述输电线路直线表达的计算，包括以下步骤：计算输电线路l2在相机坐标系OCXYZ中的方程：XC＝0其中，βC为相机仰角参数；H为机器人臂长参数，均为已知参数；[XCYCZC]T是输电线路l2上点在相机坐标系中的表达；利用相机坐标系与世界坐标系的转换关系，获得输电线路P′P在世界坐标系的直线表达：其中，kP′P为任意实数；为世界坐标系中P′P方向矢量；为世界坐标系中P′P上一点，[XwYwZw]T是成像点在世界坐标系中的坐标。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术可以利用缺陷在图像坐标系中的位置快速准确的计算出缺陷在世界坐标系中的位置，有利于指导机器人进行缺陷的维护与检修。2.本专利技术适用于基于机器人巡检图像的线路缺陷的位置计算，算法对于缺陷的种类及缺陷在图像中的位置没有特定的要求，能够较为准确的将缺陷在图像中的位置转化为空间实际位置，体现了算法的鲁棒性与普适性。3.本专利技术利用了缺陷同时位于过相机光心直线与线路导线的几何特征求取缺陷位置，原理简单可靠，使算法具有运算量小、耗时少、误差小等优点。4.本专利技术已采用现场图片进行了试验，试验结果表明，采用本专利技术可以准确完成线路缺陷的计算，利用检测结果可以记录故障信息，指导机器人进行故障修复。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是电力巡检与维护机器人作业示意图；图3是缺陷位置计算原理图；图4是缺陷位置从图像坐标系到世界坐标系转换示意图；具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术通过分析电力巡检与维护机器人所采集的缺陷图像中线路缺陷所具备的位置约束，采用几何方法将缺陷在图像中的位置转化到世界坐标系中，为机器人开展检修任务提供缺陷的位置信息。提高线路巡检与维护的质量，本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案如图1所示，包括以下步骤：(1)线路缺陷的识别：基于电力巡检与维护机器人获得的图像信息，如图2所示，采用计算机视觉方法检测图像中是否存在缺陷，如果存在缺陷，给出缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)。根据缺陷检测需求，应用对应的缺陷检测算法，检测算法需要返回缺陷在图像坐标系的位置(up，vp)。(2)缺陷到光心直线表达的计算：如图3所示，根据图像的成像原理，在已知缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)时，利用世界坐标系与图像坐标间的关系：其中，u0与v0分别为人为设定的图像坐标系原点坐标，ax与ay为图像坐标系轴上的尺度因子，以上四个参数均为相机的内部参数，s为一比例因子，是由世界坐标系到图像坐标系的变换矩阵。[XwYwZw]T是成像点在世界坐标系中的坐标。通过反解，可以得到相机光心到缺陷直线OCP的表达：其中，为任意实数；为世界坐标系中OCP方向矢量；为世界坐标系中OCP上一点。(3)输电线路直线表达的计算：如图3所示，机器人驱动轮始终位于输电线路上方，相机安装在机器人驱动轮下方垂直距离H处，机器人在稳定状态下相机的光心在世界坐标系的X方向坐标为0。根据以上位置约束，可以得到线路P′P在相机坐标系OCXYZ中的方程：XC＝0其中，βC为相机仰角参数；H为机器人臂长参数，均为已知参数。在此基础上，利用相机坐标系与世界坐标系的转换关系，获得输电线路P′P的直线表达：其中，kP′P为任意实数；为世界坐标系中P′P方向矢量；为世界坐标系中P′P上一点。(4)缺陷位置的计算：输电线路缺陷同时位于直线OCP与P′P上，联立直线方程，获取直线交点的位置，就可以得到缺陷位置在世界坐标系的位置，获得缺陷在图像坐标系与世界坐标系之间的关系，如图4所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，其特征在于，包括以下步骤：线路缺陷的识别：检测电力巡检与维护机器人获得的图像中是否存在缺陷，如果存在缺陷，给出缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)；缺陷到光心直线表达的计算：利用世界坐标系与图像坐标间的关系，根据缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)反解出缺陷到相机光心直线l1在世界坐标系中的表达；输电线路直线表达的计算：根据机器人与线路间的位置约束，建立线路与相机之间的相对位置关系，获取输电线路l2在世界坐标系的直线表达；缺陷位置的计算：输电线路缺陷同时位于光心直线l1与输电线路l2上，利用坐标变换得到两直线在世界坐标系的表达，联立直线方程，获取直线交点的位置，即得到缺陷位置。

【技术特征摘要】
1.一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，其特征在于，包括以下步骤：线路缺陷的识别：检测电力巡检与维护机器人获得的图像中是否存在缺陷，如果存在缺陷，给出缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)；缺陷到光心直线表达的计算：利用世界坐标系与图像坐标间的关系，根据缺陷在图像坐标系中的位置(up，vp)反解出缺陷到相机光心直线l1在世界坐标系中的表达；输电线路直线表达的计算：根据机器人与线路间的位置约束，建立线路与相机之间的相对位置关系，获取输电线路l2在世界坐标系的直线表达；缺陷位置的计算：输电线路缺陷同时位于光心直线l1与输电线路l2上，利用坐标变换得到两直线在世界坐标系的表达，联立直线方程，获取直线交点的位置，即得到缺陷位置。2.根据权利要求1所述的一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，其特征在于，所述世界坐标系与图像坐标间的关系为：其中，u0与v0分别为人为设定的图像坐标系原点坐标，ax与ay为图像坐标系轴上的尺度因子，以上四个参数均为相机的内部参数，s为一比例因子，是由世界坐标系到图像坐标系的变换矩阵，[XwYwZw]T是成像点在世界坐标系中的坐标，M是世界坐标系到图像坐标系的变换矩阵。3.根据权利要求1所述的一种输电线路缺陷位置的视觉计算方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧刚，宋屹峰，李裴明，王洪光，赵彦平，姜勇，王峰，孙鹏，张勇，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，国网山西省电力公司检修分公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21