一种基于计算机视觉的输电铁塔全自由度位移监测系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于计算机视觉的输电铁塔位移监测系统，包括：图像采集模块，图像识别模块和图像处理模块；所述图像采集模块布置在输电铁塔上；所述图像采集模块包括光学成像模块，所述光学成像模块的CMOS与输电铁塔的高度满足下列关系：1/M＝Re/H，其中，M为CMOS长边像元数量，和H为输电铁塔塔高，Re为单像素精度。本发明专利技术能够有效提高建筑物位移监测效率。本发明专利技术能够有效提高建筑物位移监测效率。本发明专利技术能够有效提高建筑物位移监测效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算机视觉的输电铁塔全自由度位移监测系统和方法


[0001]本专利技术属于输电设备领域，具体涉及一种基于计算机视觉的输电铁塔全自由度位移监测系统和方法。

技术介绍

[0002]铁塔是电力和通信网络的重要基础设施，包括高压输电线铁塔，通信基站铁塔等。随着我国电力、通信、高速铁路的发展，铁塔数量大幅增加，铁塔在电力输电线路与通信网络的覆盖中起到了桥梁架接的作用，铁塔的安全运行对于保持铁路行车同样具有重要的意义。铁塔通常为大型钢结构塔，长期在室外风力，雨水等情况下使用，甚至会受到极端天气，自然灾害，工程施工和人为破坏，造成对铁塔的腐蚀和损害，从而导致铁塔的摇摆和倾斜。目前，各国铁塔倾斜事故时有发生，致使输电线路和通信网络中断，严重的会引发塔体倒塌事件，造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，对结构使用期的性能进行监测和诊断、及时发现结构的损伤、对可能出现的灾害进行预警和评估结构的安全性等问题已经成为未来工程发展必然需要考虑的问题，也是结构位移监测发展的一个非常重要的领域。
[0003]对于大型建筑物，如何更加精准实时地进行动态观测是一个亟待解决的现实问题。例如，高层结构在风振和地震作用下位移，铁塔的水平横向震动和竖向震动位移，工程施工前和施工过程中的定位和监控，实验室和室外条件下的位移观测等。对于动态观测对象，它们的位移是随时间逐渐变化的，而且可能含有一定的规律，可以直接通过位移信息对待测物的安全性进行监测和评估。
[0004]传统的接触式测量位移具有成本高，精度低，测量难度大等局限性。随着图像识别技术的高速发展，采用光学模块采集图像信息并通过计算机进行图像处理成为测量位移更为有效的方式。运用此种非接触方式克服了手工测量的不足，同时具有较好的实时性，在铁塔的位移监测上具有更好的应用前景，更有可能成为未来诸如铁塔等大型建筑物位移监测的主流趋势。
[0005]非接触式测量包括用电容传感器和单片机组成的位移测量系统，光学仪器测量法。前者采用螺旋测微器作为位移激励源，经传感器感应出电容的变化量，再经调理电路转化为可测的电压信号。然后利用A/D转换器实现信号的采集，由单片机进行信号的处理和传输。最终在上位机实时显示，并进行线性拟合给出相关数据。优点是功率小，阻抗高，动态特性好，精度较高。但是由于采用了电容传感器，对测量环境的温湿度有较高要求，适用条件受限。后者包括全站仪法，激光干涉仪法。基本思路是在待测点固定反光镜，通过精密的光学仪器自动测量位置数据及动态位移信息。采用全站仪监测时需要耗时进行人工瞄准，响应速度不能满足结构振动观测，不适用于动态观测。而激光干涉仪虽然有着1微米或更高的分辨率，以及2000Hz及以上的采样速率，但是对于大型建筑如铁塔的监测，若晃动幅度大则难以捕捉到光点，且设备造价高昂，经济可行性低，不能满足一般的工程需要。

技术实现思路

[0006]因此，为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术提供一种基于计算机视觉的输电铁塔全自由度位移监测系统和方法，包括：
[0007]图像采集模块，图像识别模块和图像处理模块；
[0008]所述图像采集模块布置在输电铁塔上；
[0009]所述图像采集模块包括光学成像模块，所述光学成像模块的CMOS与输电铁塔的高度满足下列关系：
[0010]1/M＝Re/H
[0011]其中，M为CMOS长边像元数量，和H为输电铁塔塔高，Re为单像素精度。
[0012]进一步地，所述光学成像模块包括分辨率为3072
×
2048像素的6m相机。
[0013]进一步地，所述相机的靶面大小为1/1.8
″
，其3072像素的长度为7.2mm，2048像素的宽度为5.3mm。
[0014]进一步地，所述监测系统的测量距离u、输电铁塔视场大小H、相机的镜头焦距f和靶面高度h之间满足下面的关系：
[0015]h/H＝f/u。
[0016]进一步地，图像像素精度Re，测量距离u，相机的镜头焦距f之间满足下面的关系：Re＝2.34375u/f。
[0017]本专利技术还提供一种利用上述的监测系统进行输电铁塔位移的监测方法，包括：
[0018]利用图像采集模块的光学成像模块采集到清晰的图像；
[0019]对采集到的图像进行编码并传送至图像处理模块；
[0020]利用图像处理模块对图像进行处理；
[0021]通过图像识别模块，将图像处理得到的图像进行特征提取和分类；
[0022]定位图像中的识别标志物，通过识别标志物位移计算输电铁塔的结构位移。
[0023]进一步地，利用图像处理模块对图像进行处理包括：图像增强、图像锐化，以及特殊场合处理。
[0024]进一步地，所述特殊场合处理包括：
[0025]对于模糊天气情况，采取暗通道先验算法对图像进行去雾；对于暗光天气情况，采取Retinex算法对图像进行处理。
[0026]进一步地，对于识别标志物位移的时域信号进行滤波处理。
[0027]进一步地，通过时域平均或多采样点空间域平均，去除监测数据的噪声波动，以提高对偶然误差干扰的鲁棒性。
[0028]本专利技术有益效果如下：
[0029]采用非接触式测量方式，运用光学系统(CCD摄像头+红外模块)+计算机进行图像采集及识别，精度高，操作方便，速度快，动态范围大，信息量大。选用的CCD摄像头分辨率为800W，能够自动调焦，支持TCP/IP协议，快门速度可调节且范围较广，能够根据光强自动切换模式，在光强较弱时切换为红外模式，同时目标物上的待测点安装的红外模块检测到光强较低，控制红外发射器发射红外线，提高夜间，雾天或暗光情况下图像的清晰度。
[0030]在图像识别过程中，该平台能够根据外界条件变化自动选取合适的图像识别方案，分别运用轮廓检测+矩心算法与特征点算法来进行图像识别，同时在图像特征提取时缩
短搜索时间，具有更高的效率。
[0031]经过测试，所开发的位移监测系统像素分辨率在单个像素之内，达到了2cm，满足实时精确监测的要求。
附图说明
[0032]图1为本专利技术一个实施例中的位移监测系统相机成像光路示意图；
[0033]图2为本专利技术一个实施例中通过Canny边缘检测算法进行像素点梯度方向分割的示意图；
[0034]图3为本专利技术一个实施例中计算位移的位移视差法示意图。
具体实施方式
[0035]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。
[0036]目前对铁塔的位移监测分为接触式测量和非接触式测量。近年来，非接触式测量由于精度高、操作简便、实时性强得到广泛应用。本文选用光学系统+计算机非接触式测量方式。目前，非接触式测量可通过细分定位方法(基于灰度、基于边缘)，位移视差法，质心比对法等来对位移进行测算。为了提高不同天气情况下的适应性，本文根据光强大小分两种方案：质心法和视差法分别计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机视觉的输电铁塔全自由度位移监测系统，其特征在于，包括：图像采集模块，图像识别模块和图像处理模块；所述图像采集模块布置在输电铁塔上；所述图像采集模块包括光学成像模块，所述光学成像模块的CMOS与输电铁塔的高度满足下列关系：1/M＝Re/H其中，M为CMOS长边像元数量，和H为输电铁塔塔高，Re为单像素精度。2.如权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述光学成像模块包括分辨率为3072
×
2048像素的6m相机。3.如权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述相机的靶面大小为1/1.8
″
，其3072像素的长度为7.2mm，2048像素的宽度为5.3mm。4.如权利要求2所述的监测系统，其特征在于，所述监测系统的测量距离u、输电铁塔视场大小H、相机的镜头焦距f和靶面高度h之间满足下面的关系：h/H＝f/u。5.如权利要求4所述的监测系统，其特征在于，图像像素精度Re，测量距离u，相机的镜头焦距f之间满足下面的关系：Re＝2.34...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵腾飞，舒邦京，刘强，郑法伟，马超，周大炎，崔洋，马星，胡昕，滕松，
申请(专利权)人：徐州送变电有限公司，
类型：发明
国别省市：