輸電線路遠距離測量技術(shù)研究

李金哲

摘要：針對目標物間距-尺寸的遠距離測量，為了提高巡檢效率，研制遠距目標尺寸測量系統(tǒng)。系統(tǒng)基于激光測距技術(shù)和圖像處理技術(shù)，通過高清相機與激光測距儀獲取目標物的像素點信息，由小孔成像原理推導(dǎo)尺寸計算公式得出目標物尺寸。系統(tǒng)框架采用便攜式設(shè)計，通過無線數(shù)傳模塊使其具有遠距離無線控制功能，可應(yīng)用于車載及無人機等巡檢平臺。測量系統(tǒng)分別對室外52m、89m、132m三個距離處的目標進行驗證測試，系統(tǒng)測量的尺寸誤差分別為1.9%，2.2%，2.9%，試驗結(jié)果驗證系統(tǒng)在高壓輸電線路的巡檢及其他遠距離目標測量應(yīng)用中能保證較高的測量精度。

關(guān)鍵詞：遠距目標;激光測距技術(shù);圖像處理;尺寸測量;

引言

目前，高壓輸電線路安全走廊通道的巡檢與維護主要采用地面人工巡檢和直升機巡檢[1-2]。人工巡檢勞動強度大，巡檢工作主要在地面進行，對于空中高壓輸電線路與樹木頂端的距離判斷偏差較大，且因視線遮擋極易產(chǎn)生巡檢盲區(qū)，森林疾病及野生動物也給巡視人員帶來安全隱患。直升機巡檢存在飛行安全隱患且巡線成本高，且因沒有合適的遠距目標尺寸測量機載設(shè)備，只能通過巡檢圖像大致估計高壓輸電線路與樹木之間距離，限制了直升機巡檢推廣。

近年來激光測距技術(shù)和圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標物尺寸測量測繪[3-4]。為了提高巡檢效率，提供更加安全可靠的巡檢方式，本文基于激光測距技術(shù)和圖像處理技術(shù)研制了遠距離目標尺寸測量系統(tǒng)，可應(yīng)用于車載及無人機巡檢。本文設(shè)計的遠距離目標尺寸測量系統(tǒng)（以下簡稱“DMSRT”）則避免了目標物過小造成的瞄準困難，測量示意圖見圖1，采取了將激光照射在面積更大的區(qū)域獲得距離信息，待測目標尺寸置于相機視場中完成拍照，隨后完成測量計算。

1間距-尺寸測量原理

間距-尺寸測量算法基于小孔成像原理[5]推導(dǎo)得出，計算中需要獲得清晰圖像中的目標尺寸所占像素點個數(shù)，DMSRT使用兩臺激光測距儀發(fā)出兩束平行激光形成參考點，高清相機采集視場中目標圖像并獲得目標尺寸的像素點個數(shù)，通過像素比例推算輸電線路和目標（如樹木）之間的間距和尺寸。

1.1垂直間距測量

式中：分別為圖像中待測的垂直像素間距和兩激光點像素間距;s、d分別為實際的垂直間距和兩激光點的間距;是垂直間距在焦平面上的投影尺寸，θ為系統(tǒng)的俯仰角，垂直間距測量原理圖如圖2所示。

1.2尺寸測量

式中：h為待測的目標尺寸，h′為待測目標h所占像素個數(shù)，d為兩激光點的間距，d′為d所占像素個數(shù);l1、l2為激光測距儀的測量值，尺寸測量原理圖如圖3所示。

2硬件設(shè)計

根據(jù)測量原理，系統(tǒng)硬件主要由激光測距儀，高清相機，傾角傳感器組成，系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。其中，選用高分辨率高清相機，35mm等效焦距為28-100mm，光學(xué)放大倍率為3.6倍;激光測距儀的精度為1.5mm，測量范圍為250m;傾角傳感器的精度為±0.1°，測量范圍為±90°。激光測距儀和傾角傳感器通過RS232接口與PC控制端通信。

考慮到自動測量系統(tǒng)要滿足能掛載在無人上的功能需求，所以設(shè)備殼體材料選用碳纖維，內(nèi)部鋁型材支撐，外形尺寸130*155*200，系統(tǒng)裝置總重量為4kg。在無人機模式中，串口通信以及高清相機通過數(shù)傳模塊實現(xiàn)遠距離通信。

3軟件設(shè)計

3.1 激光位置標定

由于激光光點在遠距離處較難被相機捕捉到，為了在所需要將激光光點位置在相機預(yù)覽窗口中指示并最終保存在圖像結(jié)果中。通過標定像素點個數(shù)d'、焦距位置F和目標距離L之間的關(guān)系完成激光點的跟蹤。具體標定方式如下。

系統(tǒng)使用的相機可以標記當前焦距位置并返回數(shù)值F，F(xiàn)數(shù)值變化范圍0～100。兩臺激光測距儀相對于相機中心對稱布置，激光測距儀之間的安裝距離d=126mm，尺寸d在圖像中所占像素點個數(shù)d′隨著目標物距離L以及相機的焦距位置F變化而不同。通過測試可以發(fā)現(xiàn)，若目標物距離L不變，d′與焦距位置F不完全成線形關(guān)系，若焦距位置F不變，d′與目標物距離L成線形關(guān)系。則像素點數(shù)d'可以通過式x求出。

其中，N10F是標定表中F焦距處像素點數(shù)，L是目標物距離。

3.2軟件操作

相機預(yù)覽窗口中，激光點的位置通過兩個紅色矩形框指示出。通過矩形框，控制裝置的俯仰和方位，直到在目標區(qū)域返回距離值L。在拍照的同時，激光點的位置寫入到圖片文件中。系統(tǒng)控制軟件界面見圖5.

4自動測量系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)果分析

該自動測量系統(tǒng)在經(jīng)過室內(nèi)標定測試后，超高壓走廊線路進行了實用性檢驗，分別進行了52m，89m，135m三檔距離的測試。結(jié)果見表1。

系統(tǒng)的測量誤差主要來自相機與傳感器的安裝誤差，標定時所產(chǎn)生的測量誤差以及相機成像的穩(wěn)定性。受到外界光照條件的變化，相機在成像質(zhì)量上可能會出現(xiàn)質(zhì)量下降的現(xiàn)象，從而造成像素點數(shù)的變化，從式中可知，當距離逐漸增大，像素點上的誤差對精度的影響也將增大。但是從試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)成像質(zhì)量產(chǎn)生的誤差對系統(tǒng)的精度影響很小。3檔距離下的測試誤差分別為1.9%，2.2%，2.9%，系統(tǒng)在三組試驗中均保持了較高的測量精度。

5結(jié)論

遠距目標尺寸測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的遠距離尺寸測量。與現(xiàn)有的測量方式相比，其具有更高的測量效率。自動測量系統(tǒng)不需要精確指向目標點，只需在目標物附近找到大小合適的激光反射面即可，避免了在經(jīng)緯儀使用過程中需要精確調(diào)整鏡頭的操作。自動測量系統(tǒng)在完成相機拍照后，可保存包含距離、傾角數(shù)據(jù)的圖像文件，從而實現(xiàn)離線多目標測量和追溯功能，該系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域具有較大應(yīng)用價值。

參考文獻

[1]李曉舟，許金凱，于化東，孫之懷，劉巖.超高壓輸電線路巡線機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)仿真[J].長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，32（3）：377-380.

[2]許金凱，張立中，金珈成，王城鋼，曾奇.高寒區(qū)機載電力巡線光電穩(wěn)定吊艙系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，2012，31：200-208+237

[3]張少軍，艾矯健，李忠富，李長江，李慶利.利用數(shù)字圖像處理技術(shù)測量幾何尺寸[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2002，03：284-287.

[4]喬楊，徐熙平，盧常麗，劉宇龍，王繼源.機器視覺遠距離目標尺寸自動標定測量系統(tǒng)研究[J].兵工學(xué)報，2012，06：759-763.

[5]韓延祥，張志勝，戴敏.用于目標測距的單目視覺測量方法[J].光學(xué)精密工程，2011，05：1110