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基于机器视觉和激光测距的输电线故障定位

更新时间：2019-12-25 15:08:52 大小：2M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：机器视觉激光测距 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

结合定位技术和激光测距技术,提出了一种基于机器视觉的电力巡线故障定位新方法.通过无人机搭载可见光相机进行巡线拍摄,将航拍图像实时传回地面站进行处理.采用数学形态学的图像处理方法和模式识别方法进行故障检测与识别.通过惯性测量系统进行初步定位,得到无人机的经纬度坐标.利用无人机机载激光测距模块,测量故障点到无人机的距离来修正坐标.最后,经过空间大地坐标系和空间直角坐标系的变换,以及两个空间直角坐标系的基准转换,计算出了故障点的准确位置,并且很大程度地提高了定位的准确性,其空间直角坐标测量精度可达0.11m.


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（ ）  
同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版  
第
卷第  
期
４６  
１２  
Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．１２  
ꢀ
（
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ  
ꢀ
）
年
２０１８ １２  
月
Ｄｅｃ．２０１８  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
：
（ ）  
０２５３３７４Ｘ２０１８１２１７４５０９  
－
：
ＤＯＩ１０．１１９０８ ．ｉｓｓｎ．０２５３３７４ｘ．２０１８．１２．０１８  
－
／
文章编号  
－
－
ꢀ
ｊ
基于机器视觉和激光测距的输电线故障定位  
１
１
２
３
， ， ，  
金立军 王 恒 王文华 闫书佳  
ꢀ
（ ，  
同济大学 电子与信息工程学院 上海  
１．  
；
２０１８０４  
，
国家电网浙江省电力公司嘉兴供电公司 浙江 嘉兴  
２．  
； ，  
上海工程技术大学 上海  
３１４０００ ３．  
）
２０１８００  
： ，  
摘要 结合定位技术和激光测距技术 提出了一种基于机器  
ｌｏｎｉｔｕｄｅａｎｄｌａｔｉｔｕｄｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
视觉的电力巡线故障定位新方法 通过无人机搭载可见光相  
．
ｂ ｕｓｉｎ ｔｈｅｉｎｅｒｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｔｅｍ．Ａｎａｉｒｂｏｒｎｅｌａｓｅｒ  
ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ ꢀ  
ｇ
ｙ
ꢀ
ꢀ
，
机进行巡线拍摄 将航拍图像实时传 回 地 面 站 进 行 处 理 采  
．
ｒａｎｉｎ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｒｒｅｃｔ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｂ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｙ
ꢀ
ꢀ
ｇ ｇ  
ꢀ
ｍｅａｓｕｒｉｎ ｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｆａｕｌｔ ｏｉｎｔｔｏｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
用数学形态学的图像处理方法和模式识别方法 进 行 故 障 检  
ｇ
ꢀ
，
ａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ．Ｆｉｎａｌｌ ａｃｃｕｒａｔｅ ｏｓｉｔｉｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｆａｕｌｔ  
ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｙ
，
测与识别 通过惯性测量系统进行初 步 定 位 得 到 无 人 机 的  
．
ｏｉｎｔｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｆｔｅｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｐ
，
经纬度坐标 利用无人机机载激光测 距 模 块 测 量 故 障 点 到  
．
ｔｈｅｓａｃｅ ｅｏｄｅｔｉｃａｎｄｓａｃｅｒｅｃｔａｎｕｌａｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍａｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｙ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ｐ
ｇ
，
无人机的距离来修正坐标 最后 经过 空 间 大 地 坐 标 系 和 空  
．
ｗｅｌｌ ａｓ ｄａｔｕｍ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｒｅｃｔａｎｕｌａｒ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｇ
，
间直角坐标 系 的 变 换 以 及 两 个 空 间 直 角 坐 标 系 的 基 准 转  
ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｏｓｉｔｉｏｎｉｎ ａｃｃｕｒａｃ ｈａｓｂｅｅｎ ｒｅａｔｌ  
ꢀ
ｙ
ꢀ
ｙ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｇ
ｇ
ꢀ
ｙ
ꢀ
， ，  
换 计算出了故障点的准确位置 并且 很 大 程 度 地 提 高 了 定  
ｉｍ ｒｏｖｅｄａｎｄｔｈｅｓａｃｅｒｅｃｔａｎｕｌａｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｐ
ｐ
ｇ
，
位的准确性 其空间直角坐标测量精度可达  
０．１１ｍ．  
ａｃｃｕｒａｃ ｃａｎｂｅａｓｈｉｈａｓ０．１１ｍ．  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ｙ
ꢀ
：
；
；
；
；
关键词 机器视觉 激光测距 输电线路 图像 处 理 故 障  
定位  
中图分类号  
：
；
；
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ ｌａｓｅｒ ｒａｎｉｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  
ｇ ｇ  
ꢀ
ꢀ
ｙ
ꢀ
；
；
ｌｉｎｅ ｉｍａｅ ｒｏｃｅｓｓｉｎ ｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎ  
ｇ
ꢀ
ꢀ
ｇ ｐ  
：
：
Ａ
文献标志码  
ＴＭ８１  
ꢀ
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｆａｕｌｔ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
， 、  
无人机航拍巡线时 当发现绝缘子掉片 间隔棒  
ꢀꢀ  
ＭａｃｈｉｎｅＶｉｓｉｏｎａｎｄＬａｓｅｒＲａｎｉｎ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ ｇ  
、 ，  
断裂 导线悬挂异物等外绝缘缺陷或故障 需要对故  
，
障点进行准确定位 便于检修人员迅速找到故障点  
１
１
２
３
．
，
， ，  
ＷＡＮＧ Ｗｅｎｈｕａ ＹＡＮＳｈｕｉａ  
ꢀ ꢀ  
ｊ
ＪＩＮＬｉｕｎ  
ꢀ
ｊ
ＷＡＮＧＨｅｎ  
ꢀ
ｇ
、
传统电力故障定位方法常用电流 电压等故障信息  
，
（
，
Ｔｏｎ ｉ  
ｇｊ  
１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ  
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
，
，
；
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｓｈａｎｈａｉ ２０１８０４ Ｃｈｉｎａ ２．Ｊｉａｘｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕ ｌ  
ｐｐｙ  
，
在线路端点处测量故障距离 如阻抗法和行波法 阻  
．
ｙ
ｇ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
，
，
，
Ｃｏｍ ａｎ Ｚｈｅｉａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍ ａｎ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｊｉａｘｉｎ  
ｐ ｙ ｐ ｙ ｇ  
ｊ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
抗法主要基于均匀线的故障回路阻抗与测量点到故  
， ；  
３１４０００ Ｃｈｉｎａ ３．Ｓｈａｎｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏｆ Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ  
ꢀ
，
ｇ
ꢀ
ｙ
ꢀ
ｇ
ｇ
ꢀ
［
］
１２  
－
，
障点的距离成正比这一原理 来进行故障测距  
．
，
Ｓｈａｎｈａｉ２０１８００ Ｃｈｉｎａ  
ꢀ
）
ｇ
， ，  
阻抗法假设导线电阻均匀 实际中测量误差较大 适  
合于结构简单的线路 行波法利用故障行波到达线  
．
：
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｏｓｉｔｉｏｎｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏ ａｎｄｌａｓｅｒ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ｇ
ꢀ
ｇｙ  
ꢀ
［
］
３４  
－
，
路两端的时间差来计算故障距离  
行波法需要在  
．
ｒａｎｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏ  
ｇ ｇ ｇｙ  
ꢀ
ａｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎｉｓ ｒｏｏｓｅｄｂ ｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｙ
，
线路测量端用专门的设备捕捉暂态行波信号 识别  
ｐ ｐ  
ꢀ
ａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｃａｒｒｉｅｓａｖｉｓｉｂｌｅｌｉｈｔｃａｍｅｒａｆｏｒｓｈｏｏｔｉｎ ｗｏｒｋ  
ꢀ ꢀ ꢀꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ｇ
ꢀ
，
故障行波准确度不高 此外 传统的电力故障定位方  
．
ｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ．Ｔｈｅａｅｒｉａｌｉｍａｅｓａｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｂａｃｋ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
［
］
ｇ
５６  
－
、 ，  
适用于电压 电流出现突变的状态 无法识别  
法
ｔｏｔｈｅ ｒｏｕｎｄｓｔａｔｉｏｎｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒ ｒｏｃｅｓｓｉｎ ．Ｔｈｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ
和定位非电参数所致的故障  
．
ｉｍａｅ ｒｏｃｅｓｓｉｎ ａｎｄ ａｔｔｅｒｎｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅａｄｏｔｅｄ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ｇ ｐ  
ꢀ
ｐ
ｇ
ꢀ
ｇ
，
由于电力巡线环境的特殊性 输电线周围强电  
，
ｔｏｄｅｔｅｃｔａｎｄｒｅｃｏｎｉｚｅｆａｕｌｔｓｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ ｗｈｅｒｅｔｈｅ  
ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
（ ）  
全球定位系统 信  
ＧＰＳ  
磁干扰会影响无人机对外部  
ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｒｈｏｌｏ ａｌｏｒｉｔｈｍｓ ａｒｅ ａ ｌｉｅｄｉｎ ｉｍａｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐｐ  
ꢀ
ꢀ
ｐ
ｇｙ  
ꢀ
ｇ
ｇ
，
号的接收 因此首先要实现无人机自身的准确定位  
，
ｒｏｃｅｓｓｉｎ ．Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｏｓｉｔｉｏｎｉｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ｇ
ｐ
ｇ
ꢀ
：
收稿日期  
２０１８ ０４ １６  
ꢀ ꢀ  
：
基金项目 国家自然科学基金  
（
）；  
中央高校基本科研业务费专项资金  
（
）
５１５７７１３５  
２２１２０１７００６５  
：
第一作者 金立军  
（
—），  
， ， ， ，  
男 教授 博士生导师 工学博士 主要研究方向为电力设备故障诊断及高电压技术  
．
１９６４  
：
Ｅ ｍａｉｌｉｎｌ ｔｏｎ ｉ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ｊ ｊ＠ ｇｊ  
－
：
王
（
１９９４  
—）， ， ，  
男 硕士生 主要研究方向为无人机巡线及电力设备故障诊断  
．Ｅ ｍａｉｌ ８１９０４６３４２  
＠ｑｑ  
：
通信作者  
恒
．ｃｏｍ  
ꢀ
－
（
同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版  
）
第
卷
４６  
ꢀ
ꢀꢀꢀ  
·
１７４６  
·
，
不能超过规定的安全距离 应保证飞行的安全性 此  
．
，
外 高质量图像的拍摄也需无人机稳定悬停来减少  
［］  
７
，
抖动  
并针对不同拍摄设备制定合理的拍摄距离  
．
，
对于可见光相机 数米的拍摄距离变化对图像清晰  
；
度影响不明显 而红外和紫外相机则对拍摄距离很  
， ，  
敏感 数米的拍摄距离误差会导致成像模糊 难以进  
行故障识别 虽然目前市场上存在很多把 与激  
ＧＰＳ  
蓝牙连接激  
．
，
光测距仪合二为一的产品 如手持  
ＧＰＳ  
， ， （ 、  
光测距仪 但受限于手持 对于复杂地貌 如山丘 沟  
） ，  
壑 不易操作 且无人机机载产品尚处于研发阶段  
．
，
因此 本文提出了一种替代外部  
信号进行无人  
ＧＰＳ  
，
机定位的方案 增加了飞行安全性并有助于拍摄清  
，
晰图像 提高了故障识别的准确性  
．
基于机器视觉和激光测距的输电线故障定位方  
， ，  
法 可借助无人机搭载可见光相机进行航拍 利用图  
，
像处理技术识别故障 再结合定位技术和激光测距  
技术对故障点进行精准定位 该方法可识别非电参  
．
， ，  
数所致故障 在故障早期进行识别和定位 并及时告  
，
知维修人员故障所在的准确位置 以便对潜在威胁  
， ，  
进行排除 避免故障扩大 同时 该方法适用于复杂  
．
，
地形下的故障定位 理论上对于距离较近的多个故  
障点也有很好的区分定位效果 本文以输电线间隔  
．
图
巡线故障定位流程  
１
ꢀ
Ｆｉ ．１ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
，
棒断裂故障为例 进行故障识别和定位  
．
无人机定位  
１．２  
ꢀ
考虑到输电线周围的强电磁干扰可能造成无人  
故障定位  
１
ꢀ
，
信号不稳 导致飞行安全隐患和悬停  
机自带的  
ＧＰＳ  
，
拍摄时抖动降低图像质量 因此需要一套备用或替  
故障定位流程  
１．１  
ꢀ
，
定位功能 结合地面站监  
代方案来实现无人机机身准确定位 传统的  
．
定
ＧＰＳ  
无人机自身带有  
ＧＰＳ  
，
位依赖于外部卫星信号 很容易受到干扰产生偏差  
，
控软件 可粗略测量和读出无人机所处的经纬度坐  
， ，  
标和高程坐标 但定位精度不高 经纬度有效值只达  
甚至错误 本文一方面结合电力部门提供的杆塔地  
．
，
理坐标和激光测距进行机身定位 另一方面通过无  
，
到小数点后 位 换算为空间距离约为  
４
而相邻  
１０ｍ．  
（ ）  
惯性测量单元 获取陀螺仪和加速度计  
ＩＭＵ  
，
两个杆塔之间的输电线路上 一般会有多个间隔棒  
，
人机  
，
的相关数据并进行解算 仅依靠内部信号来实现定  
，
如
ｍ
其间距只有几  
输电线路的四分裂导线  
５００ｋＶ  
， ，  
位 此外 实验采用的六旋翼无人机 相比于无人直  
．
两个间隔棒之间距离为  
只依靠  
５．５ｍ．  
定位范  
ＧＰＳ  
，
升机 也可以提高飞行和拍摄的稳定性 无人机机身  
．
，
围太大 无法区分相邻多个间隔棒中的故障点位置  
．
， ，  
此外 巡线时无人机与线路相距数米拍摄 这就导  
定位方案如图 所示  
２
．
激光测距测量无人机机身到已知坐标的杆塔的  
致无人机机身坐标并非故障实际所在位置 因此需  
．
；
距离 陀螺仪测量相对于惯性坐标系 个正交方向  
３
，
要结合机载激光测距模块 先准确测量出无人机机  
； ，  
的角度变化 加速度计测量 个方向的加速度 通过  
３
， ，  
身位置 再对无人机机身坐标进行修正 从而得到故  
，
障点坐标 在修正坐标前 需先把经纬度坐标转换为  
．
对时间进行两次积分得到空间位置偏移量  
．
， ，  
空间直角坐标 这就涉及到坐标基准转换 最后 通  
．
激光测距  
１．３  
ꢀ
，
通过测距来提高定位的精度 常用的机载测距  
过坐标反变换便可以得到高精度的经纬度坐标和高  
、 ，  
方式有红外测距 超声波测距和激光测距 它们的优  
， 、 、  
表
ｘ ｚ  
ｙ
度坐标 故障定位流程如图 所示 图中  
． １ ．  
； 、 、  
Ｂ Ｌ Ｈ  
缺点如表 所示 考虑到无人 机 飞 行会 受 输 电线周  
１ ．  
示直角坐标  
表示经纬度坐标  
．

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