基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法
2023-06-12 00:45:36 4
專利名稱：基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法
技術領域：
本發明涉及一種小型無人飛行器低空飛行控制技術，尤其是一種低空飛行控制方法，具體地說是一種基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法。
背景技術：
眾所周知，小型無人飛行器低空飛行時容易與高壓電線碰撞而墜機事故的問題，為了解決這一問題，人們採用了多種方法和手續，以下是常用的解決方案:
1.Robert J Fontana，J F Larrick , Jeffrey E Cade , Eugene P Rivers Jr , AnUltra Wideband Synthetic Vision Sensor for Airborne Wire Detection , Proceedingsof SPIE (VoI 3364)，1998，2-10。使用超寬帶雷達，用極短的脈衝獲得較高的解析度，較寬的頻帶也能夠探測到更多的目標，抗幹擾性能也更好。缺點是由於脈衝能量小，作用距離有限。2.Kazuo Yamamoto, Kimio Ya mada，Obstacle Detection for HelicopterFlights by Infrared Images, Proceeding of SPIE (Vol 4363)，2001，76-85。作者釆用高解析度的紅外探測相機(頻帶響應:8-12um)來獲得圖像，在此基礎上通過圖像分塊、自適應動態範圍擴展和方向濾波器的處理來增強目標與背景的對比度，最後用擬合出水平或近似水平的線來表示目標，作用距離為10(Γ500米。缺點是無法判斷目標的距離，易受惡劣天氣影響。3.K Schulz, S Scherbarthj U Fabry, Hellas:Obstacle Warning System forHelicopters,Proceeding of SPIE(Vol 4723)，2002，1-8。基於雷射防撞雷達的直升機障礙物預警系統(HELLAS)，使用雙軌掃描1.5mm雷射雷達探測目標，距離則釆用脈衝雷達測量，可以探測IOmm直徑電力線，探測距離為30(T900m，但白天工作時太陽射線的幹擾會降低系統性能，在惡劣氣候條件下作戰能力也有所降低。4.V N Danovskii , V Ya Kimj V M Lisitsyn，K V Obrosov，S V Tikhonova。Information Support of Low-Altitude Flight Safety ， Journal of Computerand Systems Sciences International (Vol 46)，2007。使用毫米波雷達站和1.54um的雷射定位雷達來探測目標。雷射定位雷達可以優化低空飛行姿態，並檢測多種目標如電纜、柱狀物和電線等。根據實驗，0.3^1.5km內的電力線可以被檢測到。5.孟華東，劉一民，胡晨曦，魏秩旻，基於圖像處理的高壓線識別方法，2010
以雷達點跡圖作為輸入，一次點跡凝聚，對凝聚後的點跡作領域分析，對每個點跡凝聚進行評分，根據評分判定高壓線塔，在搜索出連續的高壓線，進而確定高壓線的分布域。缺點精確度不夠，容易誤判。目前常用的傳感器有兩種:紅外傳感器和普通雷達。它們各有優缺點:紅外傳感器可以測得目標的成像信息，測角精度較高，測量連續，目標識別能力強，但是它的作用距離較近，不能提供目標的距離信息；普通雷達具有全天候、測角和測距等優點，但是測角精度低，同時圖像的數據量很大，為了加速無人飛行器與基站之間的數據傳輸，使用保留高頻邊緣信息的小波編碼。
發明內容
本發明的目的是針對現有的低空飛行器對高壓線判斷效果差，易產生誤判而與高壓電線碰撞，發生墜機事故的問題，發明一種基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，它利用小波變換原理識別圖像高壓線提取邊緣特徵，從而加以定位。本發明的技術方案是:
一種基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，其特徵是在機載雷射雷達的監測視頻中通過高壓線塔的特徵，定位高壓線塔的位置，估計出高壓線位置，然後通過小波變換多解析度分析，多尺度保留圖像邊緣的高頻信息壓縮低頻段數據，達到邊緣提取的目的，計算高壓線的位置距離信息並發送至地面基站。它利用機載雷射雷達掃描儀通過對地面進行掃描，獲取反射回來的呈星雲狀密集分布雷射點數據，機載雷射雷達系統的測量數據不僅包括坐標點Χ、γ、ζ坐標信息，還包括物體反射強度信息，輸出RGB影像數據轉換成灰度圖後通過小波壓縮，圖像被多次分解為半解析度的低頻分量和整解析度的高頻分量，這樣極大保留了高壓線邊緣所處的高頻信息，極大壓縮了無用的低頻信息，將小波壓縮編碼後的圖像數據發送至地面基站進行分析和記錄，再由基站回傳命令給機載設備對疑似高壓線障礙物做擴散掃描，尋找高壓線塔，以此確認是否存在真的高壓線。本發明的基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法包括以下步驟:
首先，通過同步控制裝置定期給姿態測量裝置和GPS動態差分裝置發送一個同步脈衝，GPS將更新的定位信息同步發送給姿態測量裝置；
其次，由姿態測量裝置 控制雷射雷達掃描儀，測距儀器工作；
第三，測距儀通過發射雷射，測量回波，計算與地面或障礙物的距離，並將測得的數據發送給數據採集裝置；雷射雷達掃描儀將掃描到的前方無障礙物圖像先灰度化以後，再進行三級小波變換，以壓縮無用數據，保留關鍵的障礙物邊緣輪廓信息，以減少圖像的數據量，然後也發送給數據採集裝置；
第四，數據採集裝置將收到的處理過的掃描圖像數據和測距儀採集的數據發送給地面基站；如果發現有疑似高壓線或線塔的障礙物，基站通過GPS接口通知掃描儀擴散掃描，判斷有無連續高壓線塔的分布，進一步確認高壓線塔的連續分布位置，從高壓線塔的位置排除非高壓線的掃描誤差，清晰估算出高壓線高度距離信息；姿態測量裝置將飛行器同步後的姿態GPS數據信息發送給數據採集器；動態差分GPS裝置將差分後更新的飛行器定位信息保存在GPS接口模塊中，並發送給地面基站；
第五，地面基站對接收到的飛行器數據綜合分析後回傳給姿態測量裝置和GPS飛行導航裝置；
最後，GPS飛行導航裝置根據地面基站分析後的數據對飛行器的位置和速度信息進行矯正。所述的GPS動態差分裝置由地面的固定GPS基準站和飛機上的GPS流動站組成，固定GPS基準站實時地將數據傳送給飛機上的GPS流動站。
所述的數據採集裝置有兩個工作模式，一個是記錄模式，將所有數據記錄到磁帶機或硬碟之中，能顯示影像和數據並報警，另一個工作模式是監視模式，通過人機互動進行數據檢測、系統分析、質量檢查、發出警報信號以及輔助系統調整工作。本發明的有益效果:
1.本發明通過加入同步脈衝，達到了多個儀器間數據的同步的目的。2.本發明利用圖像處理中的三級小波變換技術壓縮無用圖像信息，保留高壓線邊緣的高頻分量，壓縮圖像數據，達到加快圖像處理和傳輸的時間。3.本發明為了提高地位精度，採用了實時差分。在地面設置一個GPS基準站，飛機上的GPS稱為流動站，實時地將基準站上的有關數據傳送給機上GPS接口。 4.本發明通過高壓線塔位置，再進一步真正識別高壓線的位置。5.本發明利用獨立的GPS接口模塊，實現了基站對機載GPS導航裝置，GPS動態差分裝置，姿態測量裝置的控制與同步。6.本發明方法簡單，精度高，易於實現。
圖1是本發明的系統組成原理框圖。圖2是本發明的三級小波編碼過程示意圖。圖3是本發明實施例的三級分解示意圖。圖4是常見高壓線塔的影像圖。圖5是連續高壓線分布影像圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1-5所示。一種基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，它包括以下步驟:
首先，利用現有技術構建一個如圖1所示的識別系統，通過識別系統中的同步控制裝置定期給姿態測量裝置和GPS動態差分裝置發送一個同步脈衝，GPS將更新的定位信息同步發送給姿態測量裝置；
其次，由姿態測量裝置控制雷射雷達掃描儀，測距儀器工作；
第三，測距儀通過發射雷射，測量回波，計算與地面或障礙物的距離，並將測得的數據發送給數據採集裝置；雷射雷達掃描儀將掃描到的前方無障礙物圖像先灰度化以後，再進行三級小波變換，如圖2、3所示，以壓縮無用數據，保留關鍵的障礙物邊緣輪廓信息，以減少圖像的數據量，然後也發送給數據採集裝置；
第四，數據採集裝置將收到的處理過的掃描圖像數據和測距儀採集的數據發送給地面基站；如果發現有疑似高壓線或線塔的障礙物，基站通過GPS接口通知掃描儀擴散掃描，判斷有無連續高壓線塔的分布，進一步確認高壓線塔的連續分布位置，從高壓線塔的位置排除非高壓線的掃描誤差，清晰估算出高壓線高度距離信息；姿態測量裝置將飛行器同步後的姿態GPS數據信息發送給數據採集器；動態差分GPS裝置將差分後更新的飛行器定位信息保存在GPS接口模塊中，並發送給地面基站； 第五，地面基站對接收到的飛行器數據綜合分析後回傳給姿態測量裝置和GPS飛行導航裝置；
最後，GPS飛行導航裝置根據地面基站分析後的數據對飛行器的位置和速度信息進行矯正。機載雷射雷達測量系統進行電力巡線時採集的雷射點雲，可以採集瞬間的輸出電路走廊的情況，包括走廊走形、地物和線路設施設備空間信息，包括杆塔、掛載點位置、電線弧垂等。如圖4所示。高壓線杆塔外型相對比較固定更容易被區分開來，見圖4，主框架為頭小腳大，三角型框架的特點，而且在分布上存在相關性。對於環境中突兀的高壓線很容易識別出來。然後定位高壓線塔的中間區域，重新掃描得到多條相對平行的高壓線數據，見圖5。進一步向周邊擴散掃描，得到相連的高壓線塔分布，對離散的高壓線點取一條均方誤差最小的連續弧線，見圖5。計算高度和距離，傳給地面基站分析處理確定是否要改變飛行高度和速度。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，其特徵是利用機載雷射雷達掃描儀通過對地面進行掃描，獲取反射回來的呈星雲狀密集分布雷射點數據，機載雷射雷達系統的測量數據不僅包括坐標點X、Y、Z坐標信息，還包括物體反射強度信息，輸出RGB影像數據轉換成灰度圖後通過小波壓縮，圖像被多次分解為半解析度的低頻分量和整解析度的高頻分量，這樣極大保留了高壓線邊緣所處的高頻信息，極大壓縮了無用的低頻信息，將小波壓縮編碼後的圖像數據發送至地面基站進行分析和記錄，再由基站回傳命令給機載設備對疑似高壓線障礙物做擴散掃描，尋找高壓線塔，以此確認是否存在真的高壓線。
2.根據權利要求1所述的基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，其特徵是它包括以下步驟: 首先，通過同步控制裝置定期給姿態測量裝置和GPS動態差分裝置發送一個同步脈衝，GPS將更新的定位信息同步發送給姿態測量裝置； 其次，由姿態測量裝置控制雷射雷達掃描儀，測距儀器工作； 第三，測距儀通過發射雷射，測量回波，計算與地面或障礙物的距離，並將測得的數據發送給數據採集裝置；雷射雷達掃描儀將掃描到的前方無障礙物圖像先灰度化以後，再進行三級小波變換，以壓縮無用數據，保留關鍵的障礙物邊緣輪廓信息，以減少圖像的數據量，然後也發送給數據採集裝置； 第四，數據採集裝置將收到的處理過的掃描圖像數據和測距儀採集的數據發送給地面基站；如果發現有疑似高壓線或線塔的障礙物，基站通過GPS接口通知掃描儀擴散掃描，判斷有無連續高壓線塔的分布，進一步確認高壓線塔的連續分布位置，從高壓線塔的位置排除非高壓線的掃描誤差，清晰估算出高壓線高度距離信息；姿態測量裝置將飛行器同步後的姿態GPS數據信息發送給數據採集器；動態差分GPS裝置將差分後更新的飛行器定位信息保存在GPS接口模塊中，並發送給地面基站； 第五，地面基站對接收到的飛行器數據綜合分析後回傳給姿態測量裝置和GPS飛行導航裝置； 最後，GPS飛行導航裝置根據地面基站分析後的數據對飛行器的位置和速度信息進行矯正。
3.根據權利要求2所述的基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，其特徵是所述的GPS動態差分裝置由地面的固定GPS基準站和飛機上的GPS流動站組成，固定GPS基準站實時地將數據傳送給飛機上的GPS流動站。
4.根據權利要求2所述的基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，其特徵是所述的數據採集裝置有兩個工作模式，一個是記錄模式，將所有數據記錄到磁帶機或硬碟之中，能顯示影像和數據並報警，另一個工作模式是監視模式，通過人機互動進行數據檢測、系統分析、質量檢查、發出警報信號以及輔助系統調整工作。
全文摘要
一種基於小波變換的雷射雷達高壓線識別方法，其特徵是利用機載雷射雷達掃描儀通過對地面進行掃描，獲取反射回來的呈星雲狀密集分布雷射點數據，機載雷射雷達系統的測量數據不僅包括坐標點X、Y、Z坐標信息，還包括物體反射強度信息，輸出RGB影像數據轉換成灰度圖後通過小波壓縮，圖像被多次分解為半解析度的低頻分量和整解析度的高頻分量，這樣極大保留了高壓線邊緣所處的高頻信息，極大壓縮了無用的低頻信息，將小波壓縮編碼後的圖像數據發送至地面基站進行分析和記錄，再由基站回傳命令給機載設備對疑似高壓線障礙物做擴散掃描，尋找高壓線塔，以此確認是否存在真的高壓線。本發明方法簡單，精度高，易於實現。
文檔編號G01S17/93GK103149569SQ201310058609
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月25日 優先權日2013年2月25日
發明者李曉飛, 韓光, 林澤, 朱哲先, 何輝聰 申請人:崑山南郵智能科技有限公司