專利名稱：基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型無人飛行器低空飛行控制技術(shù)，尤其是一種低空飛行控制方法，具體地說是一種基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，小型無人飛行器低空飛行時(shí)容易與高壓電線碰撞而墜機(jī)事故的問題，為了解決這一問題，人們采用了多種方法和手續(xù)，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(dá)，用極短的脈沖獲得較高的分辨率，較寬的頻帶也能夠探測到更多的目標(biāo)，抗干擾性能也更好。缺點(diǎn)是由于脈沖能量小，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。作者釆用高分辨率的紅外探測相機(jī)(頻帶響應(yīng):8-12um)來獲得圖像，在此基礎(chǔ)上通過圖像分塊、自適應(yīng)動態(tài)范圍擴(kuò)展和方向?yàn)V波器的處理來增強(qiáng)目標(biāo)與背景的對比度，最后用擬合出水平或近似水平的線來表示目標(biāo)，作用距離為10(Γ500米。缺點(diǎn)是無法判斷目標(biāo)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?；诩す夥雷怖走_(dá)的直升機(jī)障礙物預(yù)警系統(tǒng)(HELLAS)，使用雙軌掃描1.5mm激光雷達(dá)探測目標(biāo)，距離則釆用脈沖雷達(dá)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(shí)太陽射線的干擾會降低系統(tǒng)性能，在惡劣氣候條件下作戰(zhàn)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(dá)站和1.54um的激光定位雷達(dá)來探測目標(biāo)。激光定位雷達(dá)可以優(yōu)化低空飛行姿態(tài)，并檢測多種目標(biāo)如電纜、柱狀物和電線等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，0.3^1.5km內(nèi)的電力線可以被檢測到。5.孟華東，劉一民，胡晨曦，魏秩旻，基于圖像處理的高壓線識別方法，2010
以雷達(dá)點(diǎn)跡圖作為輸入，一次點(diǎn)跡凝聚，對凝聚后的點(diǎn)跡作領(lǐng)域分析，對每個(gè)點(diǎn)跡凝聚進(jìn)行評分，根據(jù)評分判定高壓線塔，在搜索出連續(xù)的高壓線，進(jìn)而確定高壓線的分布域。缺點(diǎn)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(dá)。它們各有優(yōu)缺點(diǎn):紅外傳感器可以測得目標(biāo)的成像信息，測角精度較高，測量連續(xù)，目標(biāo)識別能力強(qiáng)，但是它的作用距離較近，不能提供目標(biāo)的距離信息；普通雷達(dá)具有全天候、測角和測距等優(yōu)點(diǎn)，但是測角精度低，同時(shí)圖像的數(shù)據(jù)量很大，為了加速無人飛行器與基站之間的數(shù)據(jù)傳輸，使用保留高頻邊緣信息的小波編碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的低空飛行器對高壓線判斷效果差，易產(chǎn)生誤判而與高壓電線碰撞，發(fā)生墜機(jī)事故的問題，發(fā)明一種基于小波變換的激光雷達(dá)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征，從而加以定位。本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，其特征是在機(jī)載激光雷達(dá)的監(jiān)測視頻中通過高壓線塔的特征，定位高壓線塔的位置，估計(jì)出高壓線位置，然后通過小波變換多分辨率分析，多尺度保留圖像邊緣的高頻信息壓縮低頻段數(shù)據(jù)，達(dá)到邊緣提取的目的，計(jì)算高壓線的位置距離信息并發(fā)送至地面基站。它利用機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀通過對地面進(jìn)行掃描，獲取反射回來的呈星云狀密集分布激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)不僅包括坐標(biāo)點(diǎn)Χ、γ、ζ坐標(biāo)信息，還包括物體反射強(qiáng)度信息，輸出RGB影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成灰度圖后通過小波壓縮，圖像被多次分解為半分辨率的低頻分量和整分辨率的高頻分量，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，將小波壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至地面基站進(jìn)行分析和記錄，再由基站回傳命令給機(jī)載設(shè)備對疑似高壓線障礙物做擴(kuò)散掃描，尋找高壓線塔，以此確認(rèn)是否存在真的高壓線。本發(fā)明的基于小波變換的激光雷達(dá)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(tài)測量裝置和GPS動態(tài)差分裝置發(fā)送一個(gè)同步脈沖，GPS將更新的定位信息同步發(fā)送給姿態(tài)測量裝置；
其次，由姿態(tài)測量裝置 控制激光雷達(dá)掃描儀，測距儀器工作；
第三，測距儀通過發(fā)射激光，測量回波，計(jì)算與地面或障礙物的距離，并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置；激光雷達(dá)掃描儀將掃描到的前方無障礙物圖像先灰度化以后，再進(jìn)行三級小波變換，以壓縮無用數(shù)據(jù)，保留關(guān)鍵的障礙物邊緣輪廓信息，以減少圖像的數(shù)據(jù)量，然后也發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置；
第四，數(shù)據(jù)采集裝置將收到的處理過的掃描圖像數(shù)據(jù)和測距儀采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面基站；如果發(fā)現(xiàn)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(kuò)散掃描，判斷有無連續(xù)高壓線塔的分布，進(jìn)一步確認(rèn)高壓線塔的連續(xù)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(tài)測量裝置將飛行器同步后的姿態(tài)GPS數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器；動態(tài)差分GPS裝置將差分后更新的飛行器定位信息保存在GPS接口模塊中，并發(fā)送給地面基站；
第五，地面基站對接收到的飛行器數(shù)據(jù)綜合分析后回傳給姿態(tài)測量裝置和GPS飛行導(dǎo)航裝置；
最后，GPS飛行導(dǎo)航裝置根據(jù)地面基站分析后的數(shù)據(jù)對飛行器的位置和速度信息進(jìn)行矯正。所述的GPS動態(tài)差分裝置由地面的固定GPS基準(zhǔn)站和飛機(jī)上的GPS流動站組成，固定GPS基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送給飛機(jī)上的GPS流動站。
所述的數(shù)據(jù)采集裝置有兩個(gè)工作模式，一個(gè)是記錄模式，將所有數(shù)據(jù)記錄到磁帶機(jī)或硬盤之中，能顯示影像和數(shù)據(jù)并報(bào)警，另一個(gè)工作模式是監(jiān)視模式，通過人機(jī)交互進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測、系統(tǒng)分析、質(zhì)量檢查、發(fā)出警報(bào)信號以及輔助系統(tǒng)調(diào)整工作。本發(fā)明的有益效果:
1.本發(fā)明通過加入同步脈沖，達(dá)到了多個(gè)儀器間數(shù)據(jù)的同步的目的。2.本發(fā)明利用圖像處理中的三級小波變換技術(shù)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(shù)據(jù)，達(dá)到加快圖像處理和傳輸?shù)臅r(shí)間。3.本發(fā)明為了提高地位精度，采用了實(shí)時(shí)差分。在地面設(shè)置一個(gè)GPS基準(zhǔn)站，飛機(jī)上的GPS稱為流動站，實(shí)時(shí)地將基準(zhǔn)站上的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給機(jī)上GPS接口。 4.本發(fā)明通過高壓線塔位置，再進(jìn)一步真正識別高壓線的位置。5.本發(fā)明利用獨(dú)立的GPS接口模塊，實(shí)現(xiàn)了基站對機(jī)載GPS導(dǎo)航裝置，GPS動態(tài)差分裝置，姿態(tài)測量裝置的控制與同步。6.本發(fā)明方法簡單，精度高，易于實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成原理框圖。圖2是本發(fā)明的三級小波編碼過程示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)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(xù)高壓線分布影像圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1-5所示。一種基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，它包括以下步驟:
首先，利用現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)建一個(gè)如圖1所示的識別系統(tǒng)，通過識別系統(tǒng)中的同步控制裝置定期給姿態(tài)測量裝置和GPS動態(tài)差分裝置發(fā)送一個(gè)同步脈沖，GPS將更新的定位信息同步發(fā)送給姿態(tài)測量裝置；
其次，由姿態(tài)測量裝置控制激光雷達(dá)掃描儀，測距儀器工作；
第三，測距儀通過發(fā)射激光，測量回波，計(jì)算與地面或障礙物的距離，并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置；激光雷達(dá)掃描儀將掃描到的前方無障礙物圖像先灰度化以后，再進(jìn)行三級小波變換，如圖2、3所示，以壓縮無用數(shù)據(jù)，保留關(guān)鍵的障礙物邊緣輪廓信息，以減少圖像的數(shù)據(jù)量，然后也發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置；
第四，數(shù)據(jù)采集裝置將收到的處理過的掃描圖像數(shù)據(jù)和測距儀采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面基站；如果發(fā)現(xiàn)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(kuò)散掃描，判斷有無連續(xù)高壓線塔的分布，進(jìn)一步確認(rèn)高壓線塔的連續(xù)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(tài)測量裝置將飛行器同步后的姿態(tài)GPS數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器；動態(tài)差分GPS裝置將差分后更新的飛行器定位信息保存在GPS接口模塊中，并發(fā)送給地面基站； 第五，地面基站對接收到的飛行器數(shù)據(jù)綜合分析后回傳給姿態(tài)測量裝置和GPS飛行導(dǎo)航裝置；
最后，GPS飛行導(dǎo)航裝置根據(jù)地面基站分析后的數(shù)據(jù)對飛行器的位置和速度信息進(jìn)行矯正。機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行電力巡線時(shí)采集的激光點(diǎn)云，可以采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(shè)施設(shè)備空間信息，包括桿塔、掛載點(diǎn)位置、電線弧垂等。如圖4所示。高壓線桿塔外型相對比較固定更容易被區(qū)分開來，見圖4，主框架為頭小腳大，三角型框架的特點(diǎn)，而且在分布上存在相關(guān)性。對于環(huán)境中突兀的高壓線很容易識別出來。然后定位高壓線塔的中間區(qū)域，重新掃描得到多條相對平行的高壓線數(shù)據(jù)，見圖5。進(jìn)一步向周邊擴(kuò)散掃描，得到相連的高壓線塔分布，對離散的高壓線點(diǎn)取一條均方誤差最小的連續(xù)弧線，見圖5。計(jì)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(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，其特征是利用機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀通過對地面進(jìn)行掃描，獲取反射回來的呈星云狀密集分布激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)不僅包括坐標(biāo)點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)信息，還包括物體反射強(qiáng)度信息，輸出RGB影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成灰度圖后通過小波壓縮，圖像被多次分解為半分辨率的低頻分量和整分辨率的高頻分量，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，將小波壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至地面基站進(jìn)行分析和記錄，再由基站回傳命令給機(jī)載設(shè)備對疑似高壓線障礙物做擴(kuò)散掃描，尋找高壓線塔，以此確認(rèn)是否存在真的高壓線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，其特征是它包括以下步驟: 首先，通過同步控制裝置定期給姿態(tài)測量裝置和GPS動態(tài)差分裝置發(fā)送一個(gè)同步脈沖，GPS將更新的定位信息同步發(fā)送給姿態(tài)測量裝置； 其次，由姿態(tài)測量裝置控制激光雷達(dá)掃描儀，測距儀器工作； 第三，測距儀通過發(fā)射激光，測量回波，計(jì)算與地面或障礙物的距離，并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置；激光雷達(dá)掃描儀將掃描到的前方無障礙物圖像先灰度化以后，再進(jìn)行三級小波變換，以壓縮無用數(shù)據(jù)，保留關(guān)鍵的障礙物邊緣輪廓信息，以減少圖像的數(shù)據(jù)量，然后也發(fā)送給數(shù)據(jù)采集裝置； 第四，數(shù)據(jù)采集裝置將收到的處理過的掃描圖像數(shù)據(jù)和測距儀采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面基站；如果發(fā)現(xiàn)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(kuò)散掃描，判斷有無連續(xù)高壓線塔的分布，進(jìn)一步確認(rèn)高壓線塔的連續(xù)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(tài)測量裝置將飛行器同步后的姿態(tài)GPS數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器；動態(tài)差分GPS裝置將差分后更新的飛行器定位信息保存在GPS接口模塊中，并發(fā)送給地面基站； 第五，地面基站對接收到的飛行器數(shù)據(jù)綜合分析后回傳給姿態(tài)測量裝置和GPS飛行導(dǎo)航裝置； 最后，GPS飛行導(dǎo)航裝置根據(jù)地面基站分析后的數(shù)據(jù)對飛行器的位置和速度信息進(jìn)行矯正。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，其特征是所述的GPS動態(tài)差分裝置由地面的固定GPS基準(zhǔn)站和飛機(jī)上的GPS流動站組成，固定GPS基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送給飛機(jī)上的GPS流動站。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，其特征是所述的數(shù)據(jù)采集裝置有兩個(gè)工作模式，一個(gè)是記錄模式，將所有數(shù)據(jù)記錄到磁帶機(jī)或硬盤之中，能顯示影像和數(shù)據(jù)并報(bào)警，另一個(gè)工作模式是監(jiān)視模式，通過人機(jī)交互進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測、系統(tǒng)分析、質(zhì)量檢查、發(fā)出警報(bào)信號以及輔助系統(tǒng)調(diào)整工作。
全文摘要
一種基于小波變換的激光雷達(dá)高壓線識別方法，其特征是利用機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀通過對地面進(jìn)行掃描，獲取反射回來的呈星云狀密集分布激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)不僅包括坐標(biāo)點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)信息，還包括物體反射強(qiáng)度信息，輸出RGB影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成灰度圖后通過小波壓縮，圖像被多次分解為半分辨率的低頻分量和整分辨率的高頻分量，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，將小波壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至地面基站進(jìn)行分析和記錄，再由基站回傳命令給機(jī)載設(shè)備對疑似高壓線障礙物做擴(kuò)散掃描，尋找高壓線塔，以此確認(rèn)是否存在真的高壓線。本發(fā)明方法簡單，精度高，易于實(shí)現(xiàn)。
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(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者李曉飛, 韓光, 林澤, 朱哲先, 何輝聰 申請人:昆山南郵智能科技有限公司