铁路输电线路智能激光驱鸟器设计

李 建，韩兰贵

铁路输电线路智能激光驱鸟器设计

李 建，韩兰贵

针对输电线路防治鸟害的需求，设计了一种基于全景图像识别的自动定位激光驱鸟器，该驱鸟器利用多个广角摄像机，在以该驱鸟器为中心的上半球范围内全景成像，自动识别图像中的飞鸟，并对飞鸟进行跟踪及持续激光照射，从而实现有效驱鸟。

输电线路；鸟害防治；激光驱鸟器

0 引言

随着生态环境的改善和人们保护鸟类意识的提高，鸟类逐渐增多。有的鸟类在繁殖季节经常在铁路输电线路的铁塔横担上筑巢或排便，不但污染瓷瓶，降低瓷瓶串外绝缘强度，还会引起线路跳闸，从而影响电气化铁路牵引供电系统的正常运行。为确保电气化铁路的供电安全，须对这些鸟类进行驱赶。针对不同的场所，可采取不同的驱鸟方法，目前主要采用人工驱逐、化学驱鸟剂、驱鸟刺、语音驱鸟器、超声波驱鸟器等，但这些驱鸟方法和措施都有一定的弊端，很难达到长期有效的驱鸟效果。

采用刺激鸟类视觉的驱鸟方法，尤其是激光器驱鸟，可避免鸟类产生适应性，是目前比较有效的驱鸟方式。为此，本文基于全景图像识别技术设计了一种智能激光驱鸟器。该智能激光驱鸟器利用多个广角摄像机对飞鸟进行全景无缝拼接成像，自动识别和跟踪飞鸟，并控制旋转云台支撑激光器对飞鸟进行持续照射，实现有效驱鸟。

1 智能激光驱鸟器的结构与功能

基于全景图像识别的智能激光驱鸟器主要由全景成像装置、二自由度旋转云台、激光器、控制处理平台和电源系统等组成，其结构如图1所示。

图1 智能激光驱鸟器结构

（1）全景成像装置。该装置由安装在圆柱形底座上的3部广角摄像机组成（参见图2中的广角摄像机安装示意）。每部广角摄像机的水平视野范围为140°，垂直视野范围为120°，每2部广角摄像机之间的夹角为120°。该安装方式能够保证3部广角摄像机在水平方向形成360°的全视野范围，在垂直方向形成120°的视野范围。广角摄像机对视野范围内的飞鸟进行图像采集，形成全景无缝拼接图像，并将采集的图像传输至控制处理平台进行处理。

图2 激光驱鸟器部件安装示意

（2）二自由度旋转云台。由2个受脉冲宽度调制信号的模拟舵机和与之配套的铝合金材料支架组合而成，其外观结构如图3所示。将其安装在图2所示的底座上，并与全景成像装置连接。旋转云台的安装采用杯式轴承作为输出轴，可以减小摩擦力，提高云台的稳定性和耐用性。每个舵机的旋转范围为-90°～90°，上层舵机支撑激光器，在控制处理平台的PWM（脉冲宽度调制）控制下，调整激光器的照射角度，支撑激光器完成水平方向180°范围、垂直方向180°范围上半球空间的旋转。

图3 二自由度旋转云台结构

（3）激光器。采用的激光器为电激励式，发射点状光斑激光，其波长为532 nm，功率为500 mW。该激光器受控制处理平台的控制，发射绿色激光对飞鸟进行持续照射，达到驱鸟的目的。

（4）控制处理平台。采用TI（德国仪器）的TMS320DM8148（达芬奇数字媒体）处理器平台，由运动检测模块、坐标定位模块和云台控制模块等组成。控制处理平台接收来自全景成像装置传输的图像，并对接收到的图像进行运动检测。根据运动检测结果，判断水平方向360°范围、垂直方向120°范围内是否存在飞鸟，如果存在飞鸟，则通过坐标定位，使二自由度旋转云台控制激光器对飞鸟发射激光，进行驱鸟；如果不存在飞鸟，则继续进行运动检测。该控制处理平台的工作过程如图4所示。

图4 控制处理平台的工作过程

为减少电源系统电能的消耗，在系统设计时，对一日内的不同时段采用不同的检测频率进行运动检测，并设置了运动检测的间隔时间。如在飞鸟筑巢的高发期，即每年的3—6月，下午是鸟类筑巢活动频率低的时间段，将运动检测的间隔时间设置为5 min，即每隔5 min检测一次；晚上摄像机无法清晰成像，关闭功耗高的运动检测模块和坐标定位模块，只控制激光器每隔5 min照射上半球天空一次；其他时间段检测间隔设置为30 s，即每隔30 s检测一次。

（5）电源系统。由太阳能电池板、CN3722太阳能充电控制芯片和12.6 V锂电池组成。太阳能电池板通过太阳能充电控制芯片CN3722为锂电池充电，由锂电池为驱鸟器的控制处理平台、二自由度旋转云台和激光器提供持续电源。CN3722太阳能充电控制芯片采用由太阳能电池板供电的脉冲宽度调制降压模式的充电管理集成电路，具有封装外形小、外围元器件少及使用简单等优点，适用于为单节或多节锂电池充电。

2 主要技术指标及安装方式

该智能激光驱鸟器的主要技术指标如下：

（1）有效扫描范围小于5 m；

（2）云台水平旋转范围为180°，垂直旋转范围为 180°；

（3）激光光斑直径小于5 cm，激光波长为532 nm，功率为500 mW；

（4）激光驱鸟器的外形尺寸为12 cm×20 cm×15 cm（不含太阳能电池板及托架）；

（5）工作电压12 V、电流1 A；

（6）使用寿命3年；

（7）温度范围-30℃～80℃，湿度范围1%～100%。

可根据不同的环境为该智能激光驱鸟器制作相应的安装托架。图5所示为采用托架将其安装在固定的横梁上，有效防止飞鸟在该位置筑巢。

图5 激光驱鸟器在固定横梁上的安装

3 工作原理及自动驱鸟方式

3.1 工作原理

智能激光驱鸟器“先检测后驱鸟”的工作原理采用类脑信息处理理论，控制处理平台TMS320 DM8148是整个系统的核心部件。首先由控制处理平台接收“感知”部件（全景成像装置中3部广角摄像机）采集的3路视频流，之后控制处理平台的多通道NTSC/PAL视频解码器TVP5158将视频流进行解码，将NTSC/PAL模拟视频流格式转换为4∶2∶0的YCbCr数字视频流格式，并通过设置控制处理平台的视频采样率生成逐帧的多路广角图像；将多路广角摄像机的每一帧图像作为源图像发送至控制处理平台中的“认知”部件（运动检测模块）来智能检测水平方向360°范围，垂直方向大于120°的空间范围内是否存在飞鸟；控制处理平台根据运动检测模块的检测结果来判断是否执行驱鸟操作，如果检测到飞鸟，则通过“定位”部件（坐标定位模块）将移动物体在源图像中的原始坐标值定位至该物体在全景图像中的坐标值，控制处理平台根据当前二自由度旋转云台的旋转状态和移动物体的全景坐标值，计算出水平转台和垂直转台的旋转角度，最后触发“控制”部件（云台控制模块）控制二自由度旋转云台支撑激光器旋转至移动物体的方向来执行驱鸟操作。

3.2 自动驱鸟方式

为实现激光驱鸟器的自动驱鸟功能，须对飞鸟进行目标检测。由于驱鸟器位于高空，飞鸟通常处于驱鸟器的上方，驱鸟器周围运动物体少，对飞鸟的目标检测可以通过简单的运动检测方法如背景差算法实现[8]。本文采用基于背景差算法的运动目标检测方法，首先假定摄像机在开机后采集的图像为背景图像，控制处理平台将背景图像存储在系统缓存中，并检测当前帧的图像和背景图像中对应像素点的差异，如果某连通区域差值大于一定阈值，则判定该连通区域为前景运动目标；如果控制处理平台无法检测到运动目标，则将当前帧的图像存储到系统缓存中作为背景图像。

由于控制处理平台对运动目标检测的是原始广角图像中图像的坐标值，而广角图像存在镜头畸变、安装位置不正等影响因素，无法直接控制光斑激光在原始图像中进行目标定位，而如果将3幅广角图像以无缝拼接的方式在以激光器为中心，半径为R（半径R的取值与广角摄像机的视野范围有关，通常取值为3～4 m，R的值可以通过实验获得）的虚拟球面上成像，则可以通过控制球心处激光器的二自由度旋转云台的角度对目标进行坐标定位。为节约计算资源，可以通过坐标映射，即将原始广角图像中的坐标映射到平面展开的全景图像中，实现坐标定位。

在全景图像中的坐标定位是实现驱鸟的关键环节，合理的定位方法可有效保证激光器瞄准飞鸟。全景成像装置中3部广角摄像机同步采集一帧图像后，采用自动方式（如SIFT特征点自动提取[9]）或者手动方式选择相邻图像中N对（一般N＞20）特征点。实际上，全景图像中的坐标定位意味着不同坐标系的坐标转换，如图6所示，在以下4个坐标系之间进行转换：原始广角图像中图像F的坐标(xsrc,ysrc)；图像F展开到半径为R的三维虚拟球面表面形成的图像B中的坐标(xb,yb,zb)；对图像B进行偏航角为θn、俯仰角为Ψn和滚转角为Φn的图像变换后形成的图像BR中的坐标(xRb,yRb,zRb)；全 景展开形成的图像D中的坐标(xdest,ydest)。

图6 全景图像坐标转换

原始图像和全景图像的坐标转换过程如下：

（1）根据球面映射模型（式（1）—式（4））将原始图像中特征点的原始坐标映射为三维球面坐标。

式中，θ为图像F中坐标值为(xsrc,ysrc)的点在球面中的偏角，(xsrc,ysrc)代表图像F中的原始图像特征点的原始坐标值，(xb,yb,zb)代表图像B中的三维球面坐标值，R为球面半径（一般取值3～4 m）。

假设在虚拟球面中全景拼接时对3路广角图像进行变换的偏航角、俯仰角和滚转角分别为θn、Ψn、Φn（n=1,2,3），则球面坐标(xb,yb,zb)变换至球面全景图像的坐标转换式为

式中，(xRb,yRb,zRb)代表球面坐标(xb,yb,zb)经过图像变换后在虚拟球面图像BR中的球面坐标值。

（2）计算偏航角θn、俯仰角Ψn和滚转角Φn（n=1,2,3）。采用非线性最优化算法——Levenberg Marquard算法对3路虚拟球面图像BR中特征点的球面坐标值的差值的平方和函数进行最优求解。Levenberg Marquard算法是一种无条件约束优化方法[10]，定义虚拟球面图像BR中N对特征点之间的误差能量函数E为

通过求解式（6）的最优解，可得到偏航角θ、俯仰角Ψ和滚转角Φ三个参数的值。

（3）全景图像的坐标转换。根据原始广角图像中图像F的坐标(xsrc,ysrc)和式（1）—式（5），可将(xsrc,ysrc)映射到虚拟球面模型图像BR上的点(xRb,yRb,zRb)。通过球面的经度展开式（7）和纬度展开式（8）可以得到该点在全景图像中的坐标，从而完成全景图像的坐标变换。

式中，(xdest,ydest)代表原始图像F中的坐标(xsrc,ysrc)经过球面模型映射、图像变换和经纬展开等变换后在全景图像平面展开图像D中的坐标。

如果控制处理平台通过运动目标检测算法在源图像中检测到运动目标，通过上述坐标定位算法对飞鸟进行全景图像中的坐标定位后，根据二自由度旋转云台当前状态计算出其水平转台和垂直转台旋转到运动目标所需旋转的角度；控制处理平台在控制二自由度旋转云台旋转的同时，开启激光器对飞鸟进行照射，当飞鸟被照射后飞离时，对飞鸟进行跟踪和定位，旋转二自由度旋转云台持续照射飞鸟；根据跟踪结果判断飞鸟是否飞离全景图像的探测区域，如果飞鸟已经飞离全景图像的探测区域，则控制处理平台关闭激光模组单元，驱鸟过程结束；如果飞鸟未飞离全景图像的探测区域，则对飞鸟进行持续跟踪和照射，直到其飞离全景图像的监控范围，从而实现有效驱鸟。上述驱鸟过程与方法如图7所示。

图7 驱鸟过程与方法

4 结语

鸟害对设备安全构成很大威胁，是电力、铁路牵引供电部门需要面对和有效解决的问题，本文设计了基于全景图像识别的自动定位激光驱鸟器，提出了智能化的驱鸟方法。利用多个广角摄像机实现在以激光驱鸟器为中心的半球范围内的全景成像，并在全景图像中自动检测和跟踪飞鸟，采用二自由度旋转云台支撑激光器，结合飞鸟目标检测的结果，对飞鸟进行持续激光照射，实现有效驱鸟。

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A kind of automatic positioning laser bird repelling device based on panoramic image recognition is designed to meet the requirements for repelling the birds from the power transmission line,the bird repelling device,by using of multiple wide-angle cameras,is able to achieve panoramic image within range of episphere with the laser bird repelling device to be in the center,automatically recognize the birds in the image,track and transmit continuously the laser to repel the birds..

Power transmission line;bird pest control;laser bird repelling device

U226.8

A

1007-936X(2017)06-0068-05

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.018

李 建.中铁电气化局集团有限公司电气化公司，工程师；

韩兰贵.中铁电气化局集团有限公司电气化公司，教授级高级工程师。

2017-07-03