本发明公开了一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统，包括在车架上从前往后依次设置的基准绝缘子、高清摄像头组、探照灯、双自由度水炮装置、离心泵、控制箱和水箱；通过使用双目定位摄像头对绝缘子定位，使用单目高清摄像头对对目标绝缘子的脏污程度进行评估；再控制双自由度水炮装置对绝缘子冲洗。本发明能准确地识别绝缘子表面的脏污程度，提高绝缘子水冲洗的效率与精度，避免污闪事故的发生。
1.一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗装置，其特征在于，该装置具体为：车架（1）上从前往后依次安装基准绝缘子（9）、高清摄像头组（6）、探照灯（8）、双自由度水炮装置（5）、离心泵（4）、控制箱（3）和水箱（2）；
所述双自由度水炮装置（5）包括由回转电机（51）、回转减速器（52）以及回转支承（58）所构成的回转传动模组，由俯仰电机（53）、俯仰减速器（54）以及炮杆（55）所构成的俯仰传动模组，由炮体（56）以及底座（59）所构成的防护结构，以及安装在炮杆（55）上的双目定位摄像头（7）；所述回转支承（58）和炮杆（55）上设置有限位传感器（57）；
所述高清摄像头组（6）的摄像头底座（62）通过支架（67）安装在车架（1）上；支架（67）上设置高度调节马达（61），高度调节马达（61）通过齿形带（65）传动来调节单目高清摄像头（63）的高度；摄像头底座（62）上设置水平调节马达（66），水平调节马达（66）通过齿形带（65）传动来调节单目高清摄像头（63）的水平转动；单目高清摄像头（63）的顶部设置防水挡板（64）；
所述控制箱（3）内设置PLC控制器、计算机、驱动控制器和电磁阀；计算机连接双目定位摄像头（7）和单目高清摄像头（63）；PLC控制器连接回转电机（51）与俯仰电机（53）、水平调节马达（66）与高度调节马达（61）；
所述双自由度水炮装置（5）通过水管连接离心泵（4），再通过水管连接到水箱（2）来吸水；
计算机中设置有绝缘子定位和脏污程度识别程序和绝缘子冲洗控制程序；
所述绝缘子定位和脏污程度识别程序的操作步骤具体为：
步骤1：首先将双目定位摄像头（7）采集的图像进行灰度化处理，每个像素点取灰度值，并标记绝缘子内部灰度平均值，根据采集的绝缘子图片的形状特征与纹理特征，对不同背景环境下的特征值进行区分，通过深度学习算法，训练对绝缘子的识别；
步骤2：由于同一物体在外界环境相同的条件下，在左右两摄像头中的成像像素点一一对应的关系，根据变换矩阵及两摄像头的空间位置差，还原绝缘子中心特征点的空间坐标，PLC控制器根据三维坐标调节炮杆（55）对准目标绝缘子；
步骤3：根据双目定位摄像头（7）与单目高清摄像头（63）的空间坐标差，以及炮杆（55）现有旋转角，运用空间旋转矩阵将目标绝缘子坐标转化到以单目高清摄像头（63）为原点的坐标系内，PLC控制器根据转换后的坐标，调节单目高清摄像头（63）转角，使之对准目标绝缘子拍摄高清图片；
步骤4：根据颜色空间理论，计算单目高清摄像头（63）所拍摄的高清图像中目标绝缘子的颜色均值X1、中值X2、方差X3、极差X4、偏度值X5、峰度值X6、能量值X7以及熵值X8，计算目标绝缘子总颜色特征函数P1=f（X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8）；
步骤5：根据灰度共生矩阵GLCM，计算不同灰度值i的层状分布图，生成目标绝缘子边缘纹理图像特征函数P2=f（i1,i2,i3,i4,i5,i6）；
步骤6：将目标绝缘子与基准绝缘子（9）的两特征函数进行对比，计算偏离值，根据偏离值对目标绝缘子的脏污程度进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗装置，其特征在于，所述脏污程度分为五类：A：很轻、B：轻、C：中等、D：重、E：很重。
3.根据权利要求1所述的一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗装置，其特征在于，所述步骤3中空间坐标的转换具体为：计算目标绝缘子位于双目定位摄像头（7）的坐标系1中的三维坐标（x1,y1,z1），并计算炮杆（55）当前转角θ；由于单目高清摄像头（63）坐标原点O2在坐标系1中的坐标为固定值，且符合空间旋转矩阵E的矢量计算，于是通过空间旋转位移矩阵方程E，得到目标绝缘子位于坐标系2下的三维坐标（x2,y2,z2）。
4.根据权利要求1所述的一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗装置，其特征在于，所述绝缘子冲洗控制程序的操作步骤具体为：在炮杆（55）瞄准目标绝缘子后，将目标绝缘子与干净的基准绝缘子（9）的两特征函数进行对比，计算偏离值，根据偏离值对目标绝缘子的脏污程度进行评估，若脏污程度低于设定安全值，则跳过该绝缘子，识别下一个目标；若脏污程度高于设定安全值，则计算机发送信号，驱动控制器打开电磁阀，对目标绝缘子进行冲洗。
5.根据权利要求4所述的一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗装置，其特征在于，所述目标绝缘子与干净的基准绝缘子（9）对比时，通过探照灯（8）提供辅助光源，保证目标绝缘子与干净的基准绝缘子（9）拥有同一光照条件且方向相同。
一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统
技术领域
[0001] 本发明属于轨道交通中绝缘子清洗领域，尤其涉及一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统。
背景技术
[0002] 随着我国轨道交通事业的高速发展，国内的电气化铁路逐步增多，在国民经济与人民生活质量等方面有着至关重要的作用。电气化铁路的接触网系统主要用于为电力机车供电，由牵引变电站转化后，输送到输电线路中，电力机车由弓网系统从接触网中获取电力，是列车运行的动力来源，也是电气化铁路的重要组成部分。
[0003] 在轨道交通接触网中，绝缘子作为隔绝载流导体与地面，保证铁路系统用电安全的重要部件，由于环境的影响，绝缘子表面时常会附着上污渍，污渍因地域环境不同，组成成分也各不相同，通常以大量的灰尘、矿洞内的煤渣、金属盐微粒等为主，当污渍积累过于严重时，由于绝缘子两端存在的电势差，易造成爬电现象，严重时更会形成污闪事故，这已成为电气化铁路中的危害之一。为了避免污闪事故的发生，需要定时的对它进行清洗工作，但国内外仍以手动控制冲洗为主，而国内还存在使用人工擦拭绝缘子的情况，这不仅降低了清洗维护效率，还存在许多重大安全隐患。
[0004] 随着现代科学技术的发展，双目视觉作为机器视觉中的一个重要分支，经过近几十年的发展，已经在航空测绘、军事应用、医学成像以及工业检测中得到了广泛应用。双目立体视觉基于视差原理并利用成像设备从不同位置获取被测物体的左右两幅图像，再根据三角测量原理计算空间点的二维图像位置偏差，从而利用位置偏差进行三维重建来获取被测物体的三维几何信息。深度学习神经网络则可以通过训练某种物体的外形、纹理、颜色等特征参数，完成对特定物体的识别，将其与双目视觉相结合，则可在实时图像中找出目标绝缘子，从而完成智能识别与定位的目的。
[0005] 在以往的发明设计中，均是通过计算机储存的原始数据库来识别具体环境下的绝缘子，但对于背景、环境、光照均不同的绝缘子，其成色、反光程度、拍摄角度均会影响图像的特征参数，虽然可以根据外形轮廓找到其空间位置，却不能准确地根据颜色特征来判断绝缘子表面的脏污程度。
发明内容
[0006] 为了提高绝缘子水冲洗的效率与精度，避免污闪事故的发生，本发明提供一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统。
[0007] 本发明的一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统，具体为：车架上从前往后依次安装基准绝缘子、高清摄像头组、探照灯、双自由度水炮装置、离心泵、控制箱和水箱。
[0008] 双自由度水炮装置包括由回转电机、回转减速器以及回转支承所构成的回转传动模组，由俯仰电机、俯仰减速器以及炮杆所构成的俯仰传动模组，由炮体以及底座所构成的防护结构，以及安装在炮杆上的双目定位摄像头。回转支承和炮杆上设置有限位传感器。
[0009] 高清摄像头组的摄像头底座通过支架安装在车架上。支架上设置高度调节马达，高度调节马达通过齿形带传动来调节单目高清摄像头的高度；摄像头底座上设置水平调节马达，水平调节马达通过齿形带传动来调节单目高清摄像头的水平转动；单目高清摄像头的顶部设置防水挡板。
[0010] 控制箱内设置PLC控制器、计算机、驱动控制器和电磁阀。计算机连接双目定位摄像头和单目高清摄像头；PLC控制器连接回转电机与俯仰电机、水平调节马达与高度调节马达；
[0011] 双自由度水炮装置通过水管连接离心泵，再通过水管连接到水箱来吸水。
[0012] 计算机中设置绝缘子定位和脏污程度识别程序、绝缘子冲洗控制程序。
[0013] 进一步的，绝缘子定位和脏污程度识别程序具体为：
[0014] 步骤1：首先将双目定位摄像头采集的图像进行灰度化处理，每个像素点取灰度值，并标记绝缘子内部灰度平均值，根据采集的绝缘子图片的形状特征与纹理特征，对不同背景环境下的特征值进行区分，通过深度学习算法，训练对绝缘子的识别。
[0015] 步骤2：由于同一物体在外界环境相同的条件下，在左右两摄像头中的成像像素点一一对应的关系，根据变换矩阵及两摄像头的空间位置差，还原绝缘子中心特征点的空间坐标，PLC控制器根据三维坐标调节炮杆对准目标绝缘子。
[0016] 步骤3：根据双目定位摄像头与单目高清摄像头的空间坐标差，以及炮杆现有旋转角，运用空间旋转矩阵将目标绝缘子坐标转化到以单目高清摄像头为原点的坐标系内，PLC控制器根据转换后的坐标，调节单目高清摄像头转角，使之对准目标绝缘子拍摄高清图片。
[0017] 步骤4：根据颜色空间理论，计算单目高清摄像头所拍摄的高清图像中目标绝缘子的颜色均值X1、中值X2、方差X3、极差X4、偏度值X5、峰度值X6、能量值X7以及熵值X8，计算目标绝缘子总颜色特征函数P1＝f(X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8)。
[0018] 步骤5：根据灰度共生矩阵GLCM，计算不同灰度值i的层状分布图，生成目标绝缘子边缘纹理图像特征函数P2＝f(i1,i2,i3,i4,i5,i6)。
[0019] 步骤6：将目标绝缘子与基准绝缘子的两特征函数进行对比，计算偏离值，根据偏离值对目标绝缘子的脏污程度进行评估。
[0020] 进一步的，脏污程度分为五类：A：很轻、B：轻、C：中等、D：重、E：很重。
[0021] 进一步的，步骤3中空间坐标的转换具体为：
[0022] 计算目标绝缘子位于双目定位摄像头的坐标系1中的三维坐标(x1,y1,z1)，并计算炮杆当前转角θ；由于单目高清摄像头坐标原点O2在坐标系1中的坐标为固定值，且符合空间旋转矩阵E的矢量计算，于是通过空间旋转位移矩阵方程E，得到目标绝缘子位于坐标系2下的三维坐标(x2,y2,z2)。
[0023] 进一步的，绝缘子冲洗控制程序具体为：
[0024] 在炮杆瞄准目标绝缘子后，将目标绝缘子与干净的基准绝缘子的两特征函数进行对比，计算偏离值，根据偏离值对目标绝缘子的脏污程度进行评估，若脏污程度低于设定安全值，则跳过该绝缘子，识别下一个目标；若脏污程度高于设定安全值，则计算机发送信号，驱动控制器打开电磁阀，对目标绝缘子进行冲洗。
[0025] 进一步的，目标绝缘子与干净的基准绝缘子对比时，通过探照灯提供辅助光源，保证目标绝缘子与干净的基准绝缘子拥有同一光照条件且方向相同。
[0026] 本发明的有益技术效果为：
[0027] 本发明在现有深度学习与智能识别技术的支持下，考虑到外界环境与光照等的影响，将干净的基准绝缘子在同一时间、同一外界条件以及同一拍摄角度的图像信息与待冲洗的绝缘子进行对比，运用高清图像中颜色特征函数与纹理特征函数的处理技术，完成绝缘子表面脏污程度的判定，从而达到了识别污渍与选择性冲洗的目的，提高了绝缘子水冲洗的工作精度与效率。
附图说明
[0028] 图1为本发明智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统的整体结构图。
[0029] 图2为本发明智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统的双自由度水炮装置结构示意图。
[0030] 图3为本发明智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统的高清摄像头组结构示意图。
[0031] 图4为本发明绝缘子定位和脏污程度识别原理图。
[0032] 图5为本发明坐标转换示意图。
[0033] 图6为本发明绝缘子冲洗控制原理图。
[0034] 图1‑3中标号释义：1‑车架；2‑水箱；3‑控制箱；4‑离心泵；5‑双自由度水炮装置；51‑回转电机；52‑回转减速器；53‑俯仰电机；54‑俯仰减速器；55‑炮杆；56‑炮体；57‑限位传感器；58‑回转支承；59‑底座；6‑高清摄像头组；61‑高度调节马达；62‑摄像头底座；63‑单目高清摄像头；64‑防水挡板；65‑齿形带；66‑水平调节马达；67‑支架；7‑双目定位摄像头；8‑探照灯；9‑基准绝缘子。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
[0036] 本发明的一种智能化脏污程度判断的绝缘子冲洗系统如图1所示，具体为：车架1上从前往后依次安装基准绝缘子9、高清摄像头组6、探照灯8、双自由度水炮装置5、离心泵4、控制箱3和水箱2。
[0037] 双自由度水炮装置5如图2所示，具体包括由回转电机51、回转减速器52以及回转支承58所构成的回转传动模组，由俯仰电机53、俯仰减速器54以及炮杆55所构成的俯仰传动模组，由炮体56以及底座59所构成的防护结构，以及安装在炮杆55上的双目定位摄像头7。回转支承58和炮杆55上设置有限位传感器57，保证炮杆55的正常复位以及防止由于转动角度过大而引起的内部线路破环。炮管内部运用高压射流技术，对高压水流进行处理，使之能够完成带电水冲洗工作。
[0038] 如图3所示，高清摄像头组6的摄像头底座62通过支架67安装在车架1上。支架67上设置高度调节马达61，高度调节马达61通过齿形带65传动来调节单目高清摄像头63的高度；摄像头底座62上设置水平调节马达66，水平调节马达66通过齿形带65传动来调节单目高清摄像头63的水平转动。单目高清摄像头63的顶部设置防水挡板64。
[0039] 控制箱3内设置PLC控制器、计算机、驱动控制器和电磁阀。计算机连接双目定位摄像头7和单目高清摄像头63；PLC控制器连接回转电机51与俯仰电机53、水平调节马达66与高度调节马达61；
[0040] 双自由度水炮装置5通过水管连接离心泵4，再通过水管连接到水箱2来吸水。
[0041] 计算机中设置绝缘子定位和脏污程度识别程序、绝缘子冲洗控制程序。
[0042] 进一步的，绝缘子定位和脏污程度识别原理如图4所示，具体为：
[0043] 步骤1：首先将双目定位摄像头7采集的图像进行灰度化处理，每个像素点取灰度值，并标记绝缘子内部灰度平均值，根据采集的绝缘子图片的形状特征与纹理特征，对不同背景环境下的特征值进行区分，通过深度学习算法，训练对绝缘子的识别。
[0044] 步骤2：由于同一物体在外界环境相同的条件下，在左右两摄像头中的成像像素点一一对应的关系，根据变换矩阵及两摄像头的空间位置差，还原绝缘子中心特征点的空间坐标，PLC控制器根据三维坐标调节炮杆55对准目标绝缘子。
[0045] 步骤3：根据双目定位摄像头7与单目高清摄像头63的空间坐标差，以及炮杆55现有旋转角，运用空间旋转矩阵将目标绝缘子坐标转化到以单目高清摄像头63为原点的坐标系内，PLC控制器根据转换后的坐标，调节单目高清摄像头63转角，使之对准目标绝缘子拍摄高清图片。
[0046] 步骤4：根据颜色空间理论，计算单目高清摄像头63所拍摄的高清图像中目标绝缘子的颜色均值X1、中值X2、方差X3、极差X4、偏度值X5、峰度值X6、能量值X7以及熵值X8，计算目标绝缘子总颜色特征函数P1＝f(X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8)。
[0047] 步骤5：根据灰度共生矩阵GLCM，计算不同灰度值i的层状分布图(此处设定为6层)，生成目标绝缘子边缘纹理图像特征函数P2＝f(i1,i2,i3,i4,i5,i6)。
[0048] 步骤6：将目标绝缘子与基准绝缘子9的两特征函数进行对比，计算偏离值，根据偏离值对目标绝缘子的脏污程度进行评估。
[0049] 进一步的，脏污程度分为五类：A：很轻、B：轻、C：中等、D：重、E：很重。
[0050] 进一步的，如图5所示，步骤3中空间坐标的转换具体为：
[0051] 计算目标绝缘子位于双目定位摄像头7的坐标系1中的三维坐标(x1,y1,z1)，并计算炮杆55当前转角θ；由于单目高清摄像头63坐标原点O2在坐标系1中的坐标为固定值，且符合空间旋转矩阵E的矢量计算，于是通过空间旋转位移矩阵方程E，得到目标绝缘子位于坐标系2下的三维坐标(x2,y2,z2)。
[0052] 进一步的，如图6所示，绝缘子冲洗控制程序具体为：
[0053] 在炮杆55瞄准目标绝缘子后，将目标绝缘子与干净的基准绝缘子9的两特征函数进行对比，计算偏离值，根据偏离值对目标绝缘子的脏污程度进行评估，若脏污程度低于设定安全值，则跳过该绝缘子，识别下一个目标；若脏污程度高于设定安全值，则计算机发送信号，驱动控制器打开电磁阀，对目标绝缘子进行冲洗。
[0054] 进一步的，目标绝缘子与干净的基准绝缘子9对比时，通过探照灯8提供辅助光源，保证目标绝缘子与干净的基准绝缘子9拥有同一光照条件且方向相同，如此可实现精准识污，冲洗效果更佳。
