一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置
阅读说明：本技术 一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置 (Reservoir liquid level remote monitoring device based on camera and laser radar ) 是由 崔尹臣 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置,包括第一测距模块、第二测距模块、目标浮体、控制模块和远程监控终端,第一测距模块包括第一摄像头和第一激光雷达,用于测量第一测距模块与目标浮体的距离；第二测距模块包括第二摄像头和第二激光雷达,用于测量第二测距模块与目标浮体的距离；控制模块包括同步控制单元和数据处理单元。本发明通过数据处理单元计算获得水库液位值,进而实现对水库液位的测量,快速高效,准确性高,降低了工作人员劳动强度。同时,控制模块还通过无线的方式与远程监控终端相连,实现对水库液位的远程监控,避免因为水库液位监测不到位导致发生严重事故,也有利于促进机械化农业生产管理的发展。(The invention discloses a reservoir liquid level remote monitoring device based on a camera and a laser radar, which comprises a first ranging module, a second ranging module, a target floating body, a control module and a remote monitoring terminal, wherein the first ranging module comprises a first camera and a first laser radar and is used for measuring the distance between the first ranging module and the target floating body; the second ranging module comprises a second camera and a second laser radar and is used for measuring the distance between the second ranging module and the target floating body; the control module comprises a synchronous control unit and a data processing unit. According to the invention, the reservoir liquid level value is obtained through calculation of the data processing unit, so that the reservoir liquid level is measured, the method is rapid and efficient, the accuracy is high, and the labor intensity of workers is reduced. Meanwhile, the control module is also connected with the remote monitoring terminal in a wireless mode, so that the remote monitoring of the liquid level of the reservoir is realized, the serious accident caused by the fact that the liquid level of the reservoir cannot be monitored is avoided, and the development of mechanized agricultural production management is facilitated.)
技术领域
本发明涉及液位检测技术领域，具体涉及一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置。
背景技术
水库作为拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可以用来灌溉、发电、防洪和养鱼。尤其是在农村，水库的作用对农业发展益处甚大，主要体现在对农业的灌溉。但是据目前了解，很多强降水的地区，水库经常出现暴漫绝提情况，究其原因是由于水库区域位于偏远地区，经常无人对水位进行测量，大强度的降雨最终导致堤坝崩溃，引发绝提。针对此类现象，目前人们普遍采用的方法就是定期或不定期对水库进行查看，大多数人可能会经常遗忘或是不负责任，最终可能因为忘记检测水位导致水库液位上升，最终导致发生严重事件。另外，现有的水库液面上升时，工作人员是根据标杆查看水库液位是否安全，既加大了工作人员的劳动强度，也降低了水库液位监测效率，不利于机械化农业的发展。
发明内容
本发明主要是针对，现有技术中，水库液位测量劳动强度大、机械化程度低；偏远地区水库液位监控不到位的问题，提出了一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置，通过摄像头和激光雷达，实现快速高效测量水库液位，并将测量的实时水库液位通过无线方式传送给远程监控终端，实现远程监控水库液位，避免因为水库液位监测不到位导致发生严重事故，同时，降低了工作人员的劳动强度，有利于促进机械化农业生产管理的发展。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置，包括第一测距模块、第二测距模块、目标浮体和控制模块，所述第一测距模块包括第一摄像头和第一激光雷达，所述第二测距模块包括第二摄像头和第二激光雷达；所述第一测距模块设在水库内壁上，用于测量第一测距模块与目标浮体的距离；所述第二测距模块设在所述第一测距模块正下方，用于测量第二测距模块与目标浮体的距离；所述目标浮体放置在水库的水面上；所述控制模块分别与第一测距模块、第二测距模块电连接，所述控制模块包括同步控制单元和数据处理单元，所述控制模块通过无线方式与远程监控终端连接。本发明提供一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置，包括第一测距模块、设在第一测距模块正下方的第二测距模块、放置在水库水面上的目标浮体、控制模块和远程监控终端，所述第一测距模块包括第一摄像头和第一激光雷达，设在水库内壁靠近上边缘的位置处，用于测量第一测距模块与目标浮体的距离；所述第二测距模块包括第二摄像头和第二激光雷达，设在水库内壁上第一测距模块正下方，用于测量第二测距模块与目标浮体的距离；所述目标浮体漂浮在水库水面上；所述控制模块包括同步控制单元和数据处理单元，同步控制单元用于控制两个测距模块同时工作，保证第一测距模块获得的距离与第二测距模块获得的距离是同一时刻相对目标浮体的距离；数据处理单元用于根据事先存储的数据、第一测距模块测量获得的数据、第二测距模块测量获得的数据、通过数据计算获得水库液位高度，实现对水库液位的测量，快速高效，准确性高，降低工作人员劳动强度。同时，控制模块还通过无线的方式与远程监控终端相连，实现对水库液位的远程监控，避免因为水库液位监测不到位导致发生严重事故，也有利于促进机械化农业生产管理的发展。
作为优选，所述第一测距模块的工作过程，包括以下步骤：步骤A1)通过第一摄像头生成第一目标检测模型，第一目标检测模型用于检测第一摄像头拍摄的水库水面图像中是否有所述目标浮体，若是，则对图像中的目标浮体进行标定；若否，则继续采集水库水面图像；步骤A2)通过第一激光雷达生成第一距离测量模型，第一距离测量模型用于测量所述第一测距模块与步骤A1中标定的目标浮体的距离。本发明设有第一测距模块，用于测量第一测距模块与目标浮体的距离，其工作过程为：首先，通过第一摄像头采集历史水库水面图像数据，并对历史水库水面图像数据进行清洗、标定，获得第一图像训练集；同时通过第一激光雷达采集历史水库水面点云数据，并对历史水库水面点云数据进行对齐，获得第一点云训练集；接着，基于深度卷积神经网络构建第一初始目标检测模型和第一初始距离测量模型，用第一图像训练集数据训练第一初始目标检测模型生成第一目标检测模型，用第一点云训练集数据训练第一初始目标检测模型生成第一距离测量模型；然后第一摄像头将采集的实时水库水面图像数据作为第一目标检测模型的输入，第一目标检测模型判断实时水库水面图像中是否有目标浮体，如果有，对目标浮体进行标定，输出目标浮体的标定框，接着第一距离测量模型将标定框和稀疏深度图作为输入，输出第一测距模块与目标浮体的距离；如果没有，则第一摄像头继续采集水库水面图像数据。
作为优选，所述第二测距模块的工作过程，包括以下步骤：步骤B1)通过第二摄像头生成第二目标检测模型，第二目标检测模型用于检测第二摄像头拍摄的水库水面图像中是否有所述目标浮体，若是，则对图像中的目标浮体进行标定；若否，则继续采集水库水面图像；步骤B2)通过第二激光雷达生成第二距离测量模型，第二距离测量模型用于测量所述第二测距模块与步骤B1中标定的目标浮体的距离。本发明设有第二测距模块，用于测量第二测距模块与目标浮体的距离，其工作过程为：首先，通过第二摄像头采集历史水库水面图像数据，并对历史水库水面图像数据进行清洗、标定，获得第二图像训练集；同时通过第二激光雷达采集历史水库水面点云数据，并对历史水库水面点云数据进行对齐，获得第二点云训练集；接着，基于深度卷积神经网络构建第二初始目标检测模型和第二初始距离测量模型，用第二图像训练集数据训练第二初始目标检测模型生成第二目标检测模型，用第二点云训练集数据训练第二初始距离测量模型生成第二距离测量模型；然后第二摄像头将采集的实时水库水面图像数据作为第二目标检测模型的输入，第二目标检测模型判断实时水库水面图像中是否有目标浮体，如果有，对目标浮体进行标定，输出目标浮体的标定框，接着第二距离测量模型将标定框和稀疏深度图作为输入，输出第二测距模块与目标浮体的距离；如果没有，则第二摄像头继续采集水库水面图像数据。
作为优选，测量水库液位的具体过程，包括以下步骤：步骤C1)根据已知的第一测距模块与第二测距模块的距离a、步骤A2测得的第一测距模块与目标浮体的距离b、以及步骤B2测得的第二测距模块与目标浮体的距离c，按照余弦公式计算获得所述第一测距模块与所述目标浮体的连线相对于水库内壁方向的角度α；步骤C2)根据已知的水库内壁方向相对水平方向的夹角β、步骤C1获得的所述第一测距模块与所述目标浮体的连线相对于水库内壁方向的角度α，按照公式计算获得所述目标浮体与第一测距模块的竖直距离h′；步骤C3)根据已知的水库深度H、所述目标浮体与第一测距模块的竖直距离h′，按照公式h＝H-h′计算获得水库液位h。本发明通过第一测距模块获得第一测距模块与目标浮体的距离b，通过第二测距模块获得第二测距模块与目标浮体的距离c，且数据处理单元中储存有第一测距模块与第二测距模块的距离a、水库内壁方向相对水平方向的夹角β、水库深度H，先按照公式计算获得所述第一测距模块与所述目标浮体的连线相对于水库内壁方向的角度α，再按照公式计算获得所述目标浮体与第一测距模块的竖直距离h′，最后按照公式h＝H-h′计算获得水库液位h。本发明借助两个测距模块，实现对水库液位的测量，快速高效，准确性高，省时省力，降低工作人员的劳动强度，有利于促进机械化农业生产管理的发展。
作为优选，所述同步控制单元用于控制第一测距模块和第二测距模块同步工作。本发明第一测距模块测量获得的与目标浮体的距离和第二测距模块测量获得的与目标浮体的距离，必须是同一时刻下相对同一目标浮体的距离，所以通过同步控制单元控制第一测距模块和第二测距模块同步工作，保证两个测距模块测量获得的距离是同一时刻相对同一目标浮体的距离。
作为优选，所述数据处理单元存储有第一测距模块与第二测距模块的距离a、水库内壁方向相对水平方向的夹角β、水库深度H。本发明将第一测距模块与第二测距模块的距离a、水库内壁方向相对水平方向的夹角β、水库深度H事先存储在数据处理单元中，为后续计算获得水库液位做准备。
作为优选，所述第一测距模块将测得的第一测距模块与目标浮体的距离b传送至数据处理单元。本发明第一测距模块将测得的第一测距模块与目标浮体的距离b传送至数据处理单元，为后续计算获得水库液位做准备。
作为优选，所述第二测距模块将测得的第二测距模块与目标浮体的距离c传送至数据处理单元。本发明第二测距模块将测得的第二测距模块与目标浮体的距离c传送至数据处理单元，为后续计算获得水库液位做准备。
作为优选，所述数据处理单元将计算获得的水库液位h通过无线的方式传送至远程监控终端。本发明数据处理单元将计算获得的水库液位h通过无线的方式传送至远程监控终端，实现对水库液位的远程监控，降低了工作人员的劳动强度，通过远程监控，避免因为水库液位监测不到位导致发生严重事故，同时，有利于促进机械化农业生产管理的发展。
因此，本发明的优点是：
(1)实现对水库液位的快速测量，省时省力，准确性高；
(2)实现对水库液位的远程监控，避免因为水库液位监测不到位导致发生严重事故，同时，降低了工作人员的劳动强度，有利于促进机械化农业生产管理的发展。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明实施例的位置关系示意图。
A、第一测距模块 B、第二测距模块 O、目标浮体 1、同步控制单元 2、数据处理单元 3、控制模块 4、远程监控终端 5、第一摄像头 6、第一激光雷达 7、第二摄像头 8、第二激光雷达。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示，一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置，包括第一测距模块A、第二测距模块B、目标浮体O和控制模块3，第一测距模块A包括第一摄像头5和第一激光雷达6，第二测距模块B包括第二摄像头7和第二激光雷达8；第一测距模块A设在水库内壁上，用于测量第一测距模块A与目标浮体O的距离；第二测距模块B设在第一测距模块A正下方，用于测量第二测距模块B与目标浮体O的距离；目标浮体O放置在水库的水面上；控制模块3分别与第一测距模块A、第二测距模块B电连接，控制模块3包括同步控制单元1和数据处理单元2，控制模块3通过无线方式与远程监控终端4连接。本发明提供一种基于摄像头和激光雷达的水库液位远程监控装置，包括第一测距模块A、设在第一测距模块A正下方的第二测距模块B、放置在水库水面上的目标浮体O、控制模块3和远程监控终端4，第一测距模块A包括第一摄像头5和第一激光雷达6，设在水库内壁靠近上边缘的位置处，用于测量第一测距模块A与目标浮体O的距离；第二测距模块B包括第二摄像头7和第二激光雷达8，设在水库内壁上第一测距模块A正下方，用于测量第二测距模块B与目标浮体O的距离；目标浮体O漂浮在水库水面上；控制模块3包括同步控制单元1和数据处理单元2，同步控制单元1用于控制两个测距模块同时工作，保证第一测距模块A获得的距离与第二测距模块B获得的距离是同一时刻相对目标浮体O的距离；数据处理单元2用于根据事先存储的数据、第一测距模块A测量获得的数据、第二测距模块B测量获得的数据、通过数据计算获得水库液位高度，实现对水库液位的测量，同时，控制模块3还通过无线的方式与远程监控终端4相连，数据处理单元2将计算获得的水库液位传送至远程监控终端4，实现对水库液位的远程监控。
第一测距模块A的工作过程，包括以下步骤：步骤A1)通过第一摄像头5生成第一目标检测模型，第一目标检测模型用于检测第一摄像头5拍摄的水库水面图像中是否有目标浮体O，若是，则对图像中的目标浮体O进行标定；若否，则继续采集水库水面图像；步骤A2)通过第一激光雷达6生成第一距离测量模型，第一距离测量模型用于测量第一测距模块A与步骤A1中标定的目标浮体O的距离。本发明设有第一测距模块A，用于测量第一测距模块A与目标浮体O的距离，其工作过程为：首先，通过第一摄像头5采集历史水库水面图像数据，并对历史水库水面图像数据进行清洗、标定，获得第一图像训练集；同时通过第一激光雷达6采集历史水库水面点云数据，并对历史水库水面点云数据进行对齐，获得第一点云训练集；接着，基于深度卷积神经网络构建第一初始目标检测模型和第一初始距离测量模型，用第一图像训练集数据训练第一初始目标检测模型生成第一目标检测模型，用第一点云训练集数据训练第一初始目标检测模型生成第一距离测量模型；然后第一摄像头5将采集的实时水库水面图像数据作为第一目标检测模型的输入，第一目标检测模型判断实时水库水面图像中是否有目标浮体O，如果有，对目标浮体O进行标定，输出目标浮体O的标定框，接着第一距离测量模型将标定框和稀疏深度图作为输入，输出第一测距模块A与目标浮体O的距离；如果没有，则第一摄像头5继续采集水库水面图像数据。
第二测距模块B的工作过程，包括以下步骤：步骤B1)通过第二摄像头7生成第二目标检测模型，第二目标检测模型用于检测第二摄像头7拍摄的水库水面图像中是否有目标浮体O，若是，则对图像中的目标浮体O进行标定；若否，则继续采集水库水面图像；步骤B2)通过第二激光雷达8生成第二距离测量模型，第二距离测量模型用于测量第二测距模块B与步骤B1中标定的目标浮体O的距离。本发明设有第二测距模块B，用于测量第二测距模块B与目标浮体O的距离，其工作过程为：首先，通过第二摄像头7采集历史水库水面图像数据，并对历史水库水面图像数据进行清洗、标定，获得第二图像训练集；同时通过第二激光雷达8采集历史水库水面点云数据，并对历史水库水面点云数据进行对齐，获得第二点云训练集；接着，基于深度卷积神经网络构建第二初始目标检测模型和第二初始距离测量模型，用第二图像训练集数据训练第二初始目标检测模型生成第二目标检测模型，用第二点云训练集数据训练第二初始距离测量模型生成第二距离测量模型；然后第二摄像头7将采集的实时水库水面图像数据作为第二目标检测模型的输入，第二目标检测模型判断实时水库水面图像中是否有目标浮体O，如果有，对目标浮体O进行标定，输出目标浮体O的标定框，接着第二距离测量模型将标定框和稀疏深度图作为输入，输出第二测距模块B与目标浮体O的距离；如果没有，则第二摄像头7继续采集水库水面图像数据。
如图2所示，测量水库液位的具体过程，包括以下步骤：步骤C1)根据已知的第一测距模块A与第二测距模块B的距离a、步骤A2测得的第一测距模块A与目标浮体O的距离b、以及步骤B2测得的第二测距模块B与目标浮体O的距离c，按照余弦公式计算获得第一测距模块A与目标浮体O的连线相对于水库内壁方向的角度α；步骤C2)根据已知的水库内壁方向相对水平方向的夹角β、步骤C1获得的第一测距模块A与目标浮体O的连线相对于水库内壁方向的角度α，按照公式计算获得目标浮体O与第一测距模块A的竖直距离h′；步骤C3)根据已知的水库深度H、目标浮体O与第一测距模块A的竖直距离h′，按照公式h＝H-h′计算获得水库液位h。本发明通过第一测距模块A获得第一测距模块A与目标浮体O的距离b，通过第二测距模块B获得第二测距模块B与目标浮体O的距离c，且数据处理单元中储存有第一测距模块A与第二测距模块B的距离a、水库内壁方向相对水平方向的夹角β、水库深度H，先按照公式计算获得第一测距模块A与目标浮体O的连线相对于水库内壁方向的角度α，再按照公式计算获得目标浮体O与第一测距模块A的竖直距离h′，最后按照公式h＝H-h′计算获得水库液位h。
同步控制单元1用于控制第一测距模块A和第二测距模块B同步工作。本发明第一测距模块A测量获得的与目标浮体O的距离和第二测距模块B测量获得的与目标浮体O的距离，必须是同一时刻下相对同一目标浮体O的距离，所以通过同步控制单元1控制第一测距模块A和第二测距模块B同步工作，保证两个测距模块测量获得的距离是同一时刻相对同一目标浮体O的距离。
数据处理单元2存储有第一测距模块A与第二测距模块B的距离a、水库内壁方向相对水平方向的夹角β、水库深度H。本发明将第一测距模块A与第二测距模块B的距离a、水库内壁方向相对水平方向的夹角β、水库深度H事先存储在数据处理单元2中，为后续计算获得水库液位做准备。
第一测距模块A将测得的第一测距模块A与目标浮体O的距离b传送至数据处理单元2。本发明第一测距模块A将测得的第一测距模块A与目标浮体O的距离b传送至数据处理单元2，为后续计算获得水库液位做准备。
第二测距模块B将测得的第二测距模块B与目标浮体O的距离c传送至数据处理单元2。本发明第二测距模块B将测得的第二测距模块B与目标浮体O的距离c传送至数据处理单元2，为后续计算获得水库液位做准备。
数据处理单元2将计算获得的水库液位h通过无线的方式传送至远程监控终端4。本发明数据处理单元2将计算获得的水库液位h通过无线的方式传送至远程监控终端4，实现对水库液位的远程监控。