基于點云技術電力物資自裝卸作業(yè)研究

汪 泳，劉必慶，謝立超

(安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

點云技術在很多領域都有著廣泛應用，如幾何學、圖形學、計算機、人工智能等學科。點云技術在剛問世的時候，由于測量設備十分昂貴，使得該技術的發(fā)展受到了非常大的限制，國內針對點云技術的研究也非常稀少。但點云數(shù)據(jù)通過直接手段或是間接手段采集有關目標的特性密集點數(shù)據(jù)，可以以此為基礎，為現(xiàn)實工作提供更多直接和有效的代表性三維數(shù)據(jù)。在初始的激光雷達點云經過處理之后，激光點云數(shù)據(jù)的作用也能得到有效發(fā)揮。

1 物資自動化研究

在現(xiàn)階段的工業(yè)自動化領域之內，點云技術也得到了廣泛應用，而其中的3D建模在點云技術中的作用顯著。通過完整的3D模型和點云建模方法，可以在完整的模型中實施有關的技術研究工作。但在某些復雜的工業(yè)場景當中可能會出現(xiàn)一些問題，因此需要通過點云技術加強對子過程的分析。以物資倉庫的自動化管理為例，硬件部分的核心是激光三維掃描儀和變壓器自動定位系統(tǒng)，有關的研究工作也比較成熟，可以實現(xiàn)物資倉庫管理的自動化設計，讓貨物的裝卸過程更加智能化。不過我國在這方面的技術研究時間較晚，自動化變壓器倉庫還未能得到大規(guī)模應用[1-3]。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)功能

①控制激光三維掃描儀采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，可以按照實際需求選擇數(shù)據(jù)信息[4-5]。

②激光三維掃描儀對變壓器和鞍座的點云數(shù)據(jù)進行掃描后獲取定位坐標，并且在理想狀態(tài)下以本地數(shù)據(jù)為基礎進行測算，將空間位置信息誤差和坐標誤差值縮小至5 cm以內。

③將所有的采集數(shù)據(jù)顯示在終端區(qū)域，按照數(shù)據(jù)采集的要求與工作規(guī)劃對數(shù)據(jù)內容進行調節(jié)。

④對所有設備的工作過程信息進行備份，尤其是某些出現(xiàn)錯誤和報警信息。這些信息可以被作為上傳至終端的日志內容。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

以變壓器裝卸為例，系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊Fig.1 System function module

變壓器的自動定位裝卸系統(tǒng)一般分為四個部分，顯示模塊、激光掃描儀相關模塊、變壓器模塊、控制模塊。變壓器定位模塊還細分為出庫和入庫變壓器定位模塊。自動定位系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 自動定位系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of automatic positioning system

激光三維掃描儀控制模塊主要用來控制激光三維掃描儀，對變壓器行進掃描得到點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)保存處理模塊主要用來對掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)進行預處理和對處理后的數(shù)據(jù)進行保存。

出庫和入庫變壓器定位模塊的作用是獲取變壓器的裝卸位置，即對變壓器進行相關定位。同時，由于數(shù)據(jù)量綱以及其他因素的影響，在變壓器定位前，需要進行數(shù)據(jù)預處理。

通過觸摸屏，顯示模塊可以對于整個系統(tǒng)進行必要的設置。此外，該模塊還具有顯示動態(tài)顯示整個過程中變壓器定位及結果的功能。

2.3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 System flowchart

系統(tǒng)開機啟動后，首先系統(tǒng)會檢查參數(shù)是不是正常設置，然后檢查是否連接到掃描儀。一切正常后，如果是離線狀態(tài)，利用保存在本地的數(shù)據(jù)進行測試；如果是在線狀態(tài)，直接獲取實時數(shù)據(jù)進行坐標定位。待貨車進入到掃描區(qū)后，啟動變壓器出入庫定位。然后控制掃描儀開始進行掃描。掃描儀進行掃描后將數(shù)據(jù)轉換為坐標三維點云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預處理模塊會對這些數(shù)據(jù)進行測算，計算完成后將這些數(shù)據(jù)保存。如果一直處于離線狀態(tài)的話，系統(tǒng)會直接根據(jù)保存在本地的數(shù)據(jù)進行后續(xù)計算。系統(tǒng)需要根據(jù)當前變壓器是出庫狀態(tài)還是入庫狀態(tài)進行出入庫定位模塊的選擇。顯示模塊會將坐標的計算過程顯示在畫面上，方便操作人員進行監(jiān)控。坐標計算完成后，系統(tǒng)會自動判斷結果是否正確。如果沒有錯誤信息，系統(tǒng)將顯示結果；如果有錯誤信息，則會終止操作。當所有的定位正確無誤之后，系統(tǒng)會進入待機狀態(tài)，等待指令進行下一步操作。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)預處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)設備種類不同，點云數(shù)據(jù)的獲取方法有接觸式和非接觸式兩種類型，采用聲、光、電這幾種方式進行測量。當進行實際測量時，主要使用坐標測量法、投影光柵測量法、激光三維測量法進行。其中，坐標測量法是接觸式測量法，投影光柵測量法和激光三維測量法是非接觸式測量法[6-12]。

不同的應用場景會影響系統(tǒng)測量。在倉庫中天車的起吊作業(yè)會影響點云數(shù)據(jù)的測量，所以不能使用接觸式測量方法。同時，考慮到倉庫環(huán)境光線不一定充足，有的倉庫的光線非?；璋?。投影測量法使用的電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機也會受到很大影響，所以也不能使用投影光柵測量法。

本文中使用的是激光三維掃描測量法。該方法只需要將掃描儀安置在變壓器裝卸區(qū)，不妨礙其他設備運行的位置就可以。同時，該測量方法使用激光掃描，精度非常高，且不會受到光照和溫度影響?；谶@些優(yōu)勢，本系統(tǒng)的掃描方法選用了激光三維掃描法來獲取三維點云數(shù)據(jù)。

3.1.2 點云數(shù)據(jù)相關算法

本設計所用技術為激光點云技術，其原理為應用激光三維掃描系統(tǒng)將每一個點坐標進行相應的定位。通過旋轉棱鏡與激光發(fā)射器的相互配合，測算出相應距離以及角度，然后配合相應算法記錄下相應的坐標信息，最后通過計算機轉換最終取得最終的三維坐標信息。

點云技術數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 點云技術數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Data acquisition flow of point cloud technology

一般情況下，一個激光三維掃描儀會由一個二維激光掃描儀和一個云臺組成。為得到完整的三維坐標數(shù)據(jù)，先要測量激光掃描數(shù)據(jù)，隨后將掃描數(shù)據(jù)和旋轉角度融合，計算出三維極坐標數(shù)據(jù)，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出三維坐標數(shù)據(jù)。

在掃描過程中，先將每條掃描線極坐標數(shù)據(jù)測量出來并保存。在測量出全部的三維極坐標信息后，通過下面的公式能夠計算出三維空間的坐標數(shù)據(jù)。

(1)

式中：θ為兩條二維掃描線上某一點與Z軸的夾角度數(shù)；N為兩條掃描線中第N點；D為掃描儀測量得到的發(fā)射點距離目標點的距離數(shù)值；α為掃描儀進行這兩條掃描線掃描時云臺的旋轉度數(shù)。

3.1.3 去噪處理

所有的點云數(shù)據(jù)測量都會有一定的測量誤差，激光三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)測量誤差主要是儀器誤差、被測物體發(fā)射面帶來的誤差和外部影響。通過激光三維掃描儀測量得到的點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，如果沒有好的辦法處理這些測量數(shù)據(jù)誤差的話，這些數(shù)據(jù)將會給后續(xù)的精度計算帶來非常嚴重的影響。所以，去除掃描過程中測量數(shù)據(jù)的噪聲和濾波工作非常的重要，要對原始數(shù)據(jù)進行去燥處理[13-16]，減少測量噪聲帶來的誤差。本次設計采用的步驟如下。

①將掃描線上定義掃描線上每一個點量測相鄰的兩個點作為鄰域。

②將掃描線兩邊最邊緣的兩點坐標值去掉，求出每個坐標點鄰域均值。

③使用每組測量數(shù)據(jù)的均值替換原中心點的坐標值。

④重復步驟①～③，將全部掃描線測量完畢。

3.2 自裝卸實現(xiàn)

3.2.1 自動定位

點云數(shù)據(jù)經過預處理后，需要根據(jù)當前變壓器是出庫還是入庫狀態(tài)來進行相應的定位操作，變壓器為出庫狀態(tài)應當進行變壓器轉載。這需要對轉載貨車進行掃描，得到鞍座數(shù)據(jù)。根據(jù)鞍座數(shù)據(jù)計算得出變壓器裝載需要的三維空間坐標數(shù)據(jù)。變壓器是入庫狀態(tài)就需要對裝載變壓器的貨車進行掃描，得到變壓器弧面數(shù)據(jù)，再計算出變壓器圓柱柱心的三維坐標信息。

變壓器入庫流程如圖5所示。

圖5 變壓器入庫流程圖Fig.5 Transformer storage flow

3.2.2 聚類分割

變壓器的點云數(shù)據(jù)需要進行兩部操作。首先要進行的是數(shù)據(jù)分割操作，將無用數(shù)據(jù)去除。去除完成后再進行聚類，在這一操作中將單組的變壓器弧面數(shù)據(jù)進行聚類提取。在完成這兩步操作后，使用直通濾波方式進行分割操作，需要進行兩次濾波操作，然后從垂直和水平方向分別濾除貨車頭部的點云數(shù)據(jù)，得到需要的變壓器點云數(shù)據(jù)。

3.3 相關實現(xiàn)與驗證

測試五組點云數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由兩個部分組成，分別包含同一輛載重貨車在裝載變壓器和空載這兩種情形下的三維點云掃描數(shù)據(jù)。

為了不影響正常生產運輸工作，確保測試工作中的安全，變壓器吊放時采用的人工裝卸的方法。對這兩組數(shù)據(jù)分別進行出庫變壓器自動定位操作和入庫變壓器自動定位操作后，得到這五組變壓器的裝載和卸載空間位置。

測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

4 結論

本文基于點云技術，設計了一套電力系統(tǒng)的自動裝卸體系。本次設計從點云技術原理出發(fā)，隨后以電力系統(tǒng)中常見的變壓器為例，應用點云技術進行自動裝卸設計。本次設計只是對于較為復雜的柱狀為例進行了相關計算以及說明，對于較為簡單的立方體或者球體其原理大同小異，對于不規(guī)則物體則需要進行相關分割再進行測算。由于篇幅有限，并且電力部門涉及到的標準物件較多，故本次研究并未考慮，特殊情況則在后續(xù)進行研究。