立體視覺技術在吊車接近預警系統中的應用

廣東電網能源發展有限公司 杜浩銳

電力施工現場的安裝和拆卸環節經常用到起重吊車，為保證在帶電運行狀態下使用吊車作業的安全性，現有規程對吊車使用安全距離做了詳細的規定。但現有吊車作業均由人工司索指揮，安全距離難以準確掌控，一旦吊車過于靠近帶電體則會發生放電擊穿、跳閘事故，造成設備損壞、人員傷亡，甚至導致大面積停電事故。針對此現狀，本文旨在研究一種基于立體視覺的吊車高壓接近預警系統，能在吊車臨近帶電體作業時對安全距離進行實時監控，同時收集吊車周圍高壓線及吊車各部件的實時信息，當吊臂距高壓線安全距離不足時，系統實時報警。

本文研制的吊車高壓接近預警系統通過機器視覺技術，結合AI自學習算法實現吊車臂與帶電體所在位置的空間感知、識別周圍的物體和位置測距。報警系統包含前置采集裝置和車載報警終端，其中前置采集裝置根據不同型號的吊車，安裝在吊車最靠近高壓線的吊臂部位。采集裝置收集到吊車周圍高壓線的環境信息、吊車各部件的位置信息后，以無線通訊的形式把信息發送至吊車操控室內，吊車操作者就可以實時觀測到吊車的位置信息，當吊車某個部件過于靠近高壓線時，該系統即刻發出報警信息，警示操作者警惕高壓線碰撞危險。

1 前置采集裝置

作業環境的三維構建是整個項目的工作重點，實地測量內容包括：相鄰帶電設備空間距離、吊車擺臂范圍。為實現相鄰帶電設備空間距離測量，我們在作業車輛吊臂頂端位置5個方向均安裝雙目激光攝像頭，進行測距及視頻采集。由于吊臂頂端的攝像頭無法對吊臂本身進行觀察，需在吊車外額外安裝雙目激光攝像頭，實現吊臂自身的監控、測量。采集裝置與車載主機之間采用WIFI或者5G通信，裝置可封裝成為一體化模塊，便于以吸附方式直接固定安裝在作業車輛吊臂頂端。

2 前置采集裝置測距原理

前置采集裝置主要完成圖像采集與圖像處理功能，計算出吊臂與相鄰帶電設備的實時空間距離，對吊車的工作場景進行重建。按照相關規定，必須使作業吊車和帶電設備保持足夠的安全距離，因此必須測量出帶電設備的坐標參數，用以界定吊臂在安全范圍內作業提供準確的依據。如圖1所示，雙目攝像頭進行視覺測量時兩個攝像頭成固定角度擺放的，與被測物構成三角形，兩個CCD攝像頭在左右兩側分別投影，交匯成一個二維投影點。該投影點的坐標可由兩個攝像頭投影坐標方程聯合求解，以測得帶電設備的具體空間距離，各帶電設備與地面、設備與設備之間的空間坐標。

圖1 雙目視覺三角測距法示意圖

2.1 基于雙目視覺的三維測量系統實現

該系統由CCD攝像頭、振鏡和激光線投射器組成。為了將平面二維圖像和激光平面方程轉化為空間三維數據，需利用平面靶標對攝像頭內外部參數進行標定，包括有效焦距F，透鏡畸變系數K等攝像頭內部幾何和光學特性；外部參數是指攝像頭坐標與外部三維坐標的位置換算，具體包括一個正交矩陣R和一個平移矩陣T。最終利用三角形測距法測量出空間距離；計算出各帶電設備與地面、設備與設備之間的空間坐標。

2.2 測量功能的實現

前置采集裝置基于光學三角法測量原理，由激光器提供激光源，經反射鏡片反射后向物體投射激光束，物體反射后的激光線條由CCD攝像頭采集，送至結構光圖像傳感器進一步處理。測量過程如圖2所示。

圖2 激光測量系統原理圖

2.3 測量過程數學建模

首先要建立三維坐標系，才能實現攝像頭坐標與外部三維坐標的轉化關系。我們先建立任一振鏡角度所對應的光平面方程。光平面方程需要在像素平面（μ,υ）與攝像頭三維坐標（x，y，z）之間進行幾何建模，將二維像素數據（μ,υ）轉化為三維坐標。轉化模型如圖3所示（其中原點0為光學中心）。為攝像頭像面坐標系；ow xw yw zw為振鏡坐標系，F為理想成像系統的焦距。

圖3 三維坐標轉化數學模型

由圖3可判斷出：攝像頭像面坐標系與三維世界坐標（x,y,z）的點相互坐標系的變換關系為式(1)：

式(1)中，(Nx,Ny)為圖像平面上單位距離像素點，為攝像頭固有屬性。

2.4 光鏡面方程推導

我們對振鏡建立平面坐標系：z=f(x,y)，如圖4所示，振鏡坐標系如圖圓心O位于振鏡轉軸上，與攝像頭鏡頭光心重合。

圖4 振鏡坐標系

由入射光面及鏡面方程，可推導反射光面方程為式(2)：

其中：

入射光面方程與反射光面方程進行聯合求解，通過二維的像面坐標系，反演求解出吊車與高壓物體的三維空間距離。

3 車載輔助終端

前置采集裝置的攝像頭和雷達基于視覺技術，可實現吊車臂與臨近帶電物體的空間位置感知，并計算最短相對距離。車載輔助終端則安裝在作業車輛控制室內，采用AI自學習算法，實現帶電體所在位置的空間感知、識別周圍的物體和位置測距，吊車吊臂在三維實景中進行模擬軌跡預演，結合多種感知設備實現吊車作業的全方位管控，有碰撞風險時急停程序啟動，作業吊車吊臂作業緊急中斷。

4 前置采集系統測試分析

吊車前置采集裝置在進行空間距離測量時，受平面靶標精度、參數標定、采樣與量化等諸多因素影響，會產生一定的視覺誤差。因此為保證測量精度，在本系統的開發過程中，采取了一系列措施以提高測量精度，如：三角投影點坐標計算、提高圖像邊緣檢測精度等。我們將吊車前置采集裝置樣機進行測試，對間隔50m、25m、10m等不同距離的靶標進行多次測量，測量結果如表1所示，測量數據驗證：該測量系統精度較穩定，測距誤差在2%以內，對三維空間的位置還原度好，能滿足吊臂與相鄰帶電設備的實時監控要求。

表1 不同距離數次測量結果