高原輸變電工程電網(wǎng)設(shè)備安裝姿態(tài)自動測量方法

李基順， 蘭天， 蔣泓楊， 黃發(fā)千， 鄒勝友

(四川蜀能電力有限公司， 四川， 成都 6100051)

0 引言

受地理位置和氣候環(huán)境的影響，高原地區(qū)海拔高，氣候寒冷，輸變電工程中的電網(wǎng)設(shè)備也會因惡劣天氣而出現(xiàn)問題[1]。冰雪災(zāi)害等極端天氣放大了電網(wǎng)設(shè)備安裝中的小問題，影響了配電過程。因此，在高原輸變電工程電網(wǎng)設(shè)備安裝過程中，必須確保設(shè)備安裝姿態(tài)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并將設(shè)備安裝姿態(tài)測量作為主要思維內(nèi)容[2]。根據(jù)項目施工區(qū)域的實(shí)際情況，選擇合理的電網(wǎng)設(shè)備，并根據(jù)安裝姿態(tài)測量結(jié)果，完成設(shè)備校準(zhǔn)，避免因安裝細(xì)節(jié)錯誤而縮短設(shè)備的使用壽命。

通過自動測量結(jié)果調(diào)整各種電網(wǎng)設(shè)備的安裝位置，提高各部件的相對位置精度，已成為變電站工程建設(shè)中不可缺少的環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[3]以EPnP算法為基礎(chǔ)獲取設(shè)備初始參數(shù)，將參數(shù)輸入SoftPOSIT算法中完成下一步計算，獲取姿態(tài)測量結(jié)果，根據(jù)高精度二維轉(zhuǎn)臺，驗證姿態(tài)測量方法的影響效果。文獻(xiàn)[4]采用激光掃描傳感器作為基礎(chǔ)工具，完成姿態(tài)測量。利用多臺機(jī)器掃描獲取設(shè)備輪廓信息，并且從中提取出特征點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]針對設(shè)備姿態(tài)測量的可靠性要求，應(yīng)用雙三軸加速度計建立自動測量方法，在深入研究姿態(tài)測量原理后，獲取姿態(tài)參數(shù)求解模型，依靠信號有效性公式判斷測量結(jié)果的正確性。

針對高原輸變電工程特點(diǎn)以及設(shè)備安裝姿態(tài)測量需求，設(shè)計新的自動測量方法，標(biāo)定攝像機(jī)參數(shù)后，采用立方鏡自動準(zhǔn)直技術(shù)，校核安裝姿態(tài)參數(shù)解算方法獲得自動測量結(jié)果，為電網(wǎng)設(shè)備安裝校準(zhǔn)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 電網(wǎng)設(shè)備安裝姿態(tài)自動測量方法設(shè)計

1.1 標(biāo)定測量設(shè)備參數(shù)

在計算機(jī)視覺領(lǐng)域中，測量設(shè)備參數(shù)標(biāo)定是最基本和最重要的步驟[6]，尤其是輸變電工程電網(wǎng)設(shè)備安裝姿態(tài)測量這一類測量要求較高的工作，攝像機(jī)參數(shù)中包含的微小誤差會對最終的測量結(jié)果產(chǎn)生極大影響。

為了確保測量精度，需要標(biāo)定測量設(shè)備參數(shù)。以攝像機(jī)成像原理為依據(jù)，應(yīng)用計算機(jī)視覺算法，構(gòu)建攝像機(jī)成像模型[7]。在立方鏡的作用下，電網(wǎng)設(shè)備被測量部分經(jīng)過一個“小孔”投影在像平面，保證其在投影中滿足物點(diǎn)、光心、像點(diǎn)在同一條線上。根據(jù)成像關(guān)系的線性特點(diǎn)，獲取光學(xué)透鏡成像公式：

(1)

式中，u相比焦距f更大，通常情況下，像距v和焦距大小相似，可以形成小孔透視模型，其焦距與像距與攝像機(jī)成像模型相同。不涉及鏡頭的畸變數(shù)據(jù)，成像關(guān)系以線性方式呈現(xiàn)出來。

隨機(jī)選取某一空間點(diǎn)P，參考攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)空間點(diǎn)坐標(biāo)(Xc,Yc,Zc)與圖像坐標(biāo)系內(nèi)空間點(diǎn)坐標(biāo)(xc,yc,zc) ，則：

(2)

式中，c表示常數(shù)，f表示矩陣范數(shù)，X、Y、Z表示攝像機(jī)坐標(biāo)系，x、y、z表示圖像坐標(biāo)系，處于i-j空間，變換為矩陣形式為

(3)

式中，(m1,m2)是i-j空間下的坐標(biāo)值，(R,t)表示基向量i在x-y空間下的坐標(biāo)值，(0Y,1)表示基向量j在x-y空間下的坐標(biāo)值。根據(jù)上述公式，結(jié)合電網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際測量，設(shè)計了一個能覆蓋整個測量空間的參考對象。主動發(fā)光紅外設(shè)備用作參考對象和目標(biāo)校準(zhǔn)工具。失焦拍攝的質(zhì)量取決于發(fā)光目標(biāo)的亮度控制，以便相機(jī)能夠在適當(dāng)?shù)臏y量范圍內(nèi)以任何角度獲得設(shè)備安裝圖像。采用自由曲面擬合方法定位目標(biāo)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，標(biāo)定空間應(yīng)與測量空間相似，以提高測量精度[8]。在攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定過程中，從多個方向構(gòu)造參考對象，通過拍攝參考對象來提取攝像機(jī)與參考對象之間的幾何關(guān)系，固定相機(jī)，改變參考對象的放置位置，獲得不同方向的參考對象。根據(jù)上述參考目標(biāo)圖像構(gòu)造一個大的參考目標(biāo)，從而求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

1.2 設(shè)計立方鏡自動準(zhǔn)直技術(shù)

本文以立方鏡作為測量方法設(shè)計的核心技術(shù)。為了達(dá)到自動測量的效果，有必要完成立方鏡姿態(tài)測量的自動對準(zhǔn)[9]。本文采用反射鏡對準(zhǔn)方法。該方法操作簡單，在工業(yè)測量中得到了廣泛的應(yīng)用。在測量過程中，通過對鏡上任意點(diǎn)的法線方向進(jìn)行準(zhǔn)直，獲得立方鏡的位姿參數(shù)。準(zhǔn)直測量原理如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，在半透鏡反射的作用下，準(zhǔn)直燈的光通過物鏡映射到三面鏡上。在不考慮物鏡焦距的情況下，映射光通過立方鏡返回到十字線，最后通過相機(jī)獲得十字線圖像[10]。在此過程中，當(dāng)十字線與經(jīng)緯儀的橫切線一致時，表明三面鏡姿態(tài)測量處于準(zhǔn)直狀態(tài)。

圖1 經(jīng)緯儀準(zhǔn)直原理示意圖

為了保證分劃板十字線與經(jīng)緯儀十字線的中心重合，采用CCD技術(shù)提取十字線的光條參數(shù)，并對2根十字線的光條法線方向進(jìn)行分析。在LSD算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于局部線段的十字線中心點(diǎn)提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)十字線中心點(diǎn)的提取。通過極坐標(biāo)線性方程，確定電子經(jīng)緯儀的最佳中心點(diǎn)，計算電子經(jīng)緯儀的運(yùn)動參數(shù)，達(dá)到自動瞄準(zhǔn)和制導(dǎo)的目的。

1.3 解算設(shè)備安裝姿態(tài)參數(shù)

攝像機(jī)經(jīng)過參數(shù)標(biāo)定后，經(jīng)過三面鏡自動準(zhǔn)直的設(shè)計和應(yīng)用，得到電網(wǎng)設(shè)備安裝姿態(tài)的自動測量結(jié)果，但其結(jié)果不能充分發(fā)揮實(shí)際應(yīng)用效果。為了得到最終的測量結(jié)果，需要從轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度、垂直梁的垂直提升量、經(jīng)緯儀的水平和垂直角度4個方面計算姿態(tài)參數(shù)。首先，依據(jù)圖2(a)所示的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)模型可知，模型中顯示了初始坐標(biāo)系，其中包括中心點(diǎn)O、立方鏡中心點(diǎn)I1、準(zhǔn)直面法線隨機(jī)點(diǎn)I2、被測面法線點(diǎn)I1I2，以及測量經(jīng)緯儀坐標(biāo)系中心點(diǎn)。

(a) 轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)模型示意圖

(4)

式中，矩陣的建立以函數(shù)cos和sin為基礎(chǔ)，對其求解，可得到：

(5)

(6)

當(dāng)m為一個己知的常數(shù)時，可以得到以下公式：

(7)

根據(jù)測量經(jīng)緯儀坐標(biāo)系中心T的坐標(biāo)(xT,yT,zT)與I1的坐標(biāo)(x1,y1,z1)，得出：

(8)

式中，ω表示旋轉(zhuǎn)角度，其計算過程如式(9)：

(9)

式中，p表示位移值，m為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度驅(qū)動量，n表示轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)次數(shù)。根據(jù)上述參數(shù)，獲取旋轉(zhuǎn)角度計算結(jié)果。

立梁垂直升降量的解算模型如圖2(b)所示。在初始坐標(biāo)系下，由于向量T平行于初始坐標(biāo)系的Z軸，并且向量Δh與向量ΔH相交于點(diǎn)To。通過夾角θ以及長度d的實(shí)際值，可以得到立梁垂直高度ΔH的計算結(jié)果：

ΔH=d×tanθ

(10)

(11)

1.4 獲取電網(wǎng)設(shè)備自動測量結(jié)果

以上述計算得出的4個運(yùn)動參數(shù)ω、ΔH、α、β為基礎(chǔ)，獲取高原輸變電工程電網(wǎng)設(shè)備安裝姿態(tài)實(shí)際參數(shù)，根據(jù)立方鏡坐標(biāo)系，驗證姿態(tài)參數(shù)，降低測量誤差。將當(dāng)前的計算結(jié)果應(yīng)用于相關(guān)程序的編譯操作。通過計算機(jī)軟件中包含的大量內(nèi)置函數(shù)，將現(xiàn)有姿態(tài)解算函數(shù)編譯并封裝在DLL動態(tài)鏈接庫中。姿態(tài)測量結(jié)果可以快速調(diào)用，滿足高原輸變電工程的施工需要。

為了使測量方法得到的姿態(tài)參數(shù)更加具體，基于Visual Studio 2020編寫終端姿態(tài)解算界面，姿態(tài)解算結(jié)果保存在終端中并隨時調(diào)用。另外，需要將預(yù)先設(shè)計的相對姿態(tài)矩陣寫入接口，以便在輸入測量點(diǎn)后快速求解姿態(tài)矩陣，得到姿態(tài)角參數(shù)。通過連續(xù)測試，確保界面上顯示的姿態(tài)測量結(jié)果是實(shí)時的，包含了滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏角等多個參數(shù)信息，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以滿足高原輸變電工程建設(shè)中復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用，降低檢測人員的工作壓力。

2 實(shí)例測試

以立方鏡自動準(zhǔn)直技術(shù)為基礎(chǔ)，通過設(shè)備安裝姿態(tài)參數(shù)的計算得出高原輸變電工程電網(wǎng)設(shè)備安裝姿態(tài)測量結(jié)果。以某地高原輸變電工程為例，設(shè)計測量實(shí)驗，分析測量方法應(yīng)用效果。

2.1 參數(shù)標(biāo)定

對于電網(wǎng)設(shè)備的姿態(tài)測量，需要將攝像機(jī)作為獲取準(zhǔn)直測量圖像的主要工具，作為后續(xù)測量分析的基礎(chǔ)。為了保證采集圖像的質(zhì)量，需要對攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，在計算機(jī)編程的作用下生成13×10棋盤標(biāo)定板，如圖3所示。

圖3 棋盤標(biāo)定板

將圖3設(shè)計的棋盤標(biāo)定板打印出來，為了減少打印結(jié)果誤差，基于游標(biāo)卡尺對標(biāo)定板的實(shí)際尺寸進(jìn)行測量。在實(shí)際應(yīng)用中，依靠攝像機(jī)獲取16幅姿態(tài)有所差異的標(biāo)定板圖像，如圖4(a)所示。將16幅標(biāo)定板圖像保存至計算機(jī)工作文件夾，并將計算機(jī)仿真軟件內(nèi)的目錄設(shè)置為標(biāo)定工具箱，采用集成標(biāo)定方法提取出標(biāo)定板圖像的角點(diǎn)，依據(jù)圖4(b)所示的角點(diǎn)提取圖，將單個方格的邊長設(shè)置為固定值，完成攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定。

(a) 標(biāo)定所用的圖像

通過上述角點(diǎn)提取方法，對圖4(a)中的每一幅圖像都完成角點(diǎn)提取，并匯總所有角點(diǎn)提取圖像，利用標(biāo)定工具箱內(nèi)的“Calibration”功能鍵優(yōu)化攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。以優(yōu)化后的內(nèi)部參數(shù)為基礎(chǔ)，將其輸入至命令窗口內(nèi)，標(biāo)定攝像機(jī)的外參數(shù)。

圖5 攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)設(shè)置

重新選擇校準(zhǔn)板的位置后，選擇角提取圖左上角的第一個點(diǎn)作為坐標(biāo)系的中心點(diǎn)，世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)也是該校準(zhǔn)點(diǎn)，以達(dá)到描述設(shè)備安裝姿態(tài)的目的。

2.2 設(shè)備安裝姿態(tài)測量實(shí)驗

以攝像機(jī)、立方鏡等工具作為測量實(shí)驗基礎(chǔ)工具，并應(yīng)用電子經(jīng)緯儀、計算機(jī)、姿態(tài)角位移臺、一維升降立梁等硬件作為輔助設(shè)備，展開設(shè)備安裝姿態(tài)測量實(shí)驗。

文中選定某一正在施工中的高原輸變電工程，隨機(jī)選擇圖6所示的5個電網(wǎng)設(shè)備細(xì)節(jié)安裝姿態(tài)作為測試對象，應(yīng)用文中設(shè)計的自動測量方法獲取安裝姿態(tài)數(shù)據(jù)。

圖6 安裝姿態(tài)測量對象

基于圖6所示的多個局部區(qū)域及立方鏡自動準(zhǔn)直技術(shù)獲得現(xiàn)場測量狀態(tài)圖像。根據(jù)本文設(shè)計的姿態(tài)參數(shù)求解方法，得到電網(wǎng)設(shè)備的安裝姿態(tài)參數(shù)，參數(shù)為橫滾角θ、俯仰角γ和偏角λ，單位為度。根據(jù)本文設(shè)計的測量方法，獲取表1所示的設(shè)備安裝姿態(tài)測量結(jié)果。

表1 姿態(tài)測量結(jié)果 單位：(°)

基于上述測量結(jié)果，通過與實(shí)際測量的實(shí)際測量值的比較，得出本文設(shè)計方法的測量性能。為了更好地反映測試結(jié)果的可靠性，選擇文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]2種姿態(tài)測量方法，并將測量結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行比較。

2.3 測量實(shí)驗誤差對比分析

從實(shí)驗測試結(jié)果看，3種姿態(tài)自動測量方法與實(shí)際值對比，得出圖7所示的橫滾角、俯仰角和偏轉(zhuǎn)角測量誤差對比。

由圖7可知，本文設(shè)計方法得到的姿態(tài)測量值與實(shí)際值最為接近。最大測量誤差為設(shè)備安裝區(qū)2的俯仰角參數(shù)，達(dá)到0.32。該方法3個角度的平均測量誤差分別為0.18、0.22和0.08。基于單目視覺和激光掃描傳感器的兩種方法的測量誤差均高于本文設(shè)計的方法?；趩文恳曈X的測量方法的平均誤差分別為0.55、0.59和0.31。基于激光掃描傳感器的測量方法誤差分別為0.67、0.53和0.33?？傮w而言，與基于單目視覺和基于激光掃描傳感器的方法相比，姿態(tài)測量角度誤差分別降低了66.67%和68.52%。

綜上所述，本文設(shè)計的自動測量方法能夠在設(shè)備安裝姿態(tài)檢測中發(fā)揮良好的性能，有利于促進(jìn)電網(wǎng)設(shè)備的壽命增長。

(a) 橫滾角誤差對比

3 總結(jié)

在高原地區(qū)輸變電工程電網(wǎng)設(shè)備的安裝和施工過程中，許多設(shè)備安裝位置和姿態(tài)的標(biāo)定是重要環(huán)節(jié)之一?，F(xiàn)有的測量方法存在測量效率低、測量誤差大等缺點(diǎn)，不能滿足工程建設(shè)的需要，本文以此為研究核心，設(shè)計了設(shè)備安裝姿態(tài)的自動測量方法，通過對三面鏡的自動準(zhǔn)直和姿態(tài)參數(shù)的求解，得到了設(shè)備安裝姿態(tài)的自動測量結(jié)果，能更真實(shí)地反映設(shè)備的安裝姿態(tài)，有利于工程建設(shè)中設(shè)備的安裝和校準(zhǔn)，在保證測量精度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化計算模型，提高自動測量方法的適用性。