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)定板的實際尺寸進(jìn)行測量。在實際應(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)測量實驗

以攝像機(jī)、立方鏡等工具作為測量實驗基礎(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，通過與實際測量的實際測量值的比較，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)果與實際測量結(jié)果進(jìn)行比較。

2.3 測量實驗誤差對比分析

從實驗測試結(jié)果看，3種姿態(tài)自動測量方法與實際值對比，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?；趩文恳曈X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。基于單目視覺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。