利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標定的方法
2023-09-14 09:46:20
利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標定的方法
【專利摘要】本發明公開利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標定的方法，利用系統本身的特點實現變壓器中心位置（即光筆測頭）的自標定，使用CCD相機攝取光筆圖像，並傳輸到計算機進行實時處理，利用相機透射投影關係獲得光筆坐標繫到相機坐標系的旋轉平移矩陣，並建立非線性方程組，通過最小二乘的廣義逆法求的非線性方程組的解即為變壓器中心位置在光筆坐標系下的坐標。本方法時效性強，操作簡單，容易實現，穩定快速，能夠在測量現場幫助系統實現高精度的三坐標測量。
【專利說明】利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標 定的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於變壓器測試【技術領域】，更加具體地說，涉及光筆式便攜三坐標測量系 統的使用方法，即利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標定的方法。
【背景技術】
[0002] 在輸變電【技術領域】中，變壓器是常用的電氣部件，對整個終端輸變電的穩定性有 重要意義，對其研究往往集中在其內部結構、性質以及與整個輸變電網絡的配合程度，以便 更好地發揮其性能，往往忽略有關變壓器位置方面的測定，即在變壓器日常運行狀態下或 者在外界影響的狀態下，位置變化的標定。這個問題看似很小，卻能夠在一定程度上影響輸 變電網絡的穩定運行。三坐標測量技術在工業生產中有著非常重要的作用，主要分為接觸 式和非接觸式兩種。接觸式測量是通過測頭接觸被測物體表面，來獲取被測表面形態信息， 比較有代表性的測量工具為三坐標測量機，這種測量方法精度高，但是效率相對較低，測量 範圍也相對較小。非接觸式測量主要利用雷射設備或者CCD相機檢測被測物表面，結合圖 像處理技術獲得被測表面的形態信息，其中視覺三坐標測量是非接觸測量的典型代表。這 種測量方法精度一般要比接觸式測量低一到兩個數量級，但是採點速度快，測量範圍大。光 筆式便攜三坐標測量機主要由CCD相機、計算機和光筆構成，能夠實現現場快速測量。它以 光筆作為接觸測量工具，以CCD相機作為視覺檢測手段，實現了視覺非接觸式測量和接觸 式測量的完美結合，具有重量輕、操作簡單、精度較高、測量範圍大等優點，逐漸受到各國的 高度重視。
[0003] 目前國際市場上推出的光筆式三坐標測量機有挪威Metronor公司的雙/單(XD 相機測量系統和美國Geodetic公司的V-STAR/M系統等，國內的光筆式測量系統研究起步 較晚，目前還仍處在研究階段。作為接觸測量工具的光筆的測頭可更換成不同樣式，以適應 較複雜的測量目標，如深孔、隱藏點等。一般地，由於樣式不同或者測頭安裝時力度不同，每 次安裝的測頭中心位置也往往有偏差，因此測量前必須要進行測頭標定工作。因此在測量 現場快速準確的完成測頭中心位置的標定，這一標定方法逐漸成為可攜式三坐標測量系統 中的關鍵技術之一。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種利用光筆式便攜三坐標測量系 統對變壓器中心位置進行標定的方法，即將在測量現場快捷準確的實現光筆式便攜三坐標 測量系統中測頭中心位置的標定運用到變壓器中心位置的標定方法中。
[0005] 本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：
[0006] 光筆的測頭標定與工業中常用的三坐標測量機的測頭校正原理不同，三坐標測量 機的測頭校正是校正測頭的直徑和撓曲變形，主要使用標準球進行，用手動、操縱杆和自動 模式在標準球的最大範圍內測5個以上均勻分布的點，計算機軟體收到這些點的坐標後就 進行球的擬合運算，得到擬合球的球心坐標，直徑和形狀誤差，將擬合球的直徑減去標準球 的直徑，就得到校正後測頭的直徑。光筆的測頭標定則是求解測頭中心位置在光筆坐標系 下的坐標值。
[0007] 本發明技術方案的基本原理是：利用一個標準錐，將光筆測頭放在錐孔中，慢慢轉 動光筆，CCD相機攝取到圖像並傳到計算機處理後，得到光筆坐標系和相機坐標系的旋轉平 移矩陣，由於標準錐和CCD相機是相對固定的，並且光筆本身為剛性物體，根據測頭中心在 光筆坐標系下和相機坐標系下的位置不變性，通過算法求解測頭中心在光筆坐標系下的坐 標，由於選擇將測頭中心控制在變壓器中心位置，這一解析過程也就得到了變壓器中心位 置的坐標。
[0008] 選擇將測頭中心控制在變壓器中心位置，設測頭中心在相機坐標系下和光筆坐標 系的坐標分別為（u，v， W)T、（X，y，z)T。根據空間點從光筆坐標繫到相機坐標系的旋轉平移 關係，可知：
【權利要求】
1. 利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標定的方法，其特徵在於， 選擇將測頭中心控制在變壓器中心位置，設測頭中心在相機坐標系下和光筆坐標系的坐標 分別為（U，V，w) T、（X，y，ζ)τ。根據空間點從光筆坐標繫到相機坐標系的旋轉平移關係，可 知：
(1) 旋轉平移矩陣R和Τ可以通過相機透視變換模型並牛頓-高斯法求解得到；設光筆轉 動到第i個位置時，測頭中心在相機坐標系下的實際坐標為（ui，vi，wi)T，理想值為（u，V， w)T，則可得最優化目標函數：
其中
，優化變量X = (X，y，z，u，V，w), 即測頭中心在光筆坐標系和相機坐標系下的坐標； 系統的非線性方程組為：
使用最小二乘解的廣義逆法求解此方程組，即可得到相應的坐標（U，V，w)τ、（X，y，z)τ。
2. 根據權利要求1所述的利用光筆式便攜三坐標測量系統對變壓器中心位置進行標 定的方法，其特徵在於，具體來說，按照下述步驟進行： 第一步：將CCD相機和標準錐都進行固定，調整相對位置使得光筆成像在CCD相機像平 面中間位置，並且在一定幅度晃動下，所有光靶標控制點的圖像仍能保證在像平面上呈現； 手持光筆將測頭放在標準錐的錐孔中，慢慢轉動光筆，CCD相機攝取到不同位姿的光筆圖 像，並通過千兆網線傳到計算機進行實時處理，通過圖像濾波、閾值分割、黑白翻轉、輪廓跟 蹤和最小二乘橢圓擬合，得到所有控制點中心坐標； 第二步：(XD相機已經預先標定過，利用控制點中心從相機坐標系下的坐標到理想像 平面的透視投影關係，以及旋轉矩陣的正交性，通過牛頓-高斯迭代法可以解出旋轉平移 矩陣R和T ; 第三步：由於每幅圖像可以得到3個非線性方程，優化變量X有6個未知數，因此X的 初值可以通過兩幅以上的圖像計算得到； 第四步：採集η幅圖像後，即可以得到含有η個方程的非線性方程組& (X，y，z，u，v，w) =0, i = 1，2, L，n，利用最小二乘解的廣義逆法求解此方程組； 第五步：進行收斂判斷，相鄰兩次最優解的差值絕對值< 〇. 01時，停止迭代計算，將最 後一次得到的優化變量X中的（X，y，z)τ作為測頭中心在光筆坐標系下的坐標值，即可得到 變壓器中心在光筆坐標系下的坐標值。
【文檔編號】G06F19/00GK104215185SQ201410465049
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】梁仕偉, 王東海, 王慶彪, 尹力廣, 牛榮傑, 徐向永, 孫榮蠢, 李斌, 趙治鈞, 高振生 申請人:國家電網公司, 國網天津寶坻供電有限公司