利用光笔式便携三坐标测量系统对变压器中心位置进行标定的方法
【专利摘要】本发明公开利用光笔式便携三坐标测量系统对变压器中心位置进行标定的方法，利用系统本身的特点实现变压器中心位置（即光笔测头）的自标定，使用CCD相机摄取光笔图像，并传输到计算机进行实时处理，利用相机透射投影关系获得光笔坐标系到相机坐标系的旋转平移矩阵，并建立非线性方程组，通过最小二乘的广义逆法求的非线性方程组的解即为变压器中心位置在光笔坐标系下的坐标。本方法时效性强，操作简单，容易实现，稳定快速，能够在测量现场帮助系统实现高精度的三坐标测量。
【专利说明】利用光笔式便携三坐标测量系统对变压器中心位置进行标 定的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变压器测试【技术领域】，更加具体地说，涉及光笔式便携三坐标测量系 统的使用方法，即利用光笔式便携三坐标测量系统对变压器中心位置进行标定的方法。
【背景技术】
[0002] 在输变电【技术领域】中，变压器是常用的电气部件，对整个终端输变电的稳定性有 重要意义，对其研究往往集中在其内部结构、性质以及与整个输变电网络的配合程度，以便 更好地发挥其性能，往往忽略有关变压器位置方面的测定，即在变压器日常运行状态下或 者在外界影响的状态下，位置变化的标定。这个问题看似很小，却能够在一定程度上影响输 变电网络的稳定运行。三坐标测量技术在工业生产中有着非常重要的作用，主要分为接触 式和非接触式两种。接触式测量是通过测头接触被测物体表面，来获取被测表面形态信息， 比较有代表性的测量工具为三坐标测量机，这种测量方法精度高，但是效率相对较低，测量 范围也相对较小。非接触式测量主要利用激光设备或者CCD相机检测被测物表面，结合图 像处理技术获得被测表面的形态信息，其中视觉三坐标测量是非接触测量的典型代表。这 种测量方法精度一般要比接触式测量低一到两个数量级，但是采点速度快，测量范围大。光 笔式便携三坐标测量机主要由CCD相机、计算机和光笔构成，能够实现现场快速测量。它以 光笔作为接触测量工具，以CCD相机作为视觉检测手段，实现了视觉非接触式测量和接触 式测量的完美结合，具有重量轻、操作简单、精度较高、测量范围大等优点，逐渐受到各国的 高度重视。
[0003] 目前国际市场上推出的光笔式三坐标测量机有挪威Metronor公司的双/单(XD 相机测量系统和美国Geodetic公司的V-STAR/M系统等，国内的光笔式测量系统研究起步 较晚，目前还仍处在研究阶段。作为接触测量工具的光笔的测头可更换成不同样式，以适应 较复杂的测量目标，如深孔、隐藏点等。一般地，由于样式不同或者测头安装时力度不同，每 次安装的测头中心位置也往往有偏差，因此测量前必须要进行测头标定工作。因此在测量 现场快速准确的完成测头中心位置的标定，这一标定方法逐渐成为便携式三坐标测量系统 中的关键技术之一。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用光笔式便携三坐标测量系 统对变压器中心位置进行标定的方法，即将在测量现场快捷准确的实现光笔式便携三坐标 测量系统中测头中心位置的标定运用到变压器中心位置的标定方法中。
[0005] 本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
[0006] 光笔的测头标定与工业中常用的三坐标测量机的测头校正原理不同，三坐标测量 机的测头校正是校正测头的直径和挠曲变形，主要使用标准球进行，用手动、操纵杆和自动 模式在标准球的最大范围内测5个以上均匀分布的点，计算机软件收到这些点的坐标后就 进行球的拟合运算，得到拟合球的球心坐标，直径和形状误差，将拟合球的直径减去标准球 的直径，就得到校正后测头的直径。光笔的测头标定则是求解测头中心位置在光笔坐标系 下的坐标值。
[0007] 本发明技术方案的基本原理是：利用一个标准锥，将光笔测头放在锥孔中，慢慢转 动光笔，CCD相机摄取到图像并传到计算机处理后，得到光笔坐标系和相机坐标系的旋转平 移矩阵，由于标准锥和CCD相机是相对固定的，并且光笔本身为刚性物体，根据测头中心在 光笔坐标系下和相机坐标系下的位置不变性，通过算法求解测头中心在光笔坐标系下的坐 标，由于选择将测头中心控制在变压器中心位置，这一解析过程也就得到了变压器中心位 置的坐标。
[0008] 选择将测头中心控制在变压器中心位置，设测头中心在相机坐标系下和光笔坐标 系的坐标分别为（u，v， W)T、（X，y，z)T。根据空间点从光笔坐标系到相机坐标系的旋转平移 关系，可知：
【权利要求】
1. 利用光笔式便携三坐标测量系统对变压器中心位置进行标定的方法，其特征在于， 选择将测头中心控制在变压器中心位置，设测头中心在相机坐标系下和光笔坐标系的坐标 分别为（U，V，w) T、（X，y，ζ)τ。根据空间点从光笔坐标系到相机坐标系的旋转平移关系，可 知：
(1) 旋转平移矩阵R和Τ可以通过相机透视变换模型并牛顿-高斯法求解得到；设光笔转 动到第i个位置时，测头中心在相机坐标系下的实际坐标为（ui，vi，wi)T，理想值为（u，V， w)T，则可得最优化目标函数：
其中
，优化变量X = (X，y，z，u，V，w), 即测头中心在光笔坐标系和相机坐标系下的坐标； 系统的非线性方程组为：
使用最小二乘解的广义逆法求解此方程组，即可得到相应的坐标（U，V，w)τ、（X，y，z)τ。
2. 根据权利要求1所述的利用光笔式便携三坐标测量系统对变压器中心位置进行标 定的方法，其特征在于，具体来说，按照下述步骤进行： 第一步：将CCD相机和标准锥都进行固定，调整相对位置使得光笔成像在CCD相机像平 面中间位置，并且在一定幅度晃动下，所有光靶标控制点的图像仍能保证在像平面上呈现； 手持光笔将测头放在标准锥的锥孔中，慢慢转动光笔，CCD相机摄取到不同位姿的光笔图 像，并通过千兆网线传到计算机进行实时处理，通过图像滤波、阈值分割、黑白翻转、轮廓跟 踪和最小二乘椭圆拟合，得到所有控制点中心坐标； 第二步：(XD相机已经预先标定过，利用控制点中心从相机坐标系下的坐标到理想像 平面的透视投影关系，以及旋转矩阵的正交性，通过牛顿-高斯迭代法可以解出旋转平移 矩阵R和T ; 第三步：由于每幅图像可以得到3个非线性方程，优化变量X有6个未知数，因此X的 初值可以通过两幅以上的图像计算得到； 第四步：采集η幅图像后，即可以得到含有η个方程的非线性方程组& (X，y，z，u，v，w) =0, i = 1，2, L，n，利用最小二乘解的广义逆法求解此方程组； 第五步：进行收敛判断，相邻两次最优解的差值绝对值< 〇. 01时，停止迭代计算，将最 后一次得到的优化变量X中的（X，y，z)τ作为测头中心在光笔坐标系下的坐标值，即可得到 变压器中心在光笔坐标系下的坐标值。
【文档编号】G06F19/00GK104215185SQ201410465049
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】梁仕伟, 王东海, 王庆彪, 尹力广, 牛荣杰, 徐向永, 孙荣蠢, 李斌, 赵治钧, 高振生 申请人:国家电网公司, 国网天津宝坻供电有限公司