汪 泳，劉必慶，謝立超

(安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

點(diǎn)云技術(shù)在很多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，如幾何學(xué)、圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)、人工智能等學(xué)科。點(diǎn)云技術(shù)在剛問世的時(shí)候，由于測(cè)量設(shè)備十分昂貴，使得該技術(shù)的發(fā)展受到了非常大的限制，國內(nèi)針對(duì)點(diǎn)云技術(shù)的研究也非常稀少。但點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過直接手段或是間接手段采集有關(guān)目標(biāo)的特性密集點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以以此為基礎(chǔ)，為現(xiàn)實(shí)工作提供更多直接和有效的代表性三維數(shù)據(jù)。在初始的激光雷達(dá)點(diǎn)云經(jīng)過處理之后，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的作用也能得到有效發(fā)揮。

1 物資自動(dòng)化研究

在現(xiàn)階段的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域之內(nèi)，點(diǎn)云技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，而其中的3D建模在點(diǎn)云技術(shù)中的作用顯著。通過完整的3D模型和點(diǎn)云建模方法，可以在完整的模型中實(shí)施有關(guān)的技術(shù)研究工作。但在某些復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)景當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，因此需要通過點(diǎn)云技術(shù)加強(qiáng)對(duì)子過程的分析。以物資倉庫的自動(dòng)化管理為例，硬件部分的核心是激光三維掃描儀和變壓器自動(dòng)定位系統(tǒng)，有關(guān)的研究工作也比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)物資倉庫管理的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，讓貨物的裝卸過程更加智能化。不過我國在這方面的技術(shù)研究時(shí)間較晚，自動(dòng)化變壓器倉庫還未能得到大規(guī)模應(yīng)用[1-3]。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)功能

①控制激光三維掃描儀采集數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)，可以按照實(shí)際需求選擇數(shù)據(jù)信息[4-5]。

②激光三維掃描儀對(duì)變壓器和鞍座的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描后獲取定位坐標(biāo)，并且在理想狀態(tài)下以本地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)算，將空間位置信息誤差和坐標(biāo)誤差值縮小至5 cm以內(nèi)。

③將所有的采集數(shù)據(jù)顯示在終端區(qū)域，按照數(shù)據(jù)采集的要求與工作規(guī)劃對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)節(jié)。

④對(duì)所有設(shè)備的工作過程信息進(jìn)行備份，尤其是某些出現(xiàn)錯(cuò)誤和報(bào)警信息。這些信息可以被作為上傳至終端的日志內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以變壓器裝卸為例，系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊Fig.1 System function module

變壓器的自動(dòng)定位裝卸系統(tǒng)一般分為四個(gè)部分，顯示模塊、激光掃描儀相關(guān)模塊、變壓器模塊、控制模塊。變壓器定位模塊還細(xì)分為出庫和入庫變壓器定位模塊。自動(dòng)定位系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 自動(dòng)定位系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of automatic positioning system

激光三維掃描儀控制模塊主要用來控制激光三維掃描儀，對(duì)變壓器行進(jìn)掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存處理模塊主要用來對(duì)掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

出庫和入庫變壓器定位模塊的作用是獲取變壓器的裝卸位置，即對(duì)變壓器進(jìn)行相關(guān)定位。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)量綱以及其他因素的影響，在變壓器定位前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

通過觸摸屏，顯示模塊可以對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行必要的設(shè)置。此外，該模塊還具有顯示動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)過程中變壓器定位及結(jié)果的功能。

2.3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 System flowchart

系統(tǒng)開機(jī)啟動(dòng)后，首先系統(tǒng)會(huì)檢查參數(shù)是不是正常設(shè)置，然后檢查是否連接到掃描儀。一切正常后，如果是離線狀態(tài)，利用保存在本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試；如果是在線狀態(tài)，直接獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)定位。待貨車進(jìn)入到掃描區(qū)后，啟動(dòng)變壓器出入庫定位。然后控制掃描儀開始進(jìn)行掃描。掃描儀進(jìn)行掃描后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，計(jì)算完成后將這些數(shù)據(jù)保存。如果一直處于離線狀態(tài)的話，系統(tǒng)會(huì)直接根據(jù)保存在本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。系統(tǒng)需要根據(jù)當(dāng)前變壓器是出庫狀態(tài)還是入庫狀態(tài)進(jìn)行出入庫定位模塊的選擇。顯示模塊會(huì)將坐標(biāo)的計(jì)算過程顯示在畫面上，方便操作人員進(jìn)行監(jiān)控。坐標(biāo)計(jì)算完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷結(jié)果是否正確。如果沒有錯(cuò)誤信息，系統(tǒng)將顯示結(jié)果；如果有錯(cuò)誤信息，則會(huì)終止操作。當(dāng)所有的定位正確無誤之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待指令進(jìn)行下一步操作。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)設(shè)備種類不同，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方法有接觸式和非接觸式兩種類型，采用聲、光、電這幾種方式進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，主要使用坐標(biāo)測(cè)量法、投影光柵測(cè)量法、激光三維測(cè)量法進(jìn)行。其中，坐標(biāo)測(cè)量法是接觸式測(cè)量法，投影光柵測(cè)量法和激光三維測(cè)量法是非接觸式測(cè)量法[6-12]。

不同的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)影響系統(tǒng)測(cè)量。在倉庫中天車的起吊作業(yè)會(huì)影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)量，所以不能使用接觸式測(cè)量方法。同時(shí)，考慮到倉庫環(huán)境光線不一定充足，有的倉庫的光線非?；璋?。投影測(cè)量法使用的電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機(jī)也會(huì)受到很大影響，所以也不能使用投影光柵測(cè)量法。

本文中使用的是激光三維掃描測(cè)量法。該方法只需要將掃描儀安置在變壓器裝卸區(qū)，不妨礙其他設(shè)備運(yùn)行的位置就可以。同時(shí)，該測(cè)量方法使用激光掃描，精度非常高，且不會(huì)受到光照和溫度影響?；谶@些優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)的掃描方法選用了激光三維掃描法來獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)相關(guān)算法

本設(shè)計(jì)所用技術(shù)為激光點(diǎn)云技術(shù)，其原理為應(yīng)用激光三維掃描系統(tǒng)將每一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的定位。通過旋轉(zhuǎn)棱鏡與激光發(fā)射器的相互配合，測(cè)算出相應(yīng)距離以及角度，然后配合相應(yīng)算法記錄下相應(yīng)的坐標(biāo)信息，最后通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換最終取得最終的三維坐標(biāo)信息。

點(diǎn)云技術(shù)數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云技術(shù)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Data acquisition flow of point cloud technology

一般情況下，一個(gè)激光三維掃描儀會(huì)由一個(gè)二維激光掃描儀和一個(gè)云臺(tái)組成。為得到完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，先要測(cè)量激光掃描數(shù)據(jù)，隨后將掃描數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)角度融合，計(jì)算出三維極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

在掃描過程中，先將每條掃描線極坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量出來并保存。在測(cè)量出全部的三維極坐標(biāo)信息后，通過下面的公式能夠計(jì)算出三維空間的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

(1)

式中：θ為兩條二維掃描線上某一點(diǎn)與Z軸的夾角度數(shù)；N為兩條掃描線中第N點(diǎn)；D為掃描儀測(cè)量得到的發(fā)射點(diǎn)距離目標(biāo)點(diǎn)的距離數(shù)值；α為掃描儀進(jìn)行這兩條掃描線掃描時(shí)云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)度數(shù)。

3.1.3 去噪處理

所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量都會(huì)有一定的測(cè)量誤差，激光三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量誤差主要是儀器誤差、被測(cè)物體發(fā)射面帶來的誤差和外部影響。通過激光三維掃描儀測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，如果沒有好的辦法處理這些測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的話，這些數(shù)據(jù)將會(huì)給后續(xù)的精度計(jì)算帶來非常嚴(yán)重的影響。所以，去除掃描過程中測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲和濾波工作非常的重要，要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去燥處理[13-16]，減少測(cè)量噪聲帶來的誤差。本次設(shè)計(jì)采用的步驟如下。

①將掃描線上定義掃描線上每一個(gè)點(diǎn)量測(cè)相鄰的兩個(gè)點(diǎn)作為鄰域。

②將掃描線兩邊最邊緣的兩點(diǎn)坐標(biāo)值去掉，求出每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)鄰域均值。

③使用每組測(cè)量數(shù)據(jù)的均值替換原中心點(diǎn)的坐標(biāo)值。

④重復(fù)步驟①～③，將全部掃描線測(cè)量完畢。

3.2 自裝卸實(shí)現(xiàn)

3.2.1 自動(dòng)定位

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，需要根據(jù)當(dāng)前變壓器是出庫還是入庫狀態(tài)來進(jìn)行相應(yīng)的定位操作，變壓器為出庫狀態(tài)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行變壓器轉(zhuǎn)載。這需要對(duì)轉(zhuǎn)載貨車進(jìn)行掃描，得到鞍座數(shù)據(jù)。根據(jù)鞍座數(shù)據(jù)計(jì)算得出變壓器裝載需要的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。變壓器是入庫狀態(tài)就需要對(duì)裝載變壓器的貨車進(jìn)行掃描，得到變壓器弧面數(shù)據(jù)，再計(jì)算出變壓器圓柱柱心的三維坐標(biāo)信息。

變壓器入庫流程如圖5所示。

圖5 變壓器入庫流程圖Fig.5 Transformer storage flow

3.2.2 聚類分割

變壓器的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行兩部操作。首先要進(jìn)行的是數(shù)據(jù)分割操作，將無用數(shù)據(jù)去除。去除完成后再進(jìn)行聚類，在這一操作中將單組的變壓器弧面數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類提取。在完成這兩步操作后，使用直通濾波方式進(jìn)行分割操作，需要進(jìn)行兩次濾波操作，然后從垂直和水平方向分別濾除貨車頭部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到需要的變壓器點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 相關(guān)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

測(cè)試五組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由兩個(gè)部分組成，分別包含同一輛載重貨車在裝載變壓器和空載這兩種情形下的三維點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)。

為了不影響正常生產(chǎn)運(yùn)輸工作，確保測(cè)試工作中的安全，變壓器吊放時(shí)采用的人工裝卸的方法。對(duì)這兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行出庫變壓器自動(dòng)定位操作和入庫變壓器自動(dòng)定位操作后，得到這五組變壓器的裝載和卸載空間位置。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

4 結(jié)論

本文基于點(diǎn)云技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套電力系統(tǒng)的自動(dòng)裝卸體系。本次設(shè)計(jì)從點(diǎn)云技術(shù)原理出發(fā)，隨后以電力系統(tǒng)中常見的變壓器為例，應(yīng)用點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)裝卸設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)只是對(duì)于較為復(fù)雜的柱狀為例進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算以及說明，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的立方體或者球體其原理大同小異，對(duì)于不規(guī)則物體則需要進(jìn)行相關(guān)分割再進(jìn)行測(cè)算。由于篇幅有限，并且電力部門涉及到的標(biāo)準(zhǔn)物件較多，故本次研究并未考慮，特殊情況則在后續(xù)進(jìn)行研究。