CN106403827A - 一种gis母线舱对地三维位移的测量装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，包括图像处理单元和标识物，图像处理单元固定在母线舱上，标识物固定在图像处理单元的正下方；图像处理单元包括摄像头，存储单元、计算单元以及通信单元，摄像头用于对标识物成像，并输出到存储单元进行存储；计算单元用于根据标识物在成像图像中的中心位置变化及标识物上两个特征点的距离大小变化，得到母线舱的三维位移信息；通信单元用于将计算单元计算得到的母线舱三维位移信息传输到监控中心。本发明还提供了一种GIS母线舱对地三维位移的测量方法，本发明可以精确测量GIS母线舱相对地面发生的三维位移，机械结构简单，安装要求低、成本低、易于大量部署，可以广泛应用于电力监控领域。

Description

一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置和测量方法，具体涉及一种利用标识和单个摄像头测量GIS母线舱对地的三维位移的测量装置和测量方法。
背景技术
母线舱是变电站的重要组成部分之一，实际运行发现，安装于户外的GIS母线舱会因为环境温度的变化而发生位移形变，目前并没有专门的设备用于监测这一变化，现场运行中多次出现因GIS母线舱的位移形变而发生的事故。目前还没有能够测量GIS母线舱三维位移的装置，一般只能测量轴向位移，如在现场一般采用刻度尺观察，其测量精度本身不高，同时因为人为因素造成的随机误差，其测量结果参考性不大；再如已发表的论文《基于激光测距的管型母线位移监测系统》中提出采用激光测位移的方法，经过实际试验其存在较大问题，激光传感器对环境温度、湿度、供电等有较高的要求，不适合户外在线部署，其昂贵的售价不适合大量部署，测量方式利用三角形原理，安装过程中稍有角度偏离，则由于三角形原理将该偏差放大而影响测量精度，因此其实际应用价值不大。因此，急需研发出一种可以精确测量GIS母线舱对地的三维位移的方法，从而能准确监控GIS母线舱的位移形变，为变电站实际运行提供安全保证。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种可以准确测量GIS母线舱对地三维位移的测量装置和测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，包括图像处理单元和标识物，所述图像处理单元固定在母线舱上，所述标识物固定在所述图像处理单元的正下方；所述图像处理单元包括摄像头，存储单元、计算单元以及通信单元，所述摄像头用于对所述标识物成像，并输出到所述计算单元；所述计算单元用于根据所述标识物的中心位置以及所述标识物的大小在实时图像中相对于初始时刻图像中的变化，得到所述母线舱的三维位移信息；所述通信单元用于将所述计算单元计算得到的母线舱三维位移信息传输到监控中心。
所述标识物为多个LED灯组成的固定图案，所述多个LED灯焊接在固定于所述摄像头正下方的PCB板上，所述PCB板的控制端与所述计算单元连接。
所述标识物为四个LED灯组成的正方形，所述PCB板通过螺丝固定在位于地面的大质量物块上。
所述标识物为已知尺寸的矩形、圆形、或已知间距的多个圆点。
所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，还包括照明单元，所述照明单元用于给所述标识物照明。
所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述摄像头传输的图像信息以及所述计算单元计算得到的母线舱三维位移信息。
本发明还提出了一种GIS母线舱对地三维位移的测量方法，包括以下步骤：
S01、在母线舱的底部固定安装摄像头，在摄像头正下方固定安装标识物；
S02、在初始时刻，通过固定安装在母线舱底部的摄像头，对位于母线舱正下方的标识物进行成像，并将成像图像作为位移前图像G0进行保存；
S03、在T1时刻，对标识物进行成像，并将成像图像作为位移后图像G1进行保存；并对T1时刻的图像与初始图像进行对比计算，得到T1时刻相对于初始时刻GIS母线舱对地三维位移信息，并传输给监控中心；
S04、重复步骤S03，得到不同时刻GIS母线舱对地三维位移信息。
所述步骤S02中还包括以下步骤：计算位移前图像G0中的标识物中心坐标（X0，Y0），以及标识物上两个特征点的距离D0；
所述步骤S03中，计算得到T1时刻相对于初始时刻GIS母线舱对地三维位移信息的具体过程为：计算T1时刻的图像中的标识物的中心坐标（X1，Y1），以及标识物上的两个特征点的距离D1；根据图像中标识物的中心坐标的变化，计算出GIS母线舱XY方向的位移；根据图像中特征点的距离变化，计算出GIS母线舱在Z方向的位移。
所述标识物为四个LED灯组成的正方形，所述标识物中心为所述正方形的正中心，所述特征点的距离为相邻两个LED灯之间的距离。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明所采用标识物和摄像头分别固定在地面和GIS母线舱上，通过摄像头获取图像进行计算，不仅可以精确测量GIS母线舱相对地面发生的三维位移，而且机械结构简单，安装要求低、成本低、易于大量部署，并且，由于包括摄像头的图像处理单元能耗低，可以通过电池供电，避免复杂的布线工作，且节能环保。
附图说明
图1为本发明提出的一种可以准确测量GIS母线舱对地三维位移的测量装置的安装示意图；
图2为本发明提出的一种可以准确测量GIS母线舱对地三维位移的测量装置的图像处理单元的结构示意图；
图3为本发明提出的一种可以准确测量GIS母线舱对地三维位移的测量方法的原理示意图，其中图3a表示初始时刻母线舱的成像，图3b表示母线舱在XY平面内发生位移时标识物的成像图像，图3c表示母线舱在Z方向发生位移时的标识物的成像图像；
图4为本发明提出的一种可以准确测量GIS母线舱对地三维位移的测量方法成像的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，包括图像处理单元1和标识物2，如图1所示，所述图像处理单元1通过喉箍3固定在母线舱上，所述标识物2通过大质量物块4固定在所述图像处理单元的正下方；如图2所示，所述图像处理单元包括摄像头11，计算单元13以及通信单元14，所述摄像头11正对着所述标识物2，用于对所述标识物2成像，并输出到所述计算单元13进行计算；所述计算单元13用于根据所述标识物的中心位置以及所述标识物的大小在实时图像中相对于初始时刻图像中的变化，得到所述母线舱的三维位移信息；所述通信单元用于将所述计算单元计算得到的母线舱三维位移信息传输到监控中心。
其中，如图1所示，图像处理单元1还可以包括存储单元12，所述存储单元12可以用于存储所述摄像头传输的图像信息以及所述计算单元计算得到的母线舱三维位移信息。
下面结合图3介绍一下本发明的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置中，计算母线舱三维位移信息的原理。其中，标识物为4个四个LED灯组成正方形焊接在一块黑色的PCB板上形成，所述PCB板通过螺丝固定在表面粗糙的大质量物块上。以摄像头与标识物的连线方向为Z轴，以标识物所在的平面为XY平面，母线舱初始时刻的成像图像如图3a所示，4个LED灯处于成像图像中的正中心，以图像中心为XY平面的正中心，则初始T0时刻，标识物图像的中心坐标为（X0，Y0），像中相邻两个LED的距离，即四个LED组成的正方形的边长为D0。若T1时刻，母线舱的成像图像变成图3b所示，即标识物的成像大小没有改变，但标识物图像的中心坐标变成了（X1，Y1）=（x1，y1），说明母线舱在X方向和Y方向均有位移，在X方向的位移大小为X1-X0，在Y方向的位移大小为Y1-Y0，位移的方向可以根据成像原理来具体确定；若T1时刻，母线舱的成像图像变成图3c所示，即标识物的中心坐标位置没有改变，但标识物图像成像大小变化了，则像中相邻两个LED的距离也会发生变化，假设正方形的边长增大为D1，说明母线舱在Z方向有位移，在Z方向的位移大小可以根据照相机的成像原理，通过相邻两个LED灯成像距离的变化来计算，如图4所示，可以知道，Z方向的位移∆Z=（D1-D0）/D0*L0，式中L0可以通过公式L0=D0*L/(D0+Dx)，式中Dx为相邻两个LED灯的实际距离，L表示物像之间的距离，当摄像头的焦距确定后，可由D0的大小计算L，设焦距为F，则物像之间的距离L=F*（Dx+D0）2/(D0*DX)，位移的方向可以根据成像原理来具体确定。也就是说，对标识物成像大小的变化，以及标识物图像的中心位置的变化进行分析计算，可以得到GIS母线舱的三维位移信息。
其中，所述标识物也可以是多个LED灯组成的其他固定图案，如已知尺寸的矩形，圆形，或已知间距的多个圆点。所述多个LED焊接在固定于所述摄像头正下方的PCB板上，所述PCB板的控制端与所述计算单元连接。当需要成像时，所述计算单元控制所述PCB板通电，使所述多个LED灯发光，当成像完成，所述LED灯即可以断电，从而节约电能，使所述图像处理单元可以通过电池供电即可，避免了复杂的布线工作，且节能环保。
其中，所述标识物除了可以是用LED灯来构成上述形状的图案，也可以是氚管等自发光体，还可以是一块单一背景上有标识的平面图案，该标识具有易于背景的颜色。也可以为其他已知尺寸的物体组成的图案，当所述标识物为非光源物体构成的图案时，所述的GIS母线舱对地三维位移的测量装置还可以包括照明单元，所述照明单元与所述计算单元连接，当需要进行成像时，所述计算单元控制所述照明单元发光，从而给所述标识物照明，因此，本发明的测量装置可以做到低能耗，即通过电池供电即可以实现测量。
其中，所述计算单元可以为STM32F407处理芯片，所述摄像头可以为OV2640的图像传感器。
本发明还提供了一种GIS母线舱对地三维位移的测量方法，包括以下步骤：
S01、在母线舱底部的固定安装摄像头，在摄像头正下方固定安装标识物；
S02、在初始时刻，通过固定安装在母线舱底部的摄像头，对固定于母线舱正下方的标识物进行成像，并将成像图像作为位移前图像G0进行保存；
S03、在T1时刻，对标识物进行成像，并将成像图像作为位移后图像G1进行保存；并对T1时刻的图像与初始图像进行对比计算，得到T1时刻相对于初始时刻GIS母线舱对地三维位移信息，存储并传输给监控中心；
S04、重复步骤S03，得到不同时刻GIS母线舱对地三维位移信息。
其中，所述步骤S02中还包括以下步骤：计算位移前图像G0中的标识物中心坐标（X0，Y0），以及标识物上两个特征点的距离D0；所述步骤S03中，计算得到T1时刻相对于初始时刻GIS母线舱对地三维位移信息的具体过程为：计算T1时刻的成像图像中的标识物的中心坐标（X1，Y1），以及标识物上的特征点的距离D1；根据图像中标识物的中心坐标的变化，计算出GIS母线舱XY方向的位移；根据图像中特征点的距离变化，计算出GIS母线舱在Z方向的位移。
标识物上的特征点可以根据标识物的实际形状进行标定，当标识物为为4个四个LED灯组成正方形时，特征点可以标定为两个相邻的LED灯，当标识物为已知尺寸的圆形LED灯时，特征点可以选取位于同一条直径上的两个点，即将圆周直径作为特征点之间的距离，当标识物为长方形时，可以将位于对角线上的两个点作为特征点，将对角线长度作为对应的特征点之间的距离。也就是说，特征点的选取，可以根据标识物的实际形状进行。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，其特征在于，包括图像处理单元和标识物，所述图像处理单元固定在母线舱上，所述标识物固定在所述图像处理单元的正下方；所述图像处理单元包括摄像头，存储单元、计算单元以及通信单元，所述摄像头用于对所述标识物成像，并输出到所述计算单元；所述计算单元用于根据所述标识物的中心位置以及所述标识物的大小在实时图像中相对于初始时刻图像中的变化，得到所述母线舱的三维位移信息；所述通信单元用于将所述计算单元计算得到的母线舱三维位移信息传输到监控中心。
2.根据权利要求1所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，其特征在于，所述标识物为多个LED灯组成的固定图案，所述多个LED灯焊接在固定于所述摄像头正下方的PCB板上，所述PCB板的控制端与所述计算单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，其特征在于，所述标识物为四个LED灯组成的正方形，所述PCB板通过螺丝固定在位于地面的大质量物块上。
4.根据权利要求1所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，其特征在于，所述标识物为已知尺寸的矩形、圆形、或已知间距的多个圆点。
5.根据权利要求1所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，其特征在于，还包括照明单元，所述照明单元用于给所述标识物照明。
6.根据权利要求1所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量装置，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述摄像头传输的图像信息以及所述计算单元计算得到的母线舱三维位移信息。
7.一种GIS母线舱对地三维位移的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、在母线舱的底部固定安装摄像头，在摄像头正下方固定安装标识物；
S02、在初始时刻，通过固定安装在母线舱底部的摄像头，对位于母线舱正下方的标识物进行成像，并将成像图像作为位移前图像G0进行保存；
S03、在T1时刻，对标识物进行成像，并将成像图像作为位移后图像G1进行保存；并对T1时刻的图像与初始图像进行对比计算，得到T1时刻相对于初始时刻GIS母线舱对地三维位移信息，并传输给监控中心；
S04、重复步骤S03，得到不同时刻GIS母线舱对地三维位移信息。
8.根据权利要求6所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量方法，其特征在于，所述步骤S02中还包括以下步骤：计算位移前图像G0中的标识物中心坐标（X0，Y0），以及标识物上两个特征点的距离D0；
所述步骤S03中，计算得到T1时刻相对于初始时刻GIS母线舱对地三维位移信息的具体过程为：计算T1时刻的图像中的标识物的中心坐标（X1，Y1），以及标识物上的两个特征点的距离D1；根据图像中标识物的中心坐标的变化，计算出GIS母线舱XY方向的位移；根据图像中特征点的距离变化，计算出GIS母线舱在Z方向的位移。
9.根据权利要求7所述的一种GIS母线舱对地三维位移的测量方法，其特征在于，所述标识物为四个LED灯组成的正方形，所述标识物中心为所述正方形的正中心，所述特征点的距离为相邻两个LED灯之间的距离。
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