CN117553919A - 一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及继电器研究分析技术领域,提供一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法。该方法包括:通过三维激光扫描仪采集点云图;通过红外热成像仪接收外界辐射数据并采集热像图,根据外界辐射数据将热像图转换为可视温度数据的温度热像图;对点云图及温度热像图预处理;对红外热成像仪进行标定,建立温度热像图坐标系与世界坐标系的第一坐标变换关系;建立点云图坐标系与温度热像图坐标系的第二坐标变换关系;选取点云特征点与热像特征点,根据第二坐标变换关系将点云特征点与热像特征点融合,获得继电器表面实时三维温度数据。本发明融合后的数据兼有点云的空间信息和热成像图像的温度信息,有助于评估继电器的可靠性和性能。
Description
技术领域
本发明涉及继电器研究分析技术领域,尤其涉及一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法。
背景技术
继电器是一种机电结合的控制元件,温度是其稳定工作的关键因素之一,它会影响到这种机电结合的控制元件的可靠性和性能表现。电磁继电器在工作中,绕组和功率负载均会产生一定的热量,使温度发生变化,而绕组中使用的漆包线对温度较为敏感,温度变化会使绕组的组织产生变化,影响线圈做工,进而对继电器的机械参数产生一定影响,所以为提升继电器稳定性,需对其在工作时的发热情况进行研究。
三维激光扫描技术通过重建继电器的三维模型,获取包含位置信息的点云数据,然而通常情况下,这些点云数据只包含目标表面的三维坐标和反射强度信息,红外检测技术作为一种无损检测的方法可以获取继电器的温度信息,具有非接触、快速简便以及检测范围广的优势。它使用红外探测器接收目标物体所发出的红外电磁辐射,并利用相应的公式将辐射转换为对应的温度值,通过这种方式,可以确定继电器被测物体的温度,但是只能获得所拍摄的热像图上的温度信息,并不能准确反映空间位置。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提供一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法。
本发明提供一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,包括:
S1:通过三维激光扫描仪采集被测继电器的点云图;
S2:通过红外热成像仪接收外界辐射数据并采集待测继电器的热像图,根据所述外界辐射数据将所述热像图转换为可视温度数据的温度热像图;
S3:对所述点云图及所述温度热像图预处理;
S4:对所述红外热成像仪进行标定,建立温度热像图坐标系与世界坐标系的第一坐标变换关系;
S5:通过所述第一坐标变换关系,建立点云图坐标系与温度热像图坐标系的第二坐标变换关系;
S6:选取预处理后的点云图上的点云特征点与预处理后的温度热像图上的热像特征点,根据所述第二坐标变换关系将所述点云特征点与所述热像特征点融合,获得继电器表面实时三维温度数据。
根据本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,步骤S1还包括:
在待测继电器周围粘贴标志点并搭建点云框架,通过标定识别所述标志点获取待测继电器的框架数据。
根据本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,步骤S2中所述外界辐射数据的表达式为:
其中,为外界辐射数据,/>为待测继电器辐射数据,/>为大气辐射数据,/>为环境反射辐射数据,/>为待测继电器表面发射率数据,/>为大气透射率数据;
步骤S2中所述温度热像图中的可视温度数据的表达式为:
其中,为可视温度数据,/>为斯特藩-玻尔兹曼常数。
根据本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,步骤S3对所述点云图及所述温度热像图预处理的过程包括平面降噪滤波、去孤立面和补洞。
根据本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,步骤S4还包括:
S41:引入非等量尺度因子,修正温度热像图坐标系的像主点对于影像中心的偏移量。
根据本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,步骤S4中的第一坐标变换关系的表达式为:
其中,为温度热像图坐标系的任一像素点,/>为世界坐标系中任一点,/>为经过修正后的温度热像图坐标系的像主点,/>为温度热像图中水平轴尺度因子,/>为温度热像图中竖直轴尺度因子,/>为旋转参数,/>为平移参数,/>为红外热成像仪的内部参数矩阵,/>为红外热成像仪的外部参数矩阵,/>为投影矩阵。
根据本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,步骤S5中所述第二坐标变换关系的表达式为:
其中,为温度热像图坐标系中像素点的三维齐次坐标,/>为红外热像仪的参数矩阵,/>为点云图坐标系中任一点坐标;
其中,为热像仪坐标系中任一点坐标,/>为刚性变换的旋转矩阵,/>为刚性变换的平移矩阵。
本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,鉴于三维点云数据缺少温度信息和热成像图片缺少空间信息,对二维三维数据进行融合,融合后的数据兼有点云的空间信息和热成像图像的温度信息,这有助于评估继电器的可靠性和性能,为继电器的设计和优化提供重要的参考依据。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中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。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本发明的实施例。
本发明提供一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,包括:
S1:通过三维激光扫描仪采集被测继电器的点云图;
其中,步骤S1还包括:
在待测继电器周围粘贴标志点并搭建点云框架,通过标定识别所述标志点获取待测继电器的框架数据。
进一步的,对工件周围粘贴标志点,使激光扫描仪进行标定识别,同时搭建点云框架,通过采集标志点快速获取物体的框架数据;扫描框架点后切换到点云扫描,能够提高点云扫描的便捷性。
进一步的,三维激光扫描仪发射激光,当激光遇到扫描的目标物体时,由于光的反射作用会有光线沿着光发出的路线返回到扫描仪的内部,且光的传播速度是恒定的,只需要记录下光线从发出到返回仪器所花费的时间就可以算出仪器与目标点位之间的距离。
进一步的,基于激光三角法测距原理对继电器进行三维建模,对于任意一个空间测点,可以根据测点相对于坐标原点之间的距离、激光束在竖直方向的出射角度、激光束在水平方向的出射角度,计算获得它位于三维激光扫描系统自定义空间坐标系中的三维坐标。
S2:通过红外热成像仪接收外界辐射数据并采集待测继电器的热像图,根据所述外界辐射数据将所述热像图转换为可视温度数据的温度热像图;
其中,步骤S2中所述外界辐射数据的表达式为:
其中,为外界辐射数据,/>为待测继电器辐射数据,/>为大气辐射数据,/>为环境反射辐射数据,/>为待测继电器表面发射率数据,/>为大气透射率数据;
步骤S2中所述温度热像图中的可视温度数据的表达式为:
其中,为可视温度数据,/>为斯特藩-玻尔兹曼常数。
在一些实施例中,工装固定继电器位置,红外热像仪分别摆放在待测工件左右两侧,与工件成45°角,调整其位置,使其不至于距离过远会导致拍摄清晰度下降,或者距离过近,无法拍摄完整。
S3:对所述点云图及所述温度热像图预处理;
其中,步骤S3对所述点云图及所述温度热像图预处理的过程包括平面降噪滤波、去孤立面和补洞。
进一步的,对所采集到的点云图和热像图进行一系列预处理具体为:
点云预处理主要包括采样、裁剪以及保存;
热像图预处理主要包括:滤波,实现图像平滑降噪、去细节,并最大程度保留图像边缘;去孤立面,对扫描到的较小的、与主体模型数据无连接的独立模型数据进行删除;补小洞,对周长小于10mm以下洞,对其进行补洞。
S4:对所述红外热成像仪进行标定,建立温度热像图坐标系与世界坐标系的第一坐标变换关系;
其中,步骤S4还包括:
S41:引入非等量尺度因子,修正温度热像图坐标系的像主点对于影像中心的偏移量。
其中,步骤S4中的第一坐标变换关系的表达式为:
其中,为温度热像图坐标系的任一像素点,/>为世界坐标系中任一点,/>为经过修正后的温度热像图坐标系的像主点,/>为温度热像图中水平轴尺度因子,/>为温度热像图中竖直轴尺度因子,/>为旋转参数,/>为平移参数,/>为红外热成像仪的内部参数矩阵,/>为红外热成像仪的外部参数矩阵,/>为投影矩阵。
进一步的,步骤S4的具体过程包括:
相机采集图像变换为数字图像储存为的数字矩阵,其中的相机为热像仪,行/>列的图像中每一个元素数值为图像点的灰度,图像上定义直角坐标系/>,坐标单位为一个像素,则像素坐标与图像坐标的关系式用矩阵表示为:/>
由于实际上位置会存在一定偏差,在每个方向引入非等量尺度因子修正像主点相对于影像中心的偏移量,取为像主点偏移向量,/>为/>方向上图像平面上单位距离的像素数,这样原点在/>坐标系中的坐标为/>得到修正后的变换公式为:/>
真实三维空间中一点,在世界坐标系中的坐标为/>,在相机坐标系中的坐标为/>,由于相机坐标系和世界坐标系均为三维坐标系,因此通过刚体转换来实现两个坐标系之间的转换,转换关系矩阵表示形式为:/>
相机坐标系为三维坐标系而图像坐标系为二维坐标系,采用针孔原理实现二维和三维坐标系转换,相机坐标系下任一三维空间点与在图像坐标系成像平面的投影二维像点之间的关系表示为:,其中,/>为相机的焦距。
S5:通过所述第一坐标变换关系,建立点云图坐标系与温度热像图坐标系的第二坐标变换关系;
其中,步骤S5中所述第二坐标变换关系的表达式为:
其中,为温度热像图坐标系中像素点的三维齐次坐标,/>为红外热像仪的参数矩阵,/>为点云图坐标系中任一点坐标;
其中,为热像仪坐标系中任一点坐标,/>为刚性变换的旋转矩阵,/>为刚性变换的平移矩阵。
S6:选取预处理后的点云图上的点云特征点与预处理后的温度热像图上的热像特征点,根据所述第二坐标变换关系将所述点云特征点与所述热像特征点融合,获得继电器表面实时三维温度数据。
进一步的,由步骤S5中的第二坐标变换关系可以进行点云特征点与热像特征点融合,假设三维空间点到二维点变换是线性模型,由相机的线性成像模型与点云与热像图配准原理推导出直接线性变换方程,使用齐次坐标及齐次变换矩阵表示为:
其中,为选取到的点云特征点坐标,/>为线性方程组待求解参数;
由上式变换可得:
又上式变换可得:
所列方程组中共有11个未知数,每一对同名控制点可以列出两个方程,当已知6个相互不正交的特征点,再求解出3个转换参数和3个平移参数,就能求解出至/>,从而计算出点云中的点与图像中的像素点之间的关系,完成参数的融合。
本发明提供的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,将点云模型与能够反映结构变化的温度场基于整体结构的物理数据有机融合起来,并对三维激光点云数据与热成像影像数据的融合数据进行处理分析,得到附带有温度信息的三维坐标数据,该数据能够有效实时反映加热工件的温度场并进行直观展示。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,包括:
S1:通过三维激光扫描仪采集被测继电器的点云图;
S2:通过红外热成像仪接收外界辐射数据并采集待测继电器的热像图,根据所述外界辐射数据将所述热像图转换为可视温度数据的温度热像图;
S3:对所述点云图及所述温度热像图预处理;
S4:对所述红外热成像仪进行标定,建立温度热像图坐标系与世界坐标系的第一坐标变换关系;
S5:通过所述第一坐标变换关系,建立点云图坐标系与温度热像图坐标系的第二坐标变换关系;
S6:选取预处理后的点云图上的点云特征点与预处理后的温度热像图上的热像特征点,根据所述第二坐标变换关系将所述点云特征点与所述热像特征点融合,获得继电器表面实时三维温度数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,步骤S1还包括:
在待测继电器周围粘贴标志点并搭建点云框架,通过标定识别所述标志点获取待测继电器的框架数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,步骤S2中所述外界辐射数据的表达式为:
其中,为外界辐射数据,/>为待测继电器辐射数据,/>为大气辐射数据,为环境反射辐射数据,/>为待测继电器表面发射率数据,/>为大气透射率数据;
步骤S2中所述温度热像图中的可视温度数据的表达式为:
其中,为可视温度数据,/>为斯特藩-玻尔兹曼常数。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,步骤S3对所述点云图及所述温度热像图预处理的过程包括平面降噪滤波、去孤立面和补洞。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,步骤S4还包括:
S41:引入非等量尺度因子,修正温度热像图坐标系的像主点对于影像中心的偏移量。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,步骤S4中的第一坐标变换关系的表达式为:
其中,为温度热像图坐标系的任一像素点,/>为世界坐标系中任一点,/>为经过修正后的温度热像图坐标系的像主点,/>为温度热像图中水平轴尺度因子,/>为温度热像图中竖直轴尺度因子,/>为旋转参数,/>为平移参数,/>为红外热成像仪的内部参数矩阵,/>为红外热成像仪的外部参数矩阵,/>为投影矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种基于三维点云与热像图的继电器温度场测量方法,其特征在于,步骤S5中所述第二坐标变换关系的表达式为:
其中,为温度热像图坐标系中像素点的三维齐次坐标,/>为红外热像仪的参数矩阵,为点云图坐标系中任一点坐标;
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PB01 | Publication | ||
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