CN118009925A - 绝缘子三维模型扫描装置及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于绝缘子爬电距离检测技术领域，具体提供一种绝缘子三维模型扫描装置及生成方法，绝缘子扫描装置包括：二维转台和绝缘子扫描装置；二维转台包括顶板和底板，顶板和底板之间连接有长支撑柱和定位参考柱，定位参考柱上设置有若干定位参考贴片，待测绝缘子安装在底板和顶板之间；绝缘子扫描装置包括支撑机构，支撑机构上设有直线导轨和丝杠，丝杠的一端连接有步进电机，丝杠的外周配合有滑动台，直线导轨和丝杠将滑动台上下贯穿，滑动台上设有用于安装扫描仪的支架。本发明的绝缘子三维模型扫描装置实现了对绝缘子的全方位扫描，避免了普通扫描的误差。

Description

绝缘子三维模型扫描装置及生成方法

技术领域

本发明属于绝缘子爬电距离检测技术领域，具体涉及一种绝缘子三维模型扫描装置及生成方法。

背景技术

绝缘子是一种特殊的绝缘控件，在架空输电线中起到了重要的作用。爬电距离是指正常施加运行电压的导电部分之间沿其表面的最短距离或最短距离之和。在不同的使用情况下，由于导体周围的绝缘材料被电极化，导致绝缘子呈现带电的现象。绝缘子爬电距离是否达标，影响着操作人员的生命安全。

在实际应用中，由于绝缘子的伞裙是由很多圆弧和直线组合而成的复杂的几何形状，并且每个绝缘子由于制造的批次不同，以及外界的影响，表面都会有细微的瑕疵，例如，绝缘子表面有污垢、裂纹、划痕以及异物都会影响绝缘子爬电的距离，所以难以直接对爬电距离进行数学计算，目前绝缘子爬电距离主要通过人工手动进行测量，使用胶带沿绝缘子表面粘贴后拉直胶带测量总长的方法。该方法测量精度差，测量结果易受人为因素干扰。

所以如何获取高精度的绝缘子三维模型从而进行后续的绝缘子的爬电距离计算是尚未解决的难题，目前面临的最大困难是外轮廓形状复杂，没有精确的方法进行测量。

发明内容

针对现有技术存在的绝缘子爬电距离主要通过人工手动进行测量、测量精度差、费时费力不准确的问题，本发明提供一种绝缘子三维模型扫描装置及生成方法，以获取高精度的绝缘子三维模型进行后续绝缘子爬电距离的计算以解决上述技术问题。

第一方面，本发明提供一种绝缘子三维模型扫描装置，包括：

二维转台和绝缘子扫描装置；

二维转台包括顶板和底板，顶板和底板之间连接有长支撑柱和定位参考柱，定位参考柱上设置有若干定位参考贴片，待测绝缘子安装在底板和顶板之间；

绝缘子扫描装置包括支撑机构，支撑机构上设有直线导轨和丝杠，丝杠的一端连接有步进电机，丝杠的外周配合有滑动台，直线导轨和丝杠将滑动台上下贯穿，滑动台上设有用于安装扫描仪的支架。

进一步地，二维转台还包括三爪卡盘，所述三爪卡盘用于固定待测绝缘子的下端；

所述三爪卡盘设置在底板上方，三爪卡盘的侧面设置有卡盘松紧把手，三爪卡盘的上方设置有三爪卡扣，顺时针转动卡盘松紧把手时，三爪卡扣向外移动并松开待测绝缘子的下端，逆时针转动卡盘松紧把手时，三爪卡扣向内移动并夹紧待测绝缘子的下端。

进一步地，二维转台还包括伺服机构；伺服机构设置在二维转台下方，所述伺服机构包括伺服电机、主动齿轮和从动齿轮，伺服电机的输出轴上安装有主动齿轮，底板的下端安装有从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮相互啮合，用于使二维转台360度转动，所述主动齿轮与从动齿轮构成锥齿轮。

进一步地，所述若干定位参考贴片均匀设置在定位参考柱上，定位参考贴片内缘为全反光材质，外缘为纯黑材质，用于在绝缘子三维模型生成时形成扫描定位的参考点；

定位参考柱的个数至少为四个，定位参考柱等距间隔安装在底板上方与顶板下方。

进一步地，二维转台还包括顶部固定卡盘，用于夹持待测绝缘子上端，所述顶部固定卡盘通过锁紧件固定在长支撑柱上，锁紧件贯穿于长支撑柱，用于根据待测绝缘子的高度调整顶部固定卡盘的高度；

顶部固定卡盘的中部设有供待测绝缘子穿过的通孔，通孔上方设置有轴承座，待测绝缘子穿过通孔和轴承座后，通过轴承座将待测绝缘子上端固定并固定。

进一步地，绝缘子扫描装置还包括拖链；所述拖链设置在支撑机构的侧面，用于收纳保护安装在支架上的扫描仪的线缆。

进一步地，所述绝缘子扫描装置还包括工控机；

伺服电机通过伺服电机驱动器与工控机连接，工控机通过输出控制信号到伺服电机驱动器，控制伺服电机的运动；

步进电机通过步进电机驱动器与工控机连接，工控机通过输出脉冲信号到步进电机驱动器，控制步进电机的运动。

进一步地，还包括绝缘子三维模型生成装置，所述绝缘子三维模型生成装置用于接收扫描仪的扫描得到的绝缘子三维点云数据，并进行三维模型生成，得到绝缘子三维模型。

第二方面，本发明提供一种绝缘子三维模型生成方法，包括：

接收绝缘子三维模型扫描装置获取的第一绝缘子三维点云数据；

对所述第一绝缘子三维点云数据进行数据补全，得到第二绝缘子三维点云数据；

基于第二绝缘子三维点云数据使用预设的泊松方程进行三维重建，得到重建后的绝缘子三维模型。

本发明的有益效果：

本发明提供的绝缘子三维模型扫描装置及生成方法，通过二维转台和绝缘子扫描装置，可以实现对待测绝缘子全方位的扫描。本发明的绝缘子三维模型扫描装置实现了对绝缘子的全方位扫描，并且扫描后可以自动生成高精度绝缘子三维模型，为后续进行绝缘子爬电距离的计算提供了精确的数值，避免了人工粘胶带法计算绝缘子爬电距离的误差。此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明一个实施例的绝缘子三维模型扫描装置的示意图。

图2是本发明一个实施例的二维转台和绝缘子扫描装置的示意图。

图3是本发明另一个实施例的三爪卡盘的示意图。

图4是本发明另一个实施例的伺服电机、主动齿轮和从动齿轮的示意图。

图5是本发明一个实施例的顶部固定卡盘和轴承座的示意图。

图6是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。

图7是本发明另一个实施例的方法的数据补全的示意图。

图8是本发明一个实施例的重建装置的示意性框图。

附图标记说明：1、顶板，2、二维转台，3、顶部固定卡盘，4、定位参考柱，5、三爪卡扣，6、三爪卡盘，7、底板，8、卡盘松紧把手，9、步进电机，10、支架，11、滑动台，12、支撑机构，13、锁紧件，14、轴承座，15、长支撑柱，16、丝杠，17、拖链，18、伺服电机，19、主动齿轮，20、从动齿轮，21、绝缘子扫描装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面对本发明中出现的关键术语进行解释。

Simplifier：是一种点云降采样工具。

Transformer-Encoder：是一种点云编码器。

Query Generator ：是一种查询生成器。

Transformer-Dencoder：是一种点云解码器。

FoldingNet：是一种神经网络模型。

图1是本发明一个实施例的绝缘子三维模型扫描装置图。

如图1、图2所示，该装置包括：二维转台2和绝缘子扫描装置21。

二维转台2包括顶板1和底板7，顶板1和底板7之间连接有长支撑柱15和定位参考柱4，定位参考柱4上设置有若干定位参考贴片，待测绝缘子安装在底板7和顶板1之间。

绝缘子扫描装置21包括支撑机构12，支撑机构12上设有直线导轨和丝杠16，丝杠16的一端连接有步进电机9，丝杠16的外周配合有滑动台11，直线导轨和丝杠16将滑动台11上下贯穿，滑动台11上设有用于安装扫描仪的支架10。

具体地，可以选用扫描仪FreeScan UE Pro，具体参数为:

1. 最高精度0.01mm，高分辨率展示物体精致细节，可生成点云或网格数据。

2. 最高扫描速度2100,000点/秒。

3. 最大扫描幅面可达到600mm*550mm。

4. 扫描景深510mm。

5. 扫描仪可在-20℃～40℃温度、10-95%湿度区间正常工作。

6. 可输出格式为STL，ASC，OBJ，PLY的数据。

如图3所示，在一些实施方式中，二维转台2还包括三爪卡盘6，三爪卡盘6用于固定待测绝缘子的下端；三爪卡盘6设置在底板7上方，三爪卡盘6的侧面设置有卡盘松紧把手8，三爪卡盘6的上方设置有三爪卡扣5，顺时针转动卡盘松紧把手8时，三爪卡扣5向外移动并松开待测绝缘子的下端，逆时针转动卡盘松紧把手8时，三爪卡扣5向内移动并夹紧待测绝缘子的下端。

如图4所示，在一些实施方式中，二维转台2还包括伺服机构；伺服机构设置在二维转台2下方，伺服机构包括伺服电机18、主动齿轮19和从动齿轮20，伺服电机18的输出轴上安装有主动齿轮19，底板7的下端安装有从动齿轮20，主动齿轮19和从动齿轮20相互啮合，用于使二维转台2360度转动，主动齿轮19与从动齿轮20构成锥齿轮。

在一些实施方式中，若干定位参考贴片均匀设置在定位参考柱4上，定位参考贴片内缘为全反光材质，外缘为纯黑材质，用于在绝缘子三维模型生成时形成扫描定位的参考点。定位参考柱4的个数至少为四个，定位参考柱4等距间隔安装在底板7上方与顶板1下方。

具体地，参考定位柱上覆盖参考位置贴片。参考贴片本身中间为全反光材质，周边为纯黑材质，分布在位置参考柱之上。在正式测量前，使用扫描仪扫描在不带绝缘子样品的情况下，扫描定位柱和定位贴片。因定位贴片特殊的反光属性（中间高反光、周边零反光）而被扫描仪识别。定位柱上全部参考位置贴片全部被识别后，形成固定的扫描“背景”。正式检测时，该“背景”将成为扫描定位的参考点。

如图5所示，在一些实施方式中，二维转台2还包括顶部固定卡盘3，用于夹持待测绝缘子上端，顶部固定卡盘3通过锁紧件13固定在长支撑柱15上，锁紧件13贯穿于长支撑柱15，用于根据待测绝缘子的高度调整顶部固定卡盘3的高度。

顶部固定卡盘3的中部设有供待测绝缘子穿过的通孔，通孔上方设置有轴承座14，待测绝缘子穿过通孔和轴承座14后，通过轴承座14将待测绝缘子上端固定并固定。

在一些实施方式中，绝缘子扫描装置21还包括拖链17；拖链17设置在支撑机构12的侧面，用于收纳保护安装在支架10上的扫描仪的线缆。

在一些实施方式中，绝缘子扫描装置21还包括工控机；伺服电机18通过伺服电机18驱动器与工控机连接，工控机通过输出控制信号到伺服电机18驱动器，控制伺服电机18的运动。步进电机9通过步进电机9驱动器与工控机连接，工控机通过输出脉冲信号到步进电机9驱动器，控制步进电机9的运动。

可选地，作为本发明一个实施例，还包括绝缘子三维模型生成装置，绝缘子三维模型生成装置用于接收扫描仪的扫描得到的绝缘子三维点云数据，并进行三维模型生成，得到绝缘子三维模型。

本发明实施例提供的绝缘子三维模型生成方法由绝缘子三维模型扫描装置执行。

图6是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。

如图6所示，该方法包括：

步骤一，接收绝缘子三维模型扫描装置获取的第一绝缘子三维点云数据；

步骤二，对第一绝缘子三维点云数据进行数据补全，得到第二绝缘子三维点云数据；

步骤三，基于第二绝缘子三维点云数据使用预设的泊松方程进行三维重建，得到重建后的绝缘子三维模型。

为了便于对本发明的理解，下面以本发明绝缘子三维模型生成方法的原理，结合实施例中对绝缘子三维模型进行生成的过程，对本发明提供的绝缘子三维模型生成方法做进一步的描述。

具体的，绝缘子三维模型生成方法包括：

S1、接收绝缘子三维模型扫描装置获取的第一绝缘子三维点云数据。

将待测绝缘子竖直放置在二维转台2上，通过工控机控制伺服电机18使放置在二维转台2上的待测绝缘子360度转动。通过工控机控制步进电机9使得滑动台11在直线导轨上上下运动，对待测绝缘子进行扫描，得到第一绝缘子三维点云数据。

S2、对第一绝缘子三维点云数据进行数据补全，得到第二绝缘子三维点云数据。

具体地，如图7所示，基于第一绝缘子三维点云数据使用预设的Transformer-Encoder建立模型。然后基于预设的Transformer-Decoder建立第一绝缘子三维点云数据与缺失点云数据之间的相互关系，得到第二绝缘子三维点云数据。

例如，在现实场景下，现有的绝缘子扫描仪由于物体自遮挡等问题只能采集到缺失且稀疏的点云数据，所以需将这样缺失且稀疏的点云进行补全以得到高品质的点云。首先根据绝缘子的先验特征，通过Transformer-Encoder充分建模已知点云的结构信息与点间关系，再通过Transformer-Decoder学习缺失部分与存在部分的相互关系并以此生成缺失点云。在对点云进行补全时，会先将点云处理成为固定数目的点代理，方便作为Transformer的输入；然后通过Encoder对现有点云进行编码，通过Query Generator后生成第一阶段的点云中心和对应的动态Queries；最后这些Queries通过Decoder被翻译成点代理，点代理经过一个FoldingNet得到相对于特定中心点的偏移量，通过将对应中心进行移动，可以得到某个点代理对应的局部点云。简而言之，将点云补全问题建模为一个集合到集合的翻译问题，即通过已知点云的信息翻译得到缺失部分的点云。

S3、基于第二绝缘子三维点云数据使用预设的泊松方程进行三维重建，得到重建后的绝缘子三维模型。

基于第二绝缘子三维点云数据与预设的泊松方程进行计算，得到重建场。

在重建场中，基于预设的权重密度对第二绝缘子三维点云数据进行加权计算，并计算加权平均值，将加权平均值的面作为等值面，提取等值面得到绝缘子三维模型的表面。

具体地，将重建问题转化为泊松方程的求解，即将补全后的绝缘子三维点云数据作为输入，输出物体表面的水密三维网格。

泊松重建步骤可以被概括为三步：

第一步，离散泊松方程求解:利用采样点云，求解离散泊松方程，得到重建场。

第二步，表面提取:通过选择适当的等值面，从重建场中提取出表面。

第三步，等值面的选择:利用权重密度估计对采样点的贡献进行加权，计算加权平均值作为等值面。

具体地，

其中，等式左边为指示函数被拉普拉斯算子作用的结果，右边为法向量场的散度场。表面网格可由marching cubes进行提取：

其中，表示重建表面；/>表示三维空间中的点；/>表示重建场在点/>处的值；表示选定的等值面；/>表示权重密度估计。

在一些实施例中，绝缘子三维模型生成装置中可以包括多个由计算机程序段所组成的功能模块。绝缘子三维模型生成装置中的各个程序段的计算机程序可以存储于计算机设备的存储器中，并由至少一个处理器所执行，以执行（详见图6描述）绝缘子三维模型生成装置的功能。

本实施例中，绝缘子三维模型生成装置根据其所执行的功能，可以被划分为多个功能模块，如图8所示。系统900的功能模块可以包括：接收模块910、补全模块920和重建模块930本发明所称的模块是指一种能够被至少一个处理器所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在存储器中。在本实施例中，关于各模块的功能将在后续的实施例中详述。

接收模块，用于接收绝缘子三维模型扫描装置获取的第一绝缘子三维点云数据。

补全模块，用于对第一绝缘子三维点云数据进行数据补全，得到第二绝缘子三维点云数据。

重建模块，用于基于第二绝缘子三维点云数据使用预设的泊松方程进行三维重建，得到重建后的绝缘子三维模型。

可选地，作为本发明一个实施例，重建模块包括：

重建场生成单元，用于基于第二绝缘子三维点云数据与预设的泊松方程进行计算，得到重建场。

三维模型表面生成单元，用于在重建场中，基于预设的权重密度对第二绝缘子三维点云数据进行加权计算，并计算加权平均值，将加权平均值的面作为等值面，提取等值面得到绝缘子三维模型的表面。

因此，本发明通过二维转台和绝缘子扫描装置，可以实现对待测绝缘子全方位的扫描。本发明的绝缘子三维模型扫描装置实现了对绝缘子的全方位扫描，并且扫描后可以自动生成高精度绝缘子三维模型，为后续进行绝缘子爬电距离的计算提供了精确的数值，避免了人工粘胶带法计算绝缘子爬电距离的误差。本实施例所能达到的技术效果可以参见上文中的描述，此处不再赘述。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中如U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，包括若干指令用以使得一台计算机终端（可以是个人计算机，服务器，或者第二终端、网络终端等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，包括：二维转台（2）和绝缘子扫描装置（21）；

二维转台（2）包括顶板（1）和底板（7），顶板（1）和底板（7）之间连接有长支撑柱（15）和定位参考柱（4），定位参考柱（4）上设置有若干定位参考贴片，待测绝缘子安装在底板（7）和顶板（1）之间；

绝缘子扫描装置（21）包括支撑机构（12），支撑机构（12）上设有直线导轨和丝杠（16），丝杠（16）的一端连接有步进电机（9），丝杠（16）的外周配合有滑动台（11），直线导轨和丝杠（16）将滑动台（11）上下贯穿，滑动台（11）上设有用于安装扫描仪的支架（10）。

2.根据权利要求1所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，二维转台（2）还包括三爪卡盘（6），所述三爪卡盘（6）用于固定待测绝缘子的下端；

所述三爪卡盘（6）设置在底板（7）上方，三爪卡盘（6）的侧面设置有卡盘松紧把手（8），三爪卡盘（6）的上方设置有三爪卡扣（5），顺时针转动卡盘松紧把手（8）时，三爪卡扣（5）向外移动并松开待测绝缘子的下端，用于固定待测绝缘子下端，逆时针转动卡盘松紧把手（8）时，三爪卡扣（5）向内移动并夹紧待测绝缘子的下端。

3.根据权利要求1所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，二维转台（2）还包括伺服机构；伺服机构设置在二维转台（2）下方，所述伺服机构包括伺服电机（18）、主动齿轮（19）和从动齿轮（20），伺服电机（18）的输出轴上安装有主动齿轮（19），底板（7）的下端安装有从动齿轮（20），主动齿轮（19）和从动齿轮（20）相互啮合，用于使二维转台（2）360度转动，所述主动齿轮（19）与从动齿轮（20）构成锥齿轮。

4.根据权利要求1所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，所述若干定位参考贴片均匀设置在定位参考柱（4）上，定位参考贴片内缘为全反光材质，外缘为纯黑材质，用于在绝缘子三维模型生成时形成扫描定位的参考点；

定位参考柱（4）的个数至少为四个，定位参考柱（4）等距间隔安装在底板（7）上方与顶板（1）下方。

5.根据权利要求1所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，二维转台（2）还包括顶部固定卡盘（3），用于夹持待测绝缘子上端，所述顶部固定卡盘（3）通过锁紧件（13）固定在长支撑柱（15）上，锁紧件（13）贯穿于长支撑柱（15），用于根据待测绝缘子的高度调整顶部固定卡盘（3）的高度；

顶部固定卡盘（3）的中部设有供待测绝缘子穿过的通孔，通孔上方设置有轴承座（14），待测绝缘子穿过通孔和轴承座（14）后，通过轴承座（14）将待测绝缘子上端固定并固定。

6.根据权利要求1所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，绝缘子扫描装置（21）还包括拖链（17）；所述拖链（17）设置在支撑机构（12）的侧面，用于收纳保护安装在支架（10）上的扫描仪的线缆。

7.根据权利要求3所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于，所述绝缘子扫描装置（21）还包括工控机；

伺服电机（18）通过伺服电机（18）驱动器与工控机连接，工控机通过输出控制信号到伺服电机（18）驱动器，控制伺服电机（18）的运动；

步进电机（9）通过步进电机（9）驱动器与工控机连接，工控机通过输出脉冲信号到步进电机（9）驱动器，控制步进电机（9）的运动。

8.根据权利要求1所述的绝缘子三维模型扫描装置，其特征在于：还包括绝缘子三维模型生成装置，所述绝缘子三维模型生成装置用于接收扫描仪的扫描得到的绝缘子三维点云数据，并进行三维模型生成，得到绝缘子三维模型。

9.一种绝缘子三维模型生成方法，其特征在于，包括：

采用权利要求1-7任一项权利要求所述的绝缘子三维模型扫描装置获取第一绝缘子三维点云数据；

对所述第一绝缘子三维点云数据进行数据补全，得到第二绝缘子三维点云数据；

基于第二绝缘子三维点云数据使用预设的泊松方程进行三维重建，得到重建后的绝缘子三维模型。