一種導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸電線路測量設備領域，尤其是一種導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方 法。
【背景技術】
[0002] 在輸電系統(tǒng)所面臨的自然災害中，導線脫冰跳躍現(xiàn)象最為常見，其嚴重威脅著輸 電系統(tǒng)的安全。近年來，關于導線脫冰問題，國內(nèi)外開展了大量的研究，多是采用數(shù)值模擬 的方法對脫冰進程中的動態(tài)張力、導線跳躍高度、垂直載荷、鐵塔桿件與間隔棒內(nèi)力和基礎 彎矩等進行了計算。少部分學者對導線脫冰進行了模擬實驗研究，對相關數(shù)據(jù)項進行了實 際測量。相對于張力、絕緣子串軸力等數(shù)據(jù)的測量而言，導線脫冰跳躍軌跡的測量難度較 大，目前，尚未有文獻給出導線脫冰跳躍軌跡測量的成熟方案。
[0003] 目前，還沒有結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)的導線脫冰跳躍軌跡測量的成熟方法。為了解決目前 導線脫冰跳躍軌跡測量困難的問題，本發(fā)明對雙目系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行設計，給出結(jié)構(gòu)參數(shù)的 優(yōu)化求取方法，采用極線與導線相交的特性進行立體匹配，實現(xiàn)導線脫冰跳躍軌跡非接觸、 準確、實時的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術不足，提供一種解決目前導線脫冰跳躍軌跡測量 困難的、考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方法。
[0005] 本發(fā)明采用的技術方案是：
[0006] 一種考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方法，其步驟為：
[0007] ⑴系統(tǒng)標定：將測量裝置架設在與待測導線平行的位置，測量裝置采用雙目，即兩 個相機測量的方式，將測量裝置與上位機連接形成測量系統(tǒng)，通過上位機計算，獲取測量系 統(tǒng)的內(nèi)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0008] ⑵圖片拍攝：測量裝置采用仰視姿態(tài)連續(xù)拍攝脫冰導線；
[0009] ⑶數(shù)據(jù)處理：通過上位機進行數(shù)據(jù)處理，完成兩個相機與導線圖像匹配點的立體 匹配和匹配點的三維坐標計算；
[0010] ⑷顯示軌跡：對數(shù)據(jù)處理后的計算結(jié)果進行坐標變換，顯示出脫冰導線橫向運動 軌跡、縱向運動軌跡和軸心運動軌跡。
[0011] 而且，步驟⑴所述的測量裝置包括支架、左相機、右相機、數(shù)據(jù)線，支架為"T"字型， 頂部兩側(cè)分別對稱安裝有一相機，左邊的相機為左相機，右邊的相機為右相機，調(diào)整兩相機 位置，使兩個相機之間的連線垂直于導線方向且兩相機之間之間的中點位于導線下方。
[0012] 而且，步驟⑴所述的測量系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)采用平面棋盤格模板法進行求解，所用的標 定板尺寸為600mm * 400mm，格點大小50mm * 50mm，標定圖片為20幅。
[0013] 而且，步驟⑴所述的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算方法是：
[0014] 設P為標定板上的一個角點，那么左右相機坐標系中P點滿足：
[0015] Pcl=R1Pi^T1 (I)
[0016] Pc2=RrPw+Tr (2)
[0017] Pc2= R'Pcl+r (3)
[0018] Pcl= R"pc2+T" (4)
[0019] 由式（I)、（2)、⑶容易得到
[0020] R' = RrR11 (5)
[0021] Τ' =Tr-KT1 (6)
[0022] 同理，由式（I)、（2)、⑷可以得到
[0023] R" = R1Rr1 (7)
[0024] T" = T1-ITTr (8)
[0025] 采用較小的標定板，尺寸為300mm * 300mm，格點大小50mm * 50mm，拍攝多幅標定 圖片，考慮重投影誤差函數(shù)：
[0027] 式中，Pll j和P &分別代表P點在左右相機所拍攝的第i幅標定圖片中的第j個角 點。盡(R,,,η,)和（(R,,,T")代表左、右相機中由相機內(nèi)參、第i幅標定圖片的旋轉(zhuǎn)矩陣以及 平移向量計算出的第j個投影點，將式（5) (6)式帶入式（9)，可以得到：
[0029] 利用LM(Levenberg-Marquard)優(yōu)化算法對上述方程進行求解，得出R'和Τ'的精 確值。上述求解過程中，R'和Τ'的初值可以選擇由式（5)(6)直接計算出來的某個結(jié)構(gòu)參 數(shù)值。
[0030] 將式（7) (8)式帶入式（9)，得到：
[0032] 比較求解后重投影誤差EJP E 2的大小，取較小值所對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)的值。
[0033] 而且，步驟⑶所述的兩個相機與導線圖像匹配點的立體匹配方法是：
[0034] 首先，利用灰度變換、二值化、形態(tài)學濾波的圖像處理方法從左、右兩個相機所拍攝 的導線圖像中提取導線，并對導線中心線進行最小二乘擬合，然后，取左相機導線擬合中心線 上某點P1，其像素齊次坐標為Hi1，則其在右圖像上的極線為I1= Fm i，其在右圖像上對應的匹 配點為U與右圖像上導線擬合中心線的交點P P其中，F(xiàn)為基礎矩陣，在本系統(tǒng)中設定世界坐 標系與左相機坐標系重合，則
反對稱矩陣。
[0035] 而且，步驟⑶所述匹配點的三維坐標計算方法是：
[0036] 分別建立世界坐標系OwXwYwZ w,位于相機光心的相機坐標系H Od2Ye2Ze2，位于相機主點（u。，％)的圖像物理坐標系O 1X1Y1和O2X2Y2，位于成像平面左上角 的圖像像素坐標系OuvlU1V1和Ouv2U 2V2。由相機投影原理，可以得到：
[0038] 上式中，s是比例因子，仁與fy分別為兩個方向上的尺度因子，R和T分別為世界坐標
[0039] 而且，在步驟⑶所述匹配點的三維坐標計算過程中，對相機鏡頭的徑向畸變和切 向畸變的進行投影點補償計算，其計算方法是：
[0040] 在相機坐標系中，鏡頭畸變后投影點的坐標為：
[0042] 上式中，P = [P1 p2 p3 p4 p5]，為畸變系數(shù)，
[0043] 對于任一測量點，在左右兩個成像平面上得到兩個圖像像素坐標（U1, V1)和 (Ur，\)，帶入式（12)，可以得到方程組： CN 105181109 A 說明書 4/7 頁
[0045] 將上述方程組簡記為AP'W=B，利用最小二乘法進行求解，可得P' w= (AtA1)AtBq
[0046] 而且，步驟⑷中的坐標變換方法是：
[0047] 將測量得到的導線脫冰跳躍軌跡位于XwOZw(XdOZJ面內(nèi)，為了衡量導線在水平和 堅直方向上的運動情況，定義新的坐標系X'w〇Z'w，其中（《'"軸平行于基線，0Z' "軸垂直于 基線，二者之間的變換公式為
[0048] 本發(fā)明優(yōu)點和積極效果為：
[0049] 本發(fā)明提供的導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方法可以實現(xiàn)對導線脫冰脫冰跳躍軌 跡的非接觸、實時、準確的測量，可以應用到今后的導線脫冰實驗和線路監(jiān)測中，獲取導線 脫冰跳躍原始數(shù)據(jù)。
[0050] 本發(fā)明提供的導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方法利用重投影誤差函數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù) 進行優(yōu)化，有效提高結(jié)構(gòu)參數(shù)求解精度，通過比較雙目系統(tǒng)中左右相機的重投影誤差值，實 現(xiàn)對結(jié)構(gòu)參數(shù)值進一步的優(yōu)選。；另一方面，本系統(tǒng)利用導線中心線與雙目系統(tǒng)極線有交叉 的特性，實現(xiàn)匹配點快速準確的提取，對導線中心線進行擬合，有效提高匹配精度，結(jié)合了 雙目視覺技術、數(shù)字圖像處理技術、計算機軟件技術等，技術先進。
【附圖說明】
[0051] 圖1是本發(fā)明中測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖2是本發(fā)明中三維坐標計算的原理圖。
【具體實施方式】
[0053] 下面通過附圖結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。
[0054] -種考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的導線脫冰跳躍軌跡雙目測量方法，其步驟為：
[0055] ⑴系統(tǒng)標定：將測量裝置架設在與待測導線平行的位置，測量裝置采用雙目，即兩 個相機測量的方式，見圖1，將測量裝置與上位機連接形成測量系統(tǒng)，通過上位機計算，獲取 測量系統(tǒng)的內(nèi)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，測量裝置包括支架、左相機、右相機、數(shù)據(jù)線，支架為"T"字 型，頂部兩側(cè)分別對稱安裝有一相機，左邊的相機為左相機，調(diào)整兩相機位置，使兩個相機 之間的連線垂直于導線方向且兩相機之間之間的中點位于導線下方；
[0056] 見圖2,選定導線脫冰跳躍高度的測量范圍為4. Om ;
[0057] 選擇基線距B的值為I. 5m ;
[0058] 為了保證測量過程中水平投影角β的值不會過大，水平投影角a的值設置為 67。；
[0059] 為增大相機的焦距，在滿足測量量程的要求下，縮小相機的視場角至28°，此時可 視范圍約在I. 0-5. Om ;
[0060] 在導線脫冰跳躍軌跡測量過程中，采用仰視姿態(tài)，并調(diào)整系統(tǒng)位置水平且關于導 線對稱，保證測量過程中結(jié)構(gòu)對稱。
[0061] 步驟⑴所述的測量系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)采用平面棋盤格模板法進行求解，所用的標定板尺 寸為600mm * 400mm，格點大小50mm * 50mm，標定圖片為20幅，測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計 算方法是：
[0062] 設P為標定板上的一個角點，那么左右相機坐標系中P點滿足：
[0063] Pcl=R1Pi^T1 (1)
[0064] Pc2=RrPw+Tr (2)
[0065] Pc2= R'Pcl+r (3)
[0066] Pc1=R"Pc2+T" (4)
[0067] 由式（I)、（2)、（3)容易得到
[0068] R' = RrR11 (5)
[0069] T，= Tr_R，T1 (6)
[0070] 同理，由式（I)、（2)、⑷可以得到
[0071] IT = R1Rr