基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的輸電桿塔數(shù)字化組裝方法及應(yīng)用*

劉海鋒 李賓皚 龔飛 葛曉峰 李茂華

1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 北京100055

2.國(guó)網(wǎng)上海電力公司 200122

3.浙江盛達(dá)鐵塔有限公司 杭州311232

引言

輸電塔由主材、斜材和節(jié)點(diǎn)等多個(gè)構(gòu)件連接而成。在這些構(gòu)件加工完畢后，應(yīng)確保這些構(gòu)件是可以被安裝在一起的。然而，由于設(shè)計(jì)失誤、加工誤差過(guò)大等原因，輸電塔的個(gè)別部件會(huì)存在難以甚至無(wú)法組裝的可能性，這會(huì)給輸電塔的現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)極大的困難。因此，在輸電塔的第一批部件加工完畢后，依據(jù)相關(guān)規(guī)程，塔廠必須開(kāi)展輸電塔的試組裝工作，以檢查各個(gè)部件的可安裝性［1，2］。

在傳統(tǒng)的試組裝過(guò)程中，需要在鐵塔廠內(nèi)，將鐵塔中的各個(gè)構(gòu)件安裝在一起，以驗(yàn)證各個(gè)構(gòu)件是否可以被順利安裝。該過(guò)程和輸電塔的現(xiàn)場(chǎng)施工高度類(lèi)似，需要大批熟練工人，大型起吊設(shè)備，并占用很大的場(chǎng)地，耗資巨大。為了降低輸電塔的試組裝成本，有必要借助機(jī)器視覺(jué)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電塔的數(shù)字化組裝［3-6］。

在相關(guān)的研究領(lǐng)域，王碧如和張達(dá)飛等［7-9］利用高精度激光全站儀，測(cè)量了橋梁或高層結(jié)構(gòu)部件中各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并將該位置與三維模型的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，并據(jù)此確定各個(gè)部件的可安裝性。因?yàn)闃蛄夯蚋邔咏Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和重量都很大，基本無(wú)法在部件生產(chǎn)廠內(nèi)進(jìn)行試組裝，該方法大幅度降低了橋梁試組裝的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)本文的研究具有重要的參考價(jià)值。然而，輸電塔的構(gòu)件數(shù)量和每個(gè)構(gòu)件上關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)大于橋梁或高層結(jié)構(gòu)，若采用全站儀一一測(cè)量每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)，成本極高。

因此，為了避免進(jìn)行耗資巨大的輸電塔實(shí)體試組裝，本文首先利用激光雷達(dá)掃描輸電塔中的零部件并采集其點(diǎn)云，然后利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，識(shí)別其中的螺栓孔位置、多邊形定點(diǎn)等關(guān)鍵幾何信息，并將該幾何信息和三維模型進(jìn)行對(duì)比。據(jù)此確定各個(gè)構(gòu)件是否可以順利安裝，并將該方法用于某輸電塔的數(shù)字化組裝，驗(yàn)證了該方法正確性。

1 輸電塔數(shù)字化試組裝的基本原理和工作流程

在施工現(xiàn)場(chǎng)，安裝輸電塔時(shí)，輸電塔的各個(gè)部件，例如節(jié)點(diǎn)、主材和斜材等，基本都是通過(guò)螺栓連接在一起的，很少會(huì)使用到焊接等其他連接方式。因此，如果輸電塔的三維模型是正確的，即在三維模型中，各個(gè)構(gòu)件的螺栓孔位置都是正確的，沒(méi)有分離和侵入的情況，那么實(shí)際加工的部件螺栓孔位置和理想模型的螺栓孔位置越接近，則該部件就越容易安裝。

在現(xiàn)階段，根據(jù)輸電塔的精細(xì)化模型，利用碰撞、分離檢測(cè)等方法來(lái)確定三維模型的正確性。因此，本文主要通過(guò)對(duì)比輸電塔部件的實(shí)際螺栓孔位置與三維模型螺栓孔位置的差異，來(lái)確定各個(gè)部件是否可以被順利組裝。因此，輸電塔數(shù)字化試組裝的基本步驟為：（1）利用激光雷達(dá)，采集輸電塔各個(gè)部件的三維點(diǎn)云；（2）利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，分析確定部件螺栓孔位置，生成部件的螺栓孔實(shí)測(cè)點(diǎn)云；（3）根據(jù)三維模型，確定螺栓孔的理想點(diǎn)云；（4）將螺栓孔實(shí)測(cè)點(diǎn)云和實(shí)測(cè)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，即使2 個(gè)點(diǎn)云之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離最??；（5）確定2 個(gè)點(diǎn)云之間的位置差異，差異越大，試組裝效果越差。

2 輸電塔數(shù)字化組裝的過(guò)程

2.1 構(gòu)件點(diǎn)云采集

由于大跨越輸電塔的構(gòu)件規(guī)格較大，主材的長(zhǎng)度往往會(huì)分別超過(guò)10m。因此，本文選用了Surphaser25HSX三維激光掃描儀，進(jìn)行構(gòu)件點(diǎn)云采集，如圖1 所示。在10m 和25m 時(shí)，該設(shè)備的點(diǎn)位精度可以分別達(dá)到0.3mm 和0.5mm，該精度可以基本滿足輸電塔試組裝的需要。

圖1 構(gòu)件2308 的掃描現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Scanning of member 2308

因?yàn)楣馐茄刂本€傳播的，每次只能掃描構(gòu)件的一個(gè)側(cè)面，所以利用構(gòu)件上的特征點(diǎn)來(lái)進(jìn)行不同側(cè)面點(diǎn)云的拼接。特征點(diǎn)一般為螺栓孔的中心或者多邊形的頂點(diǎn)。

在一個(gè)構(gòu)件的2 個(gè)點(diǎn)云中，需要包含4 個(gè)不共面共同的特征點(diǎn)。拼接算法的原理為：

在第1 個(gè)點(diǎn)云中，4 個(gè)共同特征點(diǎn)的坐標(biāo)為：

在第2個(gè)點(diǎn)云中，以上4個(gè)共同點(diǎn)的坐標(biāo)為：

點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換矩陣M為：

因此，利用矩陣M，即可將多次采集的點(diǎn)云拼接到一起，構(gòu)件2308 的拼接效果如圖2 所示。

圖2 構(gòu)件2308 的點(diǎn)云Fig.2 Point cloud of member 2308

2.2 實(shí)測(cè)與理想點(diǎn)云的配準(zhǔn)

得到上述點(diǎn)云后，將螺栓所在的節(jié)點(diǎn)板的點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為灰度圖形，并采用Hough變換的方法，確定節(jié)點(diǎn)板中螺栓孔的位置。

目前，幾乎所有輸電塔在制造前，都必須進(jìn)行三維放樣，并形成一個(gè)精細(xì)化三維模型，如圖3 所示。

圖3 整體輸電塔的三維精細(xì)化模型Fig.3 Detailed 3D model of whole transmission tower

本文從該模型中提取各個(gè)構(gòu)件的精細(xì)化三維模型，如圖4 所示。

圖4 構(gòu)件2308 的三維模型Fig.4 3D model of member 2308

基于OpenCascade和C++語(yǔ)言，本文開(kāi)發(fā)了相關(guān)程序，該程序可以自動(dòng)讀取并分析構(gòu)件的三維模型，識(shí)別螺栓孔位置，并生成螺栓孔的理想點(diǎn)云。

將2.2 節(jié)中輸電塔構(gòu)件螺栓孔的實(shí)測(cè)點(diǎn)云和2.3 節(jié)的理想點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，結(jié)果如圖5 所示。在圖5 中，紅色和綠色的點(diǎn)集分別代表實(shí)測(cè)和理想模型的螺栓孔點(diǎn)云。

圖5 輸電塔構(gòu)件2308 的實(shí)測(cè)螺栓孔點(diǎn)云Fig.5 Point cloud of member 2308

由圖5 可見(jiàn)，對(duì)比配準(zhǔn)后生成的紅色和綠色的點(diǎn)集，左下方的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)板的螺栓孔誤差為81mm；其余部分的螺栓孔誤差很小，低于4mm。因此，應(yīng)該修改這2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，以滿足輸電塔組裝要求。

3 輸電塔數(shù)字化試組裝效果分析

按以上方法，本文完成了國(guó)內(nèi)某大跨越輸電塔工程中所有部件的激光掃描及分析工作，絕大多數(shù)部件的試組裝性能是合格的。除構(gòu)件2308外，還有構(gòu)件1001 和805 出現(xiàn)明顯的試組裝問(wèn)題，如圖6 所示。

圖6 試組裝性能不佳的構(gòu)件Fig.6 Members not easily assembled

由圖6 可見(jiàn)，對(duì)1001 構(gòu)件來(lái)說(shuō)，右上法蘭的螺栓孔位及節(jié)點(diǎn)板的螺栓孔位是合理的，但左下法蘭螺栓孔位偏差很大，最大值為106.6mm。應(yīng)該將下法蘭以鋼管軸線為中心，旋轉(zhuǎn)一定的角度，即可顯著減小誤差，降低組裝難度；對(duì)于構(gòu)件805 而言，插板處的螺栓點(diǎn)位基本吻合，但在法蘭處，激光點(diǎn)云與三維模型螺栓的間距到達(dá)48.3mm。這是因?yàn)閷?shí)際加工構(gòu)件，兩個(gè)法蘭的間距太大，應(yīng)該縮小兩個(gè)法蘭之間鋼管的長(zhǎng)度。按照以上要求重新加工后，輸電塔的組裝工作非常順利。

所有部件的點(diǎn)云分析完畢后，本文將各個(gè)部件的點(diǎn)云拼接為一個(gè)輸電塔，如圖7 所示。圖7 代表的輸電塔數(shù)字化組裝得到的激光點(diǎn)云模型和圖3 代表的輸電塔精細(xì)化幾何模型是高度相似的。該現(xiàn)象說(shuō)明：1）輸電塔中絕大多數(shù)構(gòu)件的試組裝性能是合格的，這也是符合現(xiàn)階段輸電塔塔廠的加工質(zhì)量水準(zhǔn)的；2）本文提供的輸電塔數(shù)字化組裝方案是正確的。

圖7 實(shí)測(cè)激光點(diǎn)云拼接而成的整體輸電塔Fig.7 Whole transmission tower assembled by laser cloud detected

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)某大跨越輸電塔工程使用激光雷達(dá)來(lái)采集輸電塔每個(gè)部件的激光點(diǎn)云，并利用機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)，高效完成點(diǎn)云的拼接、關(guān)鍵點(diǎn)的識(shí)別和誤差計(jì)算，大幅度提高了輸電塔的數(shù)字化組裝效率，取得了良好的效果。下一步將結(jié)合有限元等力學(xué)計(jì)算方法，計(jì)算輸電塔組裝后的整體變形，以更為準(zhǔn)確地評(píng)判輸電塔的試組裝效果。