配电房遥控移动三维扫描及点云自动拼接方法_金文佩.pdf

第 卷第期 年月测绘科学 作者简介：金文佩（），女，广东广州人，工程师，硕士，主要研究方向为配网规划及应用。：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；南方电网有限责任公司科技项目（）通信作者：梅文胜 教授 ：引文格式：金文佩，梁倩仪，于安斌，等 配电房遥控移动三维扫描及点云自动拼接方法 测绘科学，（）：（，（）：）：配电房遥控移动三维扫描及点云自动拼接方法金文佩，梁倩仪，于安斌，徐芳，梅文胜（广东电网有限责任公司 广州荔湾供电局，广州 ；武汉大学 测绘学院，武汉 ）摘要：为解决目前配电房配网规划改造设计中缺乏配电房结构及内部设备精确三维空间数据的快速获取装备与方法的问题，该文设计研发了配电房遥控移动三维激光扫描系统，提出了一种基于履带车编码器的配电房多站点云自动拼接方法，该系统将激光扫描仪安置于遥控履带式移动平台上，作业人员可在配电房外，遥控扫描系统移动到合适的测站位置，实现配电房内部的多站扫描，该方法能快速实现不同站点间的点云数据的粗拼接，再利用广义迭代最近点（）算法迭代实现精配准，获得完整统一的精确配电房三维点云数据。该文研发的配电房移动扫描系统避免了操作人员进入带电的配电房作业，可在符合配电房安全管理规范的前提下，完成配电房扫描数据采集，提出的基于编码器的多站点云自动拼接方法可降低扫描仪的配置要求，降低系统成本。关键词：配电房；遥控移动三维激光扫描系统；多站点云数据；自动拼接；编码器【中图分类号】【文献标志码】【文章编号】（），（，；，）：，（），第期金文佩，等 配电房遥控移动三维扫描及点云自动拼接方法 ：；引言配电房是城市居住区及商业综合体供配电的基础设施，配网规划过程中，因基建、技改、业扩等项目的需要，要在配电房内进行多次拼柜或者新增母线等改造，目前的 配电房因外部环境、所在建筑物空间、房内电气接线等不同因素，室内空间大小以及设备布置方式各不相同。规划设计前，规划人员必须掌握待接入电房内的设备精确空间分布，依据配电房内实际布置情况，方可进行规划设计。利用三维扫描技术对配电房内部进行扫描，可获取配电房的三维点云数据，实现配电房的“三维实景复制”。配网规划系统调用相应模块，与电房的三维扫描数据进行匹配，可快速判断是否满足新增设备所需的空间大小与位置，并生成改造后的规划方案。可减少大量重复的现场量测工作，提高工作效率。室内场景的三维激光扫描目前主要有两种方式：背包式或手持式的动态扫描，一般采用线激光扫描头与其他传感器集成，多采用同步定位与 建 图（，）结合其他技术实现运动状态下的定姿与定位，这种方式使用灵活，作业效率高，但精度目前只能达到厘米级；架站式静态扫描，一般利用旋转摆动的棱镜系统实现 全方位的激光扫测，其测量精度较高，可达毫米级，但受通视条件的限制，通常需要多站扫描，且多站点云需拼接配准。为保证配电房内电器设备的安全距离，规划设计人员希望改造时在点云上量取的相对位置精度优于，项目选用静态多站扫描的方式采集配电房点云数据，常规地面三维激光扫描仪需要人员搬动操作扫描，但因配电房内设备带电，作业时作业人员不能进入配电房内操作。架站式扫描点云数据拼接主要包括基于传感器辅助的拼接、基于辅助标识的拼接和基于公共点云的自动拼接种方法。基于传感器辅助的点云拼接是在扫描设备上搭载具有个自由度的多种辅助传感器，以记录不同站点点云数据之间的相对移动或转动；基于辅助标识拼接方法，目前主要是布设人工控制标靶（如平面标靶、球形标靶等），或者通过人工交互选取不同站点点云间的同名特征（包括点、线、面），在内业中进行标靶识别或特征提取，最终获得不同站点点云数据之间的相对移动或转动；基于公共点云的自动拼接主要是用算法搜索出多站点云中用于拼接的公共特征点云，从而计算出两坐标系间的平移及旋转参数，因不需要额外的辅助即可完成拼接，是当前点云拼接研究中的热点。基于传感器辅助点云拼接的三维扫描仪通常需要附加多种传感器，结构复杂，比如徕卡（）的 扫描仪就集成了全球导航卫星系统（，）、惯导、视觉跟踪等多种传感器来实现多站点云的粗配准，设备价格昂贵。基于辅助标识拼接方法的后处理工作量较大，耗时费力，并且配电房内空间较小、设备存在遮挡情况，配电房测量现场有些区域禁止进入，难以合理布设控制标靶，因此该拼接方法对配电房扫描测量不适用。针对特征明显的被测物体可采用基于公共点云的自动拼接方法，主要有迭代最近点（，）和特征点匹配两种方法，是从一片点云中搜索到另外一片点云中的最近点来确定对应点集，较易陷入局部最优解，且要求两片点云初始位置与真实位置相差不大；特征点匹配 通过分析被测物体的局部几何信息来寻找特征点并实现拼接，但在算法中特征点包含较少的几何信息，稳定性欠佳。特别是配电房的扫描数据中以面特征为主，多呈对称矩形立方体结构的配电房的面点云极易出现匹配错误，已有的基于公共点云的自动拼接方法并不适用。综上所述，运营期的配电房不允许扫描操作人员进入，多站点云的自动精确拼接是电房扫描及配准处理的两个关键问题，本文设计研发了一种配电房遥控移动三维激光扫描测量系统，将激光扫描仪安置于遥控履带车移动平台上，作业人员在室外就可以通过遥控器移动测站位置，避免了操作人员进入运营带电的配电房内作业，并能实现配电房内的多站扫描；提出一种基于编码器数据的多站点云快速自动拼接方法，用低成本的编码器替代了为自动配准功能而增加的多种传感器，使用不带自动配准功能的扫描仪实现系统数据的自动配准，可降低系统对扫描仪的配置要求，从而降低了系统成本。测绘科学第 卷配电房遥控移动三维激光扫描测量系统本文设计研发了配电房遥控移动三维激光扫描测量系统，该系统可在配电房内遥控移动平面位置及升降仪器高度，对配电房进行全方位扫描，获取高精度的配电房详实三维点云数据。基于遥控移动平台的配电房三维激光扫描测量系统由三维激光扫描仪、遥控履带车、铝合金固定支架、铝合金连接件、遥控升降杆、履带车及升降杆控制板、编码器和用于系统遥控与控制平板电脑组成，如图（）所示。编码器安装如图（）所示，增量式编码器、编码器分别与左履带、右履带相连，连续等时间间隔获取编码器的累计脉冲数，进而计算得到左履带、右履带在等时间间隔内的移动距离，编码器与升降支架相连，升降支架启停过程中连续等时间间隔获取脉冲数，即可计算得到升降距离。图配电房遥控移动三维激光扫描测量系统 该系统中平板 用蓝牙与履带车及升降杆控制板连接，遥控操作履带车及升降杆，用 与激光扫描仪连接，控制激光扫描仪进行扫描。将系统放进配电房门口位置后，可在人员不进入配电房的情况下，目视遥控操作履带小车在选定的位置扫描，也可以在前一站的点云全景三维图上观察遮挡情况，在图上选定下一站扫描的位置及行走线路，根据选定的相对位置关系用软件驱动履带小车行走到指定位置，实现配电房多站全方位扫描。基于编码器的配电房多站点云自动拼接方法本文提出一种基于编码器的配电房多站点云自动拼接方法，充分利用配电房三维激光扫描测量系统移动平台站间移动时连续等间隔采集的编码器数据，经累加积分计算，获取不同测站间的初始相对位置及姿态关系，实现不同站点间的点云数据的粗拼接，再利用公共面片迭代对准，实现不同测站间点云的自动精确拼接，获得完整统一的配电房三维点云数据。基于编码器数据的多站点云粗配准随着遥控移动平台的移动，扫描仪采集三维空间数据时的站点坐标是不同的，根据左、右履带移动距离和升降支架的移动距离，可获得移动扫描站点后的位置以及方向角的变化值，假设配电房的地面为平面，根据式（）、式（）计算出两站点间点云的低精度的初始变换关系，从而实现两站点云的粗拼接。在配电房内选择合适的位置作为扫描的第一站站点，用配电房遥控移动三维激光扫描测量系统，采集配电房的三维点云数据，以第一站激光扫描测量系统中心为原点，（，）（，），以扫描测量系统零方向为轴，建立首站三维坐标系统；然后，将基于遥控移动平台的配电房三维激光扫描测量系统移至配电房站点处，移动过程中以的时间间隔（）读取编码器的脉冲数，在站点处采集配电房的三维点云数据，（，）站点坐标计算见式（）、式（），式中变量见图。（）（）（）（）烍烌烎（）第期金文佩，等 配电房遥控移动三维扫描及点云自动拼接方法（）（）烍烌烎（）式中：设三维激光扫描测量系统由站移动至站的过程中，（）时刻读取了左、右、升降编码器脉冲数、与；为编码器每圈总脉冲数，为左、右履带轮直径；为升降驱动轮直径；在 时间间隔内，左履带移动量为；右履带移动量为；升降杆移动量为；为站移动至站过程中第个移动量的方位角；为左右履带间的距离。图（，）坐标计算公式中的变量示意图 （，）计算各 站 点 坐 标 和 方 位 角 变 化 量 后，即 可进行三 维 点 云 数 据 的 坐 标 变 换，根 据 式（）、式（），计算对于的初始变换矩阵，将站点的三维点 云数据经变 换 至站 点 的坐标系中。熿燀燄燅 熿燀燄燅 熿燀燄燅（）熿燀燄燅熿燀燄燅熿燀燄燅（）式中：为站点坐标系相对于站点坐标系的初始变换矩阵；（，）为站点坐标系中的点云坐标；（，）为站坐标转换至站点坐标系中的点云坐标。基于配电房平面特征的多站点云精配准经粗配准后，多站点云可初步转化至统一的坐标系中，得到粗拼接后的多站统一坐标系下的点云数据，此时，多站点云之间的相对位置姿态关系已大致配准，但因粗配准精度较低，多站点云中的同名面片并不能精确重叠，可能存在明显的错开间隙，还需进一步进行精配准，使多站点云精确对准。因配电房结构及配电房内的柜体存在较多的平面，而配电房基本上是封闭结构，其内部的多站扫描重叠度一般也较大，点云中有较多的平面特征，广义迭代最近点（，）算法，综合考虑点到点、点到面、面到面的策略，精度及鲁棒性较好，用 算法实现多站点云的精确配准对粗配准的要求较低。实验结果与分析 编码器粗配准实验履带车编码器分辨率为 脉冲圈，履带动力齿轮直径为，每个脉冲对应的移动量为 ，其控制精度很高，由于履带与地面间的打滑不可避免，由编码器递推计算出的位置和方位的累积误差会随着运动距离和转动角度的增大而变大，为了解用编码器数据计算履带位置及姿态变化量偏差情况，选定在与配电房大小及形状类似的房间内进行实验，房间为瓷砖地面，平整性好，车子在近似平面上运动扫描仪的轴方向变化不大，主要表现为水平方位（绕轴旋转）的变化。车子履带为橡胶材质，由编码器数据计算得到的车子移动位置及水平方向变化量的误差主要取决于与履带和瓷砖间相对滑动情况，履带车在直线运动时两侧履带和瓷砖间的相对滑动基本相似，计算出的方向变化值精度应相对较高；而在转向运动时，两侧履带运动速度不同，两侧履带受到的摩檫力方向不同，两侧履带和瓷砖间的相对滑动也不相同，理论上由编码器计算出的方向变化值精度较直线运动时要低。因此，特分别设计直线运动和划圆转向两个实验。）直线运动实验。在矩形房间内，履带车沿近似直线运动，在如图所示的、这个位置扫描，在履带车从移动到、到、到的过程中，每隔 读取左、右轮编码器的脉冲数（、）。图直线实验履带车位置示意图 经标定履带车左右履带间的距离 ，测绘科学第 卷每个脉冲履带车左轮移动距离为 ，右轮为 ，扫描仪零方向与小车零方向初始角为 。实验中升降杆没有调整，未计算的变化，表为选取的开始、中间、结束位置的脉冲数据及计算结果。同理，可计算得、在扫描仪坐标系下的平移量及方位角。、四站的扫描点云数据，精配准统一到站点云坐标系后，可得到精确的站间关系，结果见表。表在坐标系下相对位置及姿态关系计算表 小车（）扫描仪（）表直线实验编码器与精配准计算成果表 目的站源站编码器计算成果精配准成果（）旋转轴旋转角（）（，）（，）（，）由表精配准的成果可看出，求解出的源站到目的站的旋转轴矢量，基本接近铅直向上，值也很小，当地面较平整时，站间的转换参数主要表现为平面上的平移和旋转。对比编码器与精配准计算的转换参数，平移量最大相差，旋转角最大相差约 ，说明在直线运动状态下，由编码器可以求得较高精度的粗配准结果。）圆周转向运动实验。同样在矩形房间内，履带车沿近似圆周运动，在如图所示，从开始，绕行一圈回到开始的大概位置，共在个位置扫描，同样在履带车移动过程