本發明涉及一種GIS母線艙對地三維位移的測量裝置和測量方法，具體涉及一種利用標識和單個攝像頭測量GIS母線艙對地的三維位移的測量裝置和測量方法。

背景技術：

母線艙是變電站的重要組成部分之一，實際運行發現，安裝于戶外的GIS母線艙會因為環境溫度的變化而發生位移形變，目前并沒有專門的設備用于監測這一變化，現場運行中多次出現因GIS母線艙的位移形變而發生的事故。目前還沒有能夠測量GIS母線艙三維位移的裝置，一般只能測量軸向位移，如在現場一般采用刻度尺觀察，其測量精度本身不高，同時因為人為因素造成的隨機誤差，其測量結果參考性不大；再如已發表的論文《基于激光測距的管型母線位移監測系統》中提出采用激光測位移的方法，經過實際試驗其存在較大問題，激光傳感器對環境溫度、濕度、供電等有較高的要求，不適合戶外在線部署，其昂貴的售價不適合大量部署，測量方式利用三角形原理，安裝過程中稍有角度偏離，則由于三角形原理將該偏差放大而影響測量精度，因此其實際應用價值不大。因此，急需研發出一種可以精確測量GIS母線艙對地的三維位移的方法，從而能準確監控GIS母線艙的位移形變，為變電站實際運行提供安全保證。

技術實現要素：

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為提供一種可以準確測量GIS母線艙對地三維位移的測量裝置和測量方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種GIS母線艙對地三維位移的測量裝置，包括圖像處理單元和標識物，所述圖像處理單元固定在母線艙上，所述標識物固定在所述圖像處理單元的正下方；所述圖像處理單元包括攝像頭，存儲單元、計算單元以及通信單元，所述攝像頭用于對所述標識物成像，并輸出到所述計算單元；所述計算單元用于根據所述標識物的中心位置以及所述標識物的大小在實時圖像中相對于初始時刻圖像中的變化，得到所述母線艙的三維位移信息；所述通信單元用于將所述計算單元計算得到的母線艙三維位移信息傳輸到監控中心。

所述標識物為多個LED燈組成的固定圖案，所述多個LED燈焊接在固定于所述攝像頭正下方的PCB板上，所述PCB板的控制端與所述計算單元連接。

所述標識物為四個LED燈組成的正方形，所述PCB板通過螺絲固定在位于地面的大質量物塊上。

所述標識物為已知尺寸的矩形、圓形、或已知間距的多個圓點。

所述的一種GIS母線艙對地三維位移的測量裝置，還包括照明單元，所述照明單元用于給所述標識物照明。

所述的一種GIS母線艙對地三維位移的測量裝置，還包括存儲單元，所述存儲單元用于存儲所述攝像頭傳輸的圖像信息以及所述計算單元計算得到的母線艙三維位移信息。

本發明還提出了一種GIS母線艙對地三維位移的測量方法，包括以下步驟：

S01、在母線艙的底部固定安裝攝像頭，在攝像頭正下方固定安裝標識物；

S02、在初始時刻，通過固定安裝在母線艙底部的攝像頭，對位于母線艙正下方的標識物進行成像，并將成像圖像作為位移前圖像G0進行保存；

S03、在T1時刻，對標識物進行成像，并將成像圖像作為位移后圖像G1進行保存；并對T1時刻的圖像與初始圖像進行對比計算，得到T1時刻相對于初始時刻GIS母線艙對地三維位移信息，并傳輸給監控中心；

S04、重復步驟S03，得到不同時刻GIS母線艙對地三維位移信息。

所述步驟S02中還包括以下步驟：計算位移前圖像G0中的標識物中心坐標（X0，Y0），以及標識物上兩個特征點的距離D0；

所述步驟S03中，計算得到T1時刻相對于初始時刻GIS母線艙對地三維位移信息的具體過程為：計算T1時刻的圖像中的標識物的中心坐標（X1，Y1），以及標識物上的兩個特征點的距離D1；根據圖像中標識物的中心坐標的變化，計算出GIS母線艙XY方向的位移；根據圖像中特征點的距離變化，計算出GIS母線艙在Z方向的位移。

所述標識物為四個LED燈組成的正方形，所述標識物中心為所述正方形的正中心，所述特征點的距離為相鄰兩個LED燈之間的距離。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：本發明所采用標識物和攝像頭分別固定在地面和GIS母線艙上，通過攝像頭獲取圖像進行計算，不僅可以精確測量GIS母線艙相對地面發生的三維位移，而且機械結構簡單，安裝要求低、成本低、易于大量部署，并且，由于包括攝像頭的圖像處理單元能耗低，可以通過電池供電，避免復雜的布線工作，且節能環保。

附圖說明

圖1為本發明提出的一種可以準確測量GIS母線艙對地三維位移的測量裝置的安裝示意圖；

圖2為本發明提出的一種可以準確測量GIS母線艙對地三維位移的測量裝置的圖像處理單元的結構示意圖；

圖3為本發明提出的一種可以準確測量GIS母線艙對地三維位移的測量方法的原理示意圖，其中圖3a表示初始時刻母線艙的成像，圖3b表示母線艙在XY平面內發生位移時標識物的成像圖像，圖3c表示母線艙在Z方向發生位移時的標識物的成像圖像；

圖4為本發明提出的一種可以準確測量GIS母線艙對地三維位移的測量方法成像的原理示意圖。

具體實施方式

為使本發明的技術方案和優點更加清楚，下面將結合具體實施例和附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明提出了一種GIS母線艙對地三維位移的測量裝置，包括圖像處理單元1和標識物2，如圖1所示，所述圖像處理單元1通過喉箍3固定在母線艙上，所述標識物2通過大質量物塊4固定在所述圖像處理單元的正下方；如圖2所示，所述圖像處理單元包括攝像頭11，計算單元13以及通信單元14，所述攝像頭11正對著所述標識物2，用于對所述標識物2成像，并輸出到所述計算單元13進行計算；所述計算單元13用于根據所述標識物的中心位置以及所述標識物的大小在實時圖像中相對于初始時刻圖像中的變化，得到所述母線艙的三維位移信息；所述通信單元用于將所述計算單元計算得到的母線艙三維位移信息傳輸到監控中心。

其中，如圖1所示，圖像處理單元1還可以包括存儲單元12，所述存儲單元12可以用于存儲所述攝像頭傳輸的圖像信息以及所述計算單元計算得到的母線艙三維位移信息。

下面結合圖3介紹一下本發明的一種GIS母線艙對地三維位移的測量裝置中，計算母線艙三維位移信息的原理。其中，標識物為4個四個LED燈組成正方形焊接在一塊黑色的PCB板上形成，所述PCB板通過螺絲固定在表面粗糙的大質量物塊上。以攝像頭與標識物的連線方向為Z軸，以標識物所在的平面為XY平面，母線艙初始時刻的成像圖像如圖3a所示，4個LED燈處于成像圖像中的正中心，以圖像中心為XY平面的正中心，則初始T0時刻，標識物圖像的中心坐標為（X0，Y0），像中相鄰兩個LED的距離，即四個LED組成的正方形的邊長為D0。若T1時刻，母線艙的成像圖像變成圖3b所示，即標識物的成像大小沒有改變，但標識物圖像的中心坐標變成了（X1，Y1）=（x1，y1），說明母線艙在X方向和Y方向均有位移，在X方向的位移大小為X1-X0，在Y方向的位移大小為Y1-Y0，位移的方向可以根據成像原理來具體確定；若T1時刻，母線艙的成像圖像變成圖3c所示，即標識物的中心坐標位置沒有改變，但標識物圖像成像大小變化了，則像中相鄰兩個LED的距離也會發生變化，假設正方形的邊長增大為D1，說明母線艙在Z方向有位移，在Z方向的位移大小可以根據照相機的成像原理，通過相鄰兩個LED燈成像距離的變化來計算，如圖4所示，可以知道，Z方向的位移?Z=（D1-D0）/D0*L0，式中L0可以通過公式L0=D0*L/(D0+Dx)，式中Dx為相鄰兩個LED燈的實際距離，L表示物像之間的距離，當攝像頭的焦距確定后，可由D0的大小計算L，設焦距為F，則物像之間的距離L=F*（Dx+D0）²/(D0*DX)，位移的方向可以根據成像原理來具體確定。也就是說，對標識物成像大小的變化，以及標識物圖像的中心位置的變化進行分析計算，可以得到GIS母線艙的三維位移信息。

其中，所述標識物也可以是多個LED燈組成的其他固定圖案，如已知尺寸的矩形，圓形，或已知間距的多個圓點。所述多個LED焊接在固定于所述攝像頭正下方的PCB板上，所述PCB板的控制端與所述計算單元連接。當需要成像時，所述計算單元控制所述PCB板通電，使所述多個LED燈發光，當成像完成，所述LED燈即可以斷電，從而節約電能，使所述圖像處理單元可以通過電池供電即可，避免了復雜的布線工作，且節能環保。

其中，所述標識物除了可以是用LED燈來構成上述形狀的圖案，也可以是氚管等自發光體，還可以是一塊單一背景上有標識的平面圖案，該標識具有易于背景的顏色。也可以為其他已知尺寸的物體組成的圖案，當所述標識物為非光源物體構成的圖案時，所述的GIS母線艙對地三維位移的測量裝置還可以包括照明單元，所述照明單元與所述計算單元連接，當需要進行成像時，所述計算單元控制所述照明單元發光，從而給所述標識物照明，因此，本發明的測量裝置可以做到低能耗，即通過電池供電即可以實現測量。

其中，所述計算單元可以為STM32F407處理芯片，所述攝像頭可以為OV2640的圖像傳感器。

本發明還提供了一種GIS母線艙對地三維位移的測量方法，包括以下步驟：

S01、在母線艙底部的固定安裝攝像頭，在攝像頭正下方固定安裝標識物；

S02、在初始時刻，通過固定安裝在母線艙底部的攝像頭，對固定于母線艙正下方的標識物進行成像，并將成像圖像作為位移前圖像G0進行保存；

S03、在T1時刻，對標識物進行成像，并將成像圖像作為位移后圖像G1進行保存；并對T1時刻的圖像與初始圖像進行對比計算，得到T1時刻相對于初始時刻GIS母線艙對地三維位移信息，存儲并傳輸給監控中心；

S04、重復步驟S03，得到不同時刻GIS母線艙對地三維位移信息。

其中，所述步驟S02中還包括以下步驟：計算位移前圖像G0中的標識物中心坐標（X0，Y0），以及標識物上兩個特征點的距離D0；所述步驟S03中，計算得到T1時刻相對于初始時刻GIS母線艙對地三維位移信息的具體過程為：計算T1時刻的成像圖像中的標識物的中心坐標（X1，Y1），以及標識物上的特征點的距離D1；根據圖像中標識物的中心坐標的變化，計算出GIS母線艙XY方向的位移；根據圖像中特征點的距離變化，計算出GIS母線艙在Z方向的位移。

標識物上的特征點可以根據標識物的實際形狀進行標定，當標識物為為4個四個LED燈組成正方形時，特征點可以標定為兩個相鄰的LED燈，當標識物為已知尺寸的圓形LED燈時，特征點可以選取位于同一條直徑上的兩個點，即將圓周直徑作為特征點之間的距離，當標識物為長方形時，可以將位于對角線上的兩個點作為特征點，將對角線長度作為對應的特征點之間的距離。也就是說，特征點的選取，可以根據標識物的實際形狀進行。

上面結合附圖對本發明的實施例作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。