潘春強，劉偉，許旭輝，許紅義

（國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

0 引言

在對可逆式水輪發(fā)電機組鏡板進行三維測量時，會遇到采樣布點方式存在差異性、數(shù)據(jù)評定方法參差不齊、測量儀器精度不高等問題，制約了可逆式水輪發(fā)電機組鏡板平面度的獲取，成為了水輪機組檢修測量的一大難題[1]。假如可逆式水電機組鏡板平面度測量得到的精準度不高，那么可逆式水輪放電機推力瓦的使用壽命和溫升情況、大軸擺動的穩(wěn)定性、油膜的平穩(wěn)性等均會受到干擾，不利于整個機組的正常運行。因此，本文將以十三陵電廠可逆式水輪發(fā)電機組鏡板為研究對象，運用了數(shù)字近景攝影測量技術，給出了鏡板三維視覺檢測系統(tǒng)的總體設計方案，明確了標志點的布設規(guī)范，得到了鏡板平面度、裝配圓柱的圓柱度等的測量結果。

1 數(shù)字近景攝影測量原理

在遇到無法直接測量的物體時，我們常常會借助數(shù)字近景攝影測量技術進行測量，通過該技術能夠?qū)⒈簧湮矬w姿態(tài)進行三維重現(xiàn)[2-3]。近景攝影測量的基本原理如下：獲取被攝物體的立體數(shù)字影像，而后借助計算機對該影像進行處理與匹配，自主識別被攝物體圖像的坐標和像點，最后通過解析攝影測量技術獲取被攝物體的三維坐標，輸出正射影像、數(shù)字高程模型以及適量線劃圖等。與傳統(tǒng)測量方法相比，數(shù)字近景攝影測量的優(yōu)勢在多個方面均有體現(xiàn)，如安全性、時效性等。近景攝影測量在對物體進行攝影測量時，會通過二維影像的方式對物方空間進行重建，這屬于影像形成的逆過程。在近景攝影測量中，通常會使用到三種坐標系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 近景攝影測量坐標系

由圖1可知，P為物方點,對應的空間坐標可表示為。S為攝影中心，對應的空間坐標可表示為，假如在不同的攝站拍攝相片時，通常會選擇第一個攝站的空間坐標系作為攝影測量坐標系。坐標原點位于投影中心，x、y軸分別平行于像平面坐標系中的x、y軸，此時的z軸與攝影光軸會重合起來，那么像點p的空間坐標系可表示為。O為物方坐標系，簡稱世界坐標系，對應的空間坐標可表示為。o為像平面，其坐標可表示為，像片的幾何中心是該坐標系的原點，x軸與像素的水平采樣方向平行，通過判斷原點與主點o的重合度，可斷定成像系統(tǒng)是否處于理想狀態(tài)。結合光學的基本原理，可通過數(shù)學方法表征近景攝影測量的共線條件方程，如式子1所示。

其中，像點坐標由x、y表示，物方坐標由X、Y、Z表示，攝影中心點坐標由Xs、Ys、Zs表示。在物方坐標系中，誤差修正系數(shù)由x0、y0、Δx、Δy表示，空間坐標系相對于物方空間坐標系的方向余弦可由d1、d2、d3、b1、b2、b3、c1、c2、c3表示。通過共線方程、內(nèi)外方位定位以及坐標變換，可以獲取物方點坐標，進而實現(xiàn)物體的三維測量。

2 總體技術方案設計

2.1 測量內(nèi)容基本概述

為了確?？赡媸剿啺l(fā)電機組鏡板三維視覺檢測系統(tǒng)總體設計方案的可行性，此處以北京十三陵抽水蓄能電廠為研究對象，進行現(xiàn)場測量研究。為了提高視覺檢測的工作效率，融合了多方面學科的非接觸式測量技術，對應的模塊化結構如圖2所示。

圖2 鏡板視覺檢測系統(tǒng)模塊化結構

可以看出，機器視覺檢測模塊包含了CCD相機、被測鏡板等模塊，通過這些模塊實現(xiàn)可逆式水輪發(fā)電機鏡板視覺的測試。具體測試流程如下所示：首先，打開合適的光源；其次，借助CCD相機對可逆式發(fā)電機鏡板區(qū)域進行環(huán)繞式拍攝；最后，對采集得到的照片圖像進行處理，以獲取鏡板形貌數(shù)據(jù)信息。在檢測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，其中，CCD相機、光源、測量編碼點均屬于硬件系統(tǒng)，計算機屬于軟件系統(tǒng)，負責對鏡板圖像的處理工作，以得到鏡板尺寸數(shù)據(jù)。三維尺寸測量內(nèi)容設定有三：第一，測量分析鏡板平面度。第二，測量分析裝配圓柱的圓柱度。第三，測量分析裝配圓柱與鏡板平面間的垂直度。具體而言，借助攝影測量軟件對照片圖像進行處理（如同名點匹配、特征點掃描等），而后得到測量點的三維坐標[4]。

2.2 現(xiàn)場測量

借助單相機系統(tǒng)對鏡板進行多角度拍照，在拍照期間，每個靶標至少需要拍攝4次，如此才能為后續(xù)的圖片拼裝、數(shù)據(jù)解算提供便利。在結束現(xiàn)場測量后，借助攝影測量軟件對拍攝得到的圖片進行同名點匹配、特征點掃描等操作，獲取每個測量點的三維坐標[5]。根據(jù)所得的測量結果，可分析出鏡板的平面度、裝配圓的圓柱度、鏡板平面與裝配圓軸線間的垂直度等信息。其中，在測量分析鏡板平面度時，需要通過擬合操作對測量點的三維坐標進行處理，獲取每個標志點的三維偏差，進而完成鏡板平面質(zhì)量的評價工作，對應的擬合圖如圖3所示。

圖3 鏡板平面測量數(shù)據(jù)擬合

在測量分析裝配圓柱的圓柱度時，需要通過擬合操作對測量點的三維坐標進行擬合處理，以獲取每個測量點的三維偏差，實現(xiàn)裝配圓柱的質(zhì)量評價，對應的擬合圖如圖4所示。

圖4 三維坐標圓柱擬合

在測量分析鏡板平面與裝配圓軸線間的垂直度時，需要對鏡板平面與裝配圓軸線間的夾角情況進行測量與分析，進而分析出二者之間的垂直度情況，如圖5所示。

圖5 鏡板平面與圓柱軸線垂直度情況

3 結語

總體而言，本文首先對數(shù)字近景攝影測量原理進行了詳細說明，而后對近景攝影測量坐標系展開了分析，如物方點空間坐標、攝影中心點坐標等。其次，對測量內(nèi)容、測量前的準備事項進行了概述，給出了相應的模塊化結構圖與標志點的粘貼細則。最后，進行了現(xiàn)場測量，得到了鏡板的平面度、裝配圓的圓柱度、鏡板平面與裝配圓軸線間的垂直度等重要信息。