一种基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统

技术领域

本发明属于变电站巡检技术领域，具体涉及一种基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统。

背景技术

变电站作为国家电网的核心所在，承载着电力传输过程中不同电压等级的变化，由此实现电力能源的长距离传输，变电站设备众多，通过每个设备的健康稳定运行，实现变电站的能源输送。随着能源需求近年来持续提升，变电站的数量在逐渐扩张，电压等级也逐渐升高，目前数字化监控变电站、智能化变电站以及三维数字化变电站是智能电网建设计划的全面建设内容之一。

随着电力行业的快速发展，变电站巡检机器人已经成为电力巡检领域的研究热点之一。

变电站巡检机器人具有自主性、高效性、安全性等优势，可以有效地解决人工巡检存在的安全、工作效率低等问题。

目前变电站巡检机器人可自主完成变电站各种设备的巡检，包括变压器、开关柜、断路器等。

但变电站除了以上设备以外，还有很多其他方面地建筑物也需要进行监测。如变电站中的构架、支架等。变电站中构架是指挂母线、引线用的钢管组成的承力结构，除了避雷针外，一般是变电站中最高的设备。而支架是指开关、刀闸、四小器等设备的支持物，一般是角钢组成的桁架结构。

除此以外，变电站室外还存在其他的各种各样的设备。此类设备在变电站长期地运行过程中，很多外界因素或自身承载问题可能会导致其发生水平或者垂直方向的变形。若不能进行实时动态监测，则不能及时地发现设备变形问题，从而造成十分严重的事故。

目前，实现变电站自动化变形监测的前提是布设一定数量的工作基点、基准点，但传统的布点方式是在二维平面设计图上布设。而三维立体模型能够更加直观地呈现目标对象地基础结构，还能以任意视图对目标对象进行查看。基于BIM的三维建模技术能够将变电站以三维立体的方式表达出来，并且在建立起三维模型后，可以附加相关的属性信息，也可以对其进行结构分析、空间位置合理性分析等。

目前三维建模技术主要包含近景摄影测量技术、三维激光扫描技术和基于BIM软件进行参数化建模等。其中三维激光扫描技术是当前在建筑物三维模型构建的主要方法，与设计BIM模型进行对比，三维激光扫描技术能够更为高效、准确的获得建筑物的三维模型，但当前主要是通过人工操作激光扫描仪进行建筑物的点云数据获取，无法实现周期性的变形监测。

因此，将BIM模型和三维激光扫描设备相结合，能够较好地实现变电站数字化运维。

为实现基于BIM技术的变电站运维系统，因此，亟待发明设计一种足式巡检机器人变电站运维系统，具备较为灵活的环境适应能力，同时也能够在日常的巡检任务中实现变电站的三维结构扫描

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统，该发明不仅能够实现周期性的变电站建筑物变形数据采集，从而能够第一时间掌握变电站的运维数据，以解决上述背景技术中提出的问题，克服现有技术在变电站建筑物变形监测等方面的缺陷和不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统，其中，包括以下步骤：

步骤一、四足移动机器人本体搭载三维激光扫描模块在变电站内进行巡检；

步骤二、三维激光扫描模块在多个点位进行激光扫描，获得所需点云数据采集；

步骤三、采用统计滤波算法计算点云数据；

步骤四、采用两步法将多个点位的点云数据转换到统一的坐标系下，实现点云数据的配准；

步骤五、基于CAD二维图纸构建BIM模型，并将BIM模型转换为离散点云数据模型，执行步骤四得到两者之间的转换矩阵T4；

步骤六、根据转换矩阵T4，将三维激光扫描模块采集的点云数据转换到BIM点云数据的坐标系下，计算两者的误差值；

步骤七、当误差值大于警示阈值EΔ时，进行变电站运维预警。

优选的，采用统计滤波算法计算数据点到k个点的平均距离，并剔除3σ之外的点。

优选的，两步法包括粗配准方法：粗配准方法采用RANSAC算法，实现第i点位的点云数据和第i+1点位的点云数据的初始配准，获得初始的变换矩阵T1。

优选的，两步法包括精配准方法，精配准方法采用ICP最近点迭代法，具体步骤包括：

步骤1、第i+1点位的点云数据作为源点云数据，第i点位的点云数据作为目标点云数据；

步骤2、源点云数据中每一个点在目标点云数据中距离最近的点作为对应点；

步骤3、求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换T2，并求得平移参数P

步骤4、根据平移参数P

步骤5、获得转换矩阵T3；

步骤6、完成剩余相邻点位的点云数据转换，获得被测构架的全貌点云数据。

优选的，三维激光扫描模块采集的点云数据位于测量坐标系，将三维激光扫描模块采集的点云数据作为源点云数据；解析后的BIM点云数据位于局部坐标系，将BIM点云数据作为目标点云数据。

优选的，误差值计算为：

其中：

q

p

R

P

优选的，所述四足移动机器人本体包括机体，所述机体前方设有固态三维扫描激光雷达，且所述固态三维扫描激光雷达上方设有深度相机；所述固态三维扫描激光雷达和深度相机协同工作收集四足移动机器人本体的前方环境信息。

优选的，所述机体侧边设有机械腿，且所述机械腿相对于机体可进行三个自由度调节；三个自由度调节分别为横向髋关节侧摆、纵向髋关节转动及膝关节转动。

优选的，所述三维激光扫描模块包括安装在左侧板的三维扫描控制器及安装在右侧板的雷达数据转换模块；电池安装在位于侧板前方的电池固定板上，且操控面板安装在位于侧板后方的操控面板固定板上。

优选的，所述左侧板及右侧板中间顶部位置设有雷达安装板，且所述雷达安装板上设有多线三维激光雷达；所述左侧板及右侧板中间底部位置设有底侧安装柱，且所述三维激光扫描模块通过底侧安装柱固定在四足移动机器人顶部。

本发明的技术效果和优点，该基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统：

1、通过四足移动机器人本体搭载三维激光扫描模块进行变电站周期性数据采集，能够及时地获得变电站建筑物地变形数据，从而能够第一时间掌握变电站的运维数据，进行相应地预警操作；

2、四足移动机器人本体具备较好的环境适应性，使得三维激光扫描模块能够在变电站任意位置进行数据采集。

附图说明

图1为本发明足式巡检机器人的整体结构示意图；

图2为本发明四足移动机器人本体的结构示意图；

图3为本发明三维激光扫描模块的结构示意图。

图中：

1、四足移动机器人本体；2、三维激光扫描模块；

101、机体；102、机械腿；103、固态三维扫描激光雷达；104、深度相机；

201、多线三维激光雷达；202、电池；203、三维扫描控制器；204、左侧板；205、底侧安装柱；206、右侧板；207、操控面板；208、雷达安装板；209、电池固定板；210、操控面板固定板；211、雷达数据转换模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-图3中所示的一种基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统，能够实现周期性的变电站建筑物变形数据采集，

其中，通过足式巡检机器人实现变电站三维模型构建，包括以下步骤：

步骤一、四足移动机器人本体1搭载三维激光扫描模块2在变电站内进行巡检。

步骤二、由于三维激光扫描模块2无法在单个点位扫描被测构架的全貌，因此，需要三维激光扫描模块2在多个点位进行激光扫描，获得所需点云数据采集；其中：点位数量为N。

步骤三、由于三维激光扫描模块2受自身精度及环境因素的影响，点云数据不可避免地出现噪点，为尽量保持点云数据的特征，本发明采用统计滤波算法计算点云数据。

具体的，采用统计滤波算法计算数据点到k个点的平均距离，点云中所有点的数据构成高斯分布，并剔除3σ之外的点。

其中：3σ原则即拉依达准则，是指先假设一组检测数据只含有随机误差，对其进行计算处理得到标准偏差，按一定概率确定一个区间，认为凡超过这个区间的误差，就不属于随机误差而是粗大误差，含有该误差的数据应予以剔除。

步骤四、为获得被测构架的整体点云数据，需将多个点位的点云数据转换到统一的坐标系下，本发明采用两步法将多个点位的点云数据转换到统一的坐标系下，实现点云数据的配准。

具体的，两步法包括粗配准方法：

粗配准方法采用RANSAC算法，实现第i点位的点云数据和第i+1点位的点云数据的初始配准，获得一个初始的变换矩阵T1，以将第i点位的点云数据和第i+1点位的点云数据尽可能地实现对齐。

其中：

P

R

具体的，两步法包括精配准方法，精配准方法采用ICP最近点迭代法，具体步骤包括：

步骤1、第i+1点位的点云数据作为源点云数据，第i点位的点云数据作为目标点云数据。

步骤2、通过源点云数据中每一个点在目标点云数据中距离最近的点作为对应点。

步骤3、求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换T2，并求得平移参数P

步骤4、根据平移参数P

步骤5、如果新的变换点云数据与目标点云数据满足两点云数据的平均距离小于某一给定阈值，或者迭代次数达到设定的最大值，则停止迭代计算，否则新的变换点云数据作为新的源点云数据继续迭代，直到达到目标函数的要求，最终获得转换矩阵T3；

步骤6、依据步骤1-步骤4继续完成剩余相邻点位的点云数据之间的转换，获得被测构架的全貌点云数据。

步骤五、基于CAD二维图纸构建BIM模型，并将BIM模型转换为离散点云数据模型，将该点云数据作为被测构架的初始点云数据，由于三维激光扫描模块2采集的点云数据位于测量坐标系，解析后的BIM点云数据位于局部坐标系，也需要进行配准。

具体的，三维激光扫描模块2采集的点云数据位于测量坐标系，将三维激光扫描模块2采集的点云数据作为源点云数据；解析后的BIM点云数据位于局部坐标系，将BIM点云数据作为目标点云数据，执行步骤四得到两者之间的转换矩阵T4。

步骤六、根据转换矩阵T4，将三维激光扫描模块2采集的点云数据转换到BIM点云数据的坐标系下，定义转换后的点云数据表示为点云数据Q(q1,q2,q3…qm)，BIM点云数据中的对应点为P(p1,p2,p3…pm)，计算两者的误差值。

具体的，误差值计算为：

其中：

q

p

R

P

步骤七、当误差值大于警示阈值EΔ时，进行变电站运维预警。

本发明通过四足移动机器人本体搭载三维激光扫描模块在变电站内巡检进行变电站周期性数据采集，基于粗配准和精配准两步法实现点云数据配准，获取变电站中构架的点云数据，并将该数据与BIM模型转换的离散点云数据进行对比，获得点云偏差，能够及时地获得变电站建筑物的变形数据，从而能够第一时间掌握变电站的运维数据，进行相应地预警操作。

参见图1所示，本发明提供了一种基于BIM技术的足式巡检机器人变电站运维系统，主要包括三维激光扫描模块2和四足移动机器人本体1，其中三维激光扫描模块2固定在四足移动机器人本体1的上部。

具体的，参见图2所示，在本发明中，所述四足移动机器人本体1包括机体101，所述机体101前方设有固态三维扫描激光雷达103，且所述固态三维扫描激光雷达103上方通过螺栓设有深度相机104；所述固态三维扫描激光雷达103和深度相机104协同工作收集四足移动机器人本体1的前方环境信息，能在复杂的工况下指引四足移动机器人本体1的移动方向。

具体的，所述机体101侧边设有机械腿102，且所述机械腿102相对于机体101可进行三个自由度调节；三个自由度调节分别为横向髋关节侧摆、纵向髋关节转动及膝关节转动，三个自由度调节方便机体101进行移动使四足移动机器人本体1具备较好的环境适应性，使得三维激光扫描模块2能够在变电站任意位置进行数据采集。

在本发明中，机械腿102包括左前机械腿102、右前机械腿102、左后机械腿102及右后机械腿102，其中，左前机械腿102、右前机械腿102、左后机械腿102及右后机械腿102具有相同结构。

具体的，所述三维激光扫描模块2包括安装在左侧板204的三维扫描控制器203及安装在右侧板206的雷达数据转换模块；电池202安装在位于侧板前方的电池202固定板上，且操控面板207安装在位于侧板后方的操控面板207固定板上。

具体的，左侧板204及右侧板206将底侧安装柱205和雷达安装板208夹在中间，所述左侧板204及右侧板206中间顶部位置设有雷达安装板208，且所述雷达安装板208上设有多线三维激光雷达201；所述左侧板204及右侧板206中间底部位置设有底侧安装柱205，且所述三维激光扫描模块2通过底侧安装柱205固定在四足移动机器人顶部。

在本发明中，通过操控面板207实现三维激光扫描模块2的开关，电池202为三维激光扫描模块2中的各个模块提供电能，三维扫描控制器203通过雷达数据转换模块读取多线三维激光雷达201的点云数据，并进一步实现变电站的三维模型重建。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。