CN105606040A - 基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法，步骤为：在CAD图中和现场中分别将待对接的两个模块中的一个模块设定为基准模块，另一个模块设定为待对接模块，使CAD图中的基准模块的坐标值同施工现场中的一致；在CAD图以及现场的待对接模块上相同的位置分别选取测量点；扫描待对接模块，将7个测量点的坐标提取出来并转换到CAD图坐标系下；通过计算得到施工现场的待对接模块在CAD图坐标系下绕图纸坐标的三个轴线方向的姿态角以及CAD图中的待对接模块绕图纸坐标的三个轴线方向的目标姿态角，然后调整现场待对接模块。采用本方法，提高了对接的精度。

Description

基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法

技术领域

本发明涉及对接过程中的姿态检测方法，尤其涉及基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法。

背景技术

在大型液化天然气分段模块对接调整过程中需要根据当前的姿态来确定对接过程中的调整量，因此确定待对接模块在对接过程中的姿态就显得很有必要。传统的姿态检测主要是通过扫描待对接模块的对接面，来获得对接面的特征来进行匹配，由于该方法不能获得待对接模块的轴线上的角度偏差，因此在对接过程中存在精度不高的缺点，而且传统的姿态检测是利用全站仪进行测量，因此为了得到测量点的坐标需要经过多次测量，具有效率低下的特点。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的技术缺陷，提供一种对接精度高和对接效率高的基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法，它包括以下步骤：

(1)在CAD图中和施工现场中分别将待对接的两个模块中的一个模块设定为基准模块，另一个模块设定为待对接模块，并在CAD图中拖动基准模块，使CAD图中的基准模块的坐标值同施工现场中基准模块的坐标值一致,然后保持CAD图中和施工现场中的基准模块不动；

(2)在CAD图以及施工现场的待对接模块上相同的位置分别选取7个测量点，然后在CAD图中分别获取这7个测量点的坐标，所述的7个测量点分别为待对接模块三条交于一点的边界线的四个角点以及在这四个角点之间的中点；

(3)在施工现场选定的测量基准点处放置三维激光扫描仪使得三维激光扫描仪能够扫描到施工现场所述的待对接模块上的7个测量点，然后利用三维激光扫描仪扫描所述的待对接模块，得到包括测量点在内的点云数据；

(4)对扫描得到的点云数据进行去噪等优化处理，得到优化后的点云数据；

(5)在优化后的点云数据中将施工现场的待对接模块上的7个测量点的坐标提取出来，提取的具体方法为：把用三维激光扫描仪获得的点云图像转化为二维深度图像，然后再根据二维深度图像角点算法提取二维图像的角点，最后把提取出的角点反算到三维空间得到测量点的坐标值；

(6)将由三维激光扫描仪扫描得到的位于施工现场的待对接模块上的七个测量点的坐标从三维激光扫描仪坐标系下转换到CAD图坐标系下；

(7)通过计算得到施工现场的所述待对接模块在CAD图坐标系下绕图纸坐标的三个轴线方向的姿态角；

(8)通过计算得到CAD图中的待对接模块绕图纸坐标的三个轴线方向的目标姿态角，为对接过程中施工现场待对接模块需要达到的目标角度值；

(9)将施工现场中的待对接模块的姿态角与CAD图中该待对接模块的目标姿态角进行对比，得到施工现场中的所述的待对接模块在三个轴线方向上姿态角的调整量，然后根据所述的调整量对施工现场中的待对接模块进行角度调整；将通过步骤(5)得到的待对接模块三条交于一点的边界线的四个角点之间的中点的施工现场的位置值与在步骤(2)中在CAD图中得到的对应的点的目标设定位置值进行比较，得到施工现场中该待对接模块在三个轴线方向上位移值的调整量，然后对施工现场中该待对接模块进行三个轴线位移方向的调整。

采用本姿态检测方法，使用三维激光扫描仪能够一次性获得测量点的坐标，具有采样速率高的特点，而且通过测量点可以得到待对接模块绕轴线的姿态角，将其与目标姿态角进行比较可以得到待对接模块在三个轴线方向上姿态角的调整量，从而实现对接模块轴线上的匹配，提高了对接的精度。

附图说明

图1是本发明基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法CAD图纸坐标系示意图；

图2是本发明基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法模块绕X₁、Y₁轴姿态角计算示意图；

图3是本发明基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法模块绕Z₁轴姿态角计算示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图所示的基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法，它包括以下步骤：

(1)在CAD图中和施工现场中分别将待对接的两个模块中的一个模块设定为基准模块，另一个模块设定为待对接模块，基准模块不动，并在CAD图中拖动基准模块，使CAD图中的基准模块的坐标值同施工现场中基准模块的坐标值一致；

(2)在CAD图以及施工现场的待对接模块上相同的位置分别选取7个测量点，所述的7个测量点分别为待对接模块三条交于一点的边界线的四个角点以及在这四个角点之间的中点；如图1所示，所述的7个测量点分别为待对接模块的上表面边界上相交的两个梁和与这两个梁相交的柱上的四个角点A、B、C、D以及在这四个角点之间的中点处E、F、G；

在CAD图中分别获取这7个测量点的坐标，分别为：A′(x₁′,y₁′,z₁′)，B′(x₂′,y₂′,z₂′)，C′(x₃′,y₃′,z₃′)，D′(x₄′,y₄′,z₄′)，E′(x₅′,y₅′,z₅′)，F′(x₆′,y₆′,z₆′)，G′(x₇′,y₇′,z₇′)；

(3)在施工现场选定的测量基准点处放置三维激光扫描仪使得三维激光扫描仪能够扫描到施工现场所述的待对接模块上的7个测量点，如图所示三维激光扫描仪设置在O点处，利用三维激光扫描仪扫描所述的待对接模块，得到包括测量点在内的点云数据，所述的O点在施工现场中为已知坐标点；

(4)对扫描得到的点云数据进行优化处理，得到优化后的点云数据；

(5)在优化后的点云数据中将施工现场的待对接模块上的7个测量点的坐标提取出来，分别为：A(x₁,y₁,z₁)，B(x₂,y₂,z₂)，C(x₃,y₃,z₃)，D(x₄,y₄,z₄)，E(x₅,y₅,z₅)，F(x₆,y₆,z₆)，G(x₇,y₇,z₇)；其中提取的具体方法为：

把用三维激光扫描仪获得的点云图像转化为二维深度图像，然后再根据已有的二维深度图像角点算法(基于灰度的特征点获取方法，即SUSAN算子)提取二维图像的角点，最后把提取出的角点反算到三维空间得到测量点的坐标值。该方法详见2013年2月测绘工程期刊第22卷第1期的文献“点云中角点的自动提取算法研究”一文；

(6)将由三维激光扫描仪扫描得到的位于施工现场的待对接模块上的七个测量点的坐标从三维激光扫描仪坐标系O-XYZ(如图1所示)下转换到CAD坐标系O₁-X₁Y₁Z₁下，这样才能和CAD坐标系中的坐标进行对比，具体方法为：

其中CAD坐标系的坐标原点为图1中O₁处，施工现场测量基准点O在CAD坐标系中的坐标为(l,m,n)，则三维激光扫描仪自身坐标系相对于CAD坐标系的变换矩阵为：

$T=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& l\\ 0& 1& 0& m\\ 0& 0& 1& n\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中l,m,n为施工现场测量基准点O在CAD坐标系X₁，Y₁，Z₁方向上的坐标值。

因此，将三维激光扫描仪得到的测量点的坐标与该旋转矩阵相乘即为变换到CAD坐标系下的坐标。如将A点转换到CAD坐标系下为：

$A_1=TA=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& l\\ 0& 1& 0& m\\ 0& 0& 1& n\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_1+l\\ y_1+m\\ z_1+n\\ 1\end{array}\right]$

所以转换后的坐标为A₁(x₁+l,y₁+m,z₁+n)，

同样将其余六个测量点的坐标同该旋转矩阵相乘可得到其余六个点的坐标为B₁(x₂+l,y₂+m,z₂+n)，C₁(x₃+l,y₃+m,z₃+n)，D₁(x₄+l,y₄+m,z₄+n)，E₁(x₅+l,y₅+m,z₅+n)，F₁(x₆+l,y₆+m,z₆+n)，G₁(x₇+l,y₇+m,z₇+n)；

(7)通过计算得到施工现场的所述待对接模块在CAD图坐标系下绕CAD图的三个坐标轴即X₁，Y₁，Z₁三个轴线方向的姿态角α、β、γ；

所述的计算可以采用几何方法，具体如下：

求出平面ABD的法向向量该向量与平面X₁O₁Y₁的夹角β即为模块绕Y₁轴的姿态角，如图2所示，具体方法为：

向量向量

则平面ABD的法向向量为：

其中为X₁，Y₁，Z₁方向上的单位向量，

则模块绕Y₁轴的姿态角β为：

$\mathrm{\β}=arccos\frac{\stackrel{\→}{s}\·\stackrel{\→}{k}}{\left|\stackrel{\→}{s}\right|\·\left|\stackrel{\→}{k}\right|}$

同样可以求得平面ABC的法向向量与平面X₁O₁Y₁的夹角α为模块绕X₁轴的姿态角，如图2所示，具体方法为：

向量向量

则平面ABC的法向向量为：

其中为X₁，Y₁，Z₁方向上的单位向量，

则待对接模块绕X₁轴的姿态角α为：

$\mathrm{\α}=arccos\frac{\stackrel{\→}{t}\·\stackrel{\→}{k}}{\left|\stackrel{\→}{t}\right|\·\left|\stackrel{\→}{k}\right|}$

模块绕Z₁的姿态角γ为平面ABD的法向向量在平面X₁O₁Y₁的投影与X₁轴之间的夹角，如图3所示，则γ为：

$\mathrm{\γ}=arccos\frac{cos\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\β}}$

其中θ为法向向量与X₁轴之间的夹角，β为法向向量与平面X₁O₁Y₁的夹角，其θ的值为：

$\mathrm{\θ}=arccos\frac{\stackrel{\→}{s}\·\stackrel{\→}{i}}{\left|\stackrel{\→}{s}\right|\·\left|\stackrel{\→}{i}\right|}$

(8)通过计算得到CAD图中待对接模块绕X₁轴、Y₁轴和Z₁轴的目标姿态角，为对接过程中施工现场待对接模块需要达到的目标角度值，分别为α′、β′和γ′；计算方法可以采用步骤(7)种的几何方法也可以在CAD图直接测量得到。

(9)将施工现场中的待对接模块的姿态角α、β、γ与CAD图中的待对接模块的目标姿态角α′、β′、γ′进行对比，得到施工现场中的所述的待对接模块在三个轴线方向上姿态角的调整量，然后根据所述的调整量对施工现场中的待对接模块进行角度调整；将通过步骤(5)得到的待对接模块三条交于一点的四个角点之间的中点的坐标，如图1中分别为待对接模块的上表面边界上相交的两个梁和与这两个梁相交的柱上的四个角点之间的中点处E、F、G的施工现场的位置值E₁(x₅+l,y₅+m,z₅+n)、F₁(x₆+l,y₆+m,z₆+n)、G₁(x₇+l,y₇+m,z₇+n)与在步骤(2)中在CAD图中得到的对应的点的目标设定位置值E′(x₅′,y₅′,z′₅)、F′(x₆′,y₆′,z₆′)、G′(x₇′,y₇′,z₇′)进行比较，得到施工现场中该待对接模块在三个轴线方向上位移值的调整量，然后对施工现场中该待对接模块进行三个轴线位移方向的调整。

Claims (1)

1.基于三维激光检测的大型液化天然气模块姿态检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)在CAD图中和施工现场中分别将待对接的两个模块中的一个模块设定为基准模块，另一个模块设定为待对接模块，并在CAD图中拖动基准模块，使CAD图中的基准模块的坐标值同施工现场中基准模块的坐标值一致,然后保持CAD图中和施工现场中的基准模块不动；

(2)在CAD图以及施工现场的待对接模块上相同的位置分别选取7个测量点，然后在CAD图中分别获取这7个测量点的坐标，所述的7个测量点分别为待对接模块三条交于一点的边界线的四个角点以及在这四个角点之间的中点；

(3)在施工现场选定的测量基准点处放置三维激光扫描仪使得三维激光扫描仪能够扫描到施工现场所述的待对接模块上的7个测量点，然后利用三维激光扫描仪扫描所述的待对接模块，得到包括测量点在内的点云数据；

(4)对扫描得到的点云数据进行去噪等优化处理，得到优化后的点云数据；

(5)在优化后的点云数据中将施工现场的待对接模块上的7个测量点的坐标提取出来，提取的具体方法为：把用三维激光扫描仪获得的点云图像转化为二维深度图像，然后再根据二维深度图像角点算法提取二维图像的角点，最后把提取出的角点反算到三维空间得到测量点的坐标值；

(6)将由三维激光扫描仪扫描得到的位于施工现场的待对接模块上的七个测量点的坐标从三维激光扫描仪坐标系下转换到CAD图坐标系下；

(7)通过计算得到施工现场的所述待对接模块在CAD图坐标系下绕图纸坐标的三个轴线方向的姿态角；

(8)通过计算得到CAD图中的待对接模块绕图纸坐标的三个轴线方向的目标姿态角，为对接过程中施工现场待对接模块需要达到的目标角度值；

(9)将施工现场中的待对接模块的姿态角与CAD图中该待对接模块的目标姿态角进行对比，得到施工现场中的所述的待对接模块在三个轴线方向上姿态角的调整量，然后根据所述的调整量对施工现场中的待对接模块进行角度调整；将通过步骤(5)得到的待对接模块三条交于一点的边界线的四个角点之间的中点的施工现场的位置值与在步骤(2)中在CAD图中得到的对应的点的目标设定位置值进行比较，得到施工现场中该待对接模块在三个轴线方向上位移值的调整量，然后对施工现场中该待对接模块进行三个轴线位移方向的调整。