CN106248001B - 基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法 - Google Patents

基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法，步骤：(1)根据实际工况构建理想模型轮廓；(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据,然后将扫描模型转化为文本数据，将扫描模型的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；(3)对管线的提取模型进一步处理；(4)得到待对接管线的中心线，通过基准轴线与中心线之间的差值得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。采用本发明方法数据采集速度快，精度高。

Description

基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法
技术领域
本发明涉及一种平直度测量方法，尤其涉及大型工艺管线对接过程中的平直度偏差测量方法。
背景技术
大型管线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，因此确定管线在对接过程中的姿态就显得很有必要。目前大部分项目仍采用传统的拉线测量方法，效率低、精度差。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。采用此种方法具有数据采集速度快，精度高的优点。但是采集到的点云数据处理往往会引起效率及精度问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种高效、精确的基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法，包括以下步骤：
(1)根据实际工况构建理想特征模型轮廓，具体步骤为：(a)建立两个待对接的大型管线及支撑大型管线用的支撑装置构成的对接系统的三维模型，建模时将管线的尺寸增大1.1-1.2倍作为适应实际生产变形的余量；(b)将所述的对接系统的三维模型转化为点云数据；(c)对点云数据进行处理使得只保留无任何噪声点的管线自身数据，得到管线理想特征模型，同时得到理想特征模型的坐标数据，形成理想特征模型轮廓值；
(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据，然后将扫描得到的点云数据转化为文本数据，将得到的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；
(3)对管线的提取模型进一步处理，具体过程为：以管线的圆半径作为约束参与拟合,根据拉格朗日乘数法,采用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到管线的目标函数，然后利用高斯-牛顿或者Levenberg-Marquardt法求解参数，管线的目标函数为：
式中：N为采样点个数；(Xi,Yi,Zi)为采样点三维坐标；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型的一端面圆心，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0，其中
(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0时，f2(m,n,p)＝0；其中：
其中λ为拉格朗日常数；R为待拟合的最小二乘圆柱半径；Rk为步骤(2)中管线提取模型的已知半径；
最后利用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到提取模型的基准轴线；
(4)将步骤(3)中拟合得到的基准轴线旋转到与三维激光扫描系统的坐标系中的y轴方向一致，对步骤(2)中得到的管线提取模型进行垂直于y轴的等距切片处理，进行离散取样，将得到的各切片中心通过最小二乘法拟合为一空间曲线，所述的空间曲线为待对接管线的中心线，通过基准轴线与空间曲线之间的差值得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
采用本发明方法数据采集速度快，精度高。在总体上解决了大型工艺管线对接平直度的测量问题。
附图说明
图1为本发明的基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法中基于理想模型特征的点云去噪算法流程图；
图2为本发明方法中采用的基于半径的最小二乘圆柱及基准轴线图；
图3为本发明方法中采用的切片法拟合的中心线与基准轴线对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
如附图所示的本发明的基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法，包括以下步骤：
(1)根据实际工况构建理想特征模型轮廓，具体步骤为：(a)建立两个待对接的大型管线及支撑大型管线用的支撑装置构成的对接系统的三维模型，建模时将管线的尺寸增大1.1-1.2倍作为适应实际生产变形的余量；(b)将所述的对接系统的三维模型转化为点云数据；(c)对点云数据进行处理使得只保留无任何噪声点的管线自身数据，得到管线理想特征模型，同时得到理想特征模型的坐标数据，形成理想特征模型轮廓值；
(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据,然后将得到的点云数据转化为文本数据，将得到的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；
(3)步骤(2)中由于三维激光扫描系统测量局限，得到的点云模型只是管线的一部分，不是完整的圆柱，进行拟合时容易误差较大。为解决上述问题，需要对管线的提取模型进一步处理，具体过程为：首先在最小二乘圆柱拟合法及基于半径的最小二乘圆拟合法基础上演化处理得到管线基于半径的最小二乘圆柱模型，具体过程为：从平面拓展到三维空间在最小二乘圆柱拟合法及基于半径的最小二乘圆拟合法基础上演化，以管线的圆半径作为约束参与拟合,根据拉格朗日乘数法,采用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到管线的目标函数，然后利用高斯-牛顿或者Levenberg-Marquardt法求解参数m,n,p，R。管线的目标函数为：
式中：N为采样点个数；(Xi,Yi,Zi)为采样点三维坐标；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型的一端面圆心，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0；其中
(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0时，f2(m,n,p)＝0；其中：
其中λ为拉格朗日常数；R为待拟合的最小二乘圆柱半径；Rk为步骤(2)中管线提取模型的已知半径；
最后利用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到提取模型的基准轴线A。
本步骤中的目标函数的推导过程如下:
圆柱轴线的参数式方程可表示为：
式中：t为参数变量；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型圆柱一端面圆圆心；(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量；(X,Y,Z)为最小二乘圆柱基准轴线上任意一点；
空间圆柱面方程用最小二乘法表示为：
式中：(X,Y,Z)为最小二乘圆柱面上的点；R为最小二乘圆柱半径；(i,j,k)为单位向量基；m,n,p,X0,Y0,Z0同上式；
展开并进一步整理得
最小二乘法就是利用使优化目标函数达到最小值来求解出一定区域内未知参数的值。当圆半径作为约束参与拟合时,根据拉格朗日乘数法,其最小二乘优化目标函数可以写为：
(4)将步骤(3)中拟合得到的基准轴线A旋转到与三维激光扫描系统的坐标系中的y轴方向一致，对步骤(2)中得到的管线提取模型进行垂直于y轴的等距切片处理，进行离散取样。由于大型管线受自身重力及卷制时误差影响，每一切片上为类圆的闭合曲线，利用最小二乘法拟合出每一切片上闭合曲线的中心，将得到的各切片中心通过最小二乘法拟合为一空间曲线B，即为待对接管线的中心线。通过基准轴线A与空间曲线B之间的差值即可得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。
实施例1
(1)根据实际工况构建理想特征模型轮廓，具体步骤为：(a)建立两个待对接的大型管线及支撑大型管线用的支撑装置构成的对接系统的三维模型，建模时将管线的尺寸增大1.1倍作为适应实际生产变形的余量；(b)将所述的对接系统的三维模型转化为点云数据；(c)对点云数据进行处理使得只保留无任何噪声点的管线自身数据，得到管线理想特征模型，同时得到理想特征模型的坐标数据，形成理想特征模型轮廓值；
(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据,然后将扫描得到的点云数据转化为文本数据，将得到的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；
(3)对管线的提取模型进一步处理，具体过程为：以管线的圆半径作为约束参与拟合,根据拉格朗日乘数法,采用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到管线的目标函数，然后利用高斯-牛顿或者Levenberg-Marquardt法求解参数，管线的目标函数为：
式中：N为采样点个数；(Xi,Yi,Zi)为采样点三维坐标；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型的一端面圆心，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0，其中
(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0时，f2(m,n,p)＝0；其中：
λ为拉格朗日常数；R为待拟合的最小二乘圆柱半径；Rk为步骤(2)中管线提取模型的已知半径；
最后利用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到提取模型的基准轴线；
(4)将步骤(3)中拟合得到的基准轴线旋转到与三维激光扫描系统的坐标系中的y轴方向一致，对步骤(2)中得到的管线提取模型进行垂直于y轴的等距切片处理，进行离散取样，将得到的各切片中心通过最小二乘法拟合为一空间曲线，所述的空间曲线为待对接管线的中心线，通过基准轴线与空间曲线之间的差值得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。
采用本发明方法数据采集速度快，精度高。
实施例2
(1)根据实际工况构建理想特征模型轮廓，具体步骤为：(a)建立两个待对接的大型管线及支撑大型管线用的支撑装置构成的对接系统的三维模型，建模时将管线的尺寸增大1.2倍作为适应实际生产变形的余量；(b)将所述的对接系统的三维模型转化为点云数据；(c)对点云数据进行处理使得只保留无任何噪声点的管线自身数据，得到管线理想特征模型，同时得到理想特征模型的坐标数据，形成理想特征模型轮廓值；
(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据,然后将扫描得到的点云数据转化为文本数据，将得到的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；
(3)对管线的提取模型进一步处理，具体过程为：以管线的圆半径作为约束参与拟合,根据拉格朗日乘数法,采用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到管线的目标函数，然后利用高斯-牛顿或者Levenberg-Marquardt法求解参数，管线的目标函数为：
式中：N为采样点个数；(Xi,Yi,Zi)为采样点三维坐标；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型的一端面圆心，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0，其中
(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0时，f2(m,n,p)＝0；其中：
λ为拉格朗日常数；R为待拟合的最小二乘圆柱半径；Rk为步骤(2)中管线提取模型的已知半径；
最后利用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到提取模型的基准轴线；
(4)将步骤(3)中拟合得到的基准轴线旋转到与三维激光扫描系统的坐标系中的y轴方向一致，对步骤(2)中得到的管线提取模型进行垂直于y轴的等距切片处理，进行离散取样，将得到的各切片中心通过最小二乘法拟合为一空间曲线，所述的空间曲线为待对接管线的中心线，通过基准轴线与空间曲线之间的差值得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。
采用本发明方法数据采集速度快，精度高。
实施例3
(1)根据实际工况构建理想特征模型轮廓，具体步骤为：(a)建立两个待对接的大型管线及支撑大型管线用的支撑装置构成的对接系统的三维模型，建模时将管线的尺寸增大1.15倍作为适应实际生产变形的余量；(b)将所述的对接系统的三维模型转化为点云数据；(c)对点云数据进行处理使得只保留无任何噪声点的管线自身数据，得到管线理想特征模型，同时得到理想特征模型的坐标数据，形成理想特征模型轮廓值；
(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据,然后将扫描得到的点云数据转化为文本数据，将得到的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；
(3)对管线的提取模型进一步处理，具体过程为：以管线的圆半径作为约束参与拟合,根据拉格朗日乘数法,采用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到管线的目标函数，然后利用高斯-牛顿或者Levenberg-Marquardt法求解参数，管线的目标函数为：
式中：N为采样点个数；(Xi,Yi,Zi)为采样点三维坐标；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型的一端面圆心，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0，其中
(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0时，f2(m,n,p)＝0；其中：
λ为拉格朗日常数；R为待拟合的最小二乘圆柱半径；Rk为步骤(2)中管线提取模型的已知半径；
最后利用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到提取模型的基准轴线；
(4)将步骤(3)中拟合得到的基准轴线旋转到与三维激光扫描系统的坐标系中的y轴方向一致，对步骤(2)中得到的管线提取模型进行垂直于y轴的等距切片处理，进行离散取样，将得到的各切片中心通过最小二乘法拟合为一空间曲线，所述的空间曲线为待对接管线的中心线，通过基准轴线与空间曲线之间的差值得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。
采用本发明方法数据采集速度快，精度高。

Claims (1)

1.基于三维激光扫描仪的大型工艺管线对接平直度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据实际工况构建理想特征模型轮廓，具体步骤为：(a)建立两个待对接的大型管线及支撑大型管线用的支撑装置构成的对接系统的三维模型，建模时将管线的尺寸增大1.1-1.2倍作为适应实际生产变形的余量；(b)将所述的对接系统的三维模型转化为点云数据；(c)对点云数据进行处理使得只保留无任何噪声点的管线自身数据，得到管线理想特征模型，同时得到理想特征模型的坐标数据，形成理想特征模型轮廓值；
(2)使用三维激光扫描系统对对接过程中的大型工艺管线进行扫描，得到实际大型工艺管线对接的点云数据，然后将扫描得到的点云数据转化为文本数据，将得到的文本数据与理想特征模型轮廓值比较，将位于理想特征模型轮廓值以外的点云数据全部删除，只保留位于理想特征模型轮廓值以内的点云数据，得到管线的提取模型；
(3)对管线的提取模型进一步处理，具体过程为：以管线的圆半径作为约束参与拟合,根据拉格朗日乘数法,采用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到管线的目标函数，然后利用高斯-牛顿或者Levenberg-Marquardt法求解参数，管线的目标函数为：
式中：N为采样点个数；(Xi,Yi,Zi)为采样点三维坐标；(X0,Y0,Z0)为步骤(2)中管线提取模型的一端面圆心，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0，其中
(m,n,p)为最小二乘圆柱基准轴线单位方向向量，且满足f1(X0，Y0，Z0)＝0时，f2(m,n,p)＝0；其中：
其中λ为拉格朗日常数；R为待拟合的最小二乘圆柱半径；Rk为步骤(2)中管线提取模型的已知半径；
最后利用基于半径的最小二乘圆柱拟合法得到提取模型的基准轴线；
(4)将步骤(3)中拟合得到的基准轴线旋转到与三维激光扫描系统的坐标系中的y轴方向一致，对步骤(2)中得到的管线提取模型进行垂直于y轴的等距切片处理，进行离散取样，将得到的各切片中心通过最小二乘法拟合为一空间曲线，所述的空间曲线为待对接管线的中心线，通过基准轴线与空间曲线之间的差值得到待对接管线平直度误差的大小及偏差过大位置。
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