CN106931950A - 基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法 - Google Patents

基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法，步骤为：在两个待对接液化天然气管线的周围设置多个控制点，利用全站仪测量得到各个控制点的坐标；利用三维激光扫描仪对两个待对接管线进行扫描，得到对接管线的整体轮廓特征；利用优化后的各局部点云数据进行对接管线各面的匹配拟合以及第一对接管线在局部工程坐标系中三个轴线方向的匹配拟合；计算两个对接管线之间的位移差以及中轴线的角度差，采用本方法使得两管线得到更高的匹配精度。

Description

基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法
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液化天然气管线姿态检测方法。
背景技术
在液化天然气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，因此对管线在对接过程中的姿态检测就显得很有必要。传统的姿态检测主要是通过扫描两对接管线的对接面，来获得两对接面的特征来进行匹配，由于该方法不能获得三维空间上的姿态，而且两对接管线的轴线上的偏差也不能获取，因此在对接过程中存在精度不高的缺点。
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液化天然气管线姿态检测方法。
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液化天然气管线姿态检测方法，它包括以下步骤：
(1)在两个待对接液化天然气管线的周围设置多个控制点形成能够获得控制点内区域整个模型的三维坐标信息的控制网，然后以工作现场选定的测量基准点作为整个系统的基准原点，利用全站仪测量得到各个控制点的坐标；
(2)在步骤(1)中的任意两个控制点处设置标靶，采用后交法得到设定位置的全站仪的坐标，然后在设置全站仪的坐标位置放置三维扫描仪使三维激光扫描仪的坐标与全站仪的坐标一致；
(3)利用三维激光扫描仪，在设定的控制网内对两个待对接管线中的第一对接管线进行局部第一次扫描，得到局部点云数据；
(4)移动三维激光扫描仪的位置，重复所述的步骤(2)和步骤(3)，对第一对接管线进行多次扫描，得到多个局部点云数据，直至获得第一对接管线的整体轮廓特征；
(5)将三维激光扫描仪扫描得到的点云数据通过坐标转换至以所述的工作现场选定的测量基准点为坐标原点建立的笛卡尔局部工程坐标系下；
(6)对扫描得到的各局部点云数据进行优化处理，得到优化后的各点云数据；
(7)利用优化后的各局部点云数据进行第一对接管线各面的匹配拟合以及第一对接管线在所述的局部工程坐标系中的X轴、Y轴、Z轴三个轴线方向的匹配拟合；
所述的第一对接管线各面的匹配拟合采用IPC算法实现；
所述的第一对接管线三个轴线拟合的具体步骤为：
规定在所述的局部工程坐标系中竖直向上的方向为Z轴，水平向右的方向为Y轴，另一个方向为X轴,对X轴、Y轴、Z轴中任意一个轴方向上的轴线进行拟合，具体步骤如下：
步骤一：将完成各面匹配拟合的第一对接管线的三维点云数据分别投影在笛卡尔坐标系中的P1坐标平面内和P2坐标平面内，所述的P1坐标平面和P2坐标平面的交线为需要拟合的轴线方向；
步骤二：对投影在P1坐标平面和P2坐标平面上的点云数据的边界点分别用二次曲线方程进行曲线拟合，得到投影在P1坐标平面上的点云的第一边界曲线和第二边界曲线以及投影在P2坐标平面上的点云的第一边界曲线和第二边界曲线，四条边界曲线的方向均与待拟合的轴线方向同向；
步骤三：(a)在投影到P1坐标平面上的第一边界曲线上等间隔采集点，获得第一点集，并分别计算出每个点在其法线方向上与在P1坐标平面上拟合的第二边界曲线的交点，获得第二点集，然后求取第一点集和第二点集的中点坐标得到第一列中点，再在P1坐标平面上的第二边界上等间隔采集点，获得第三点集，并分别计算出每个点在其法线方向上与在P1坐标平面上拟合的第一边界曲线的交点，获得第四点集，然后求取第三点集和第四点集的中点坐标得到第二列中点，对获得的两列中点的坐标值进行拟合，得到在P1坐标平面上中轴线的拟合直线；(b)重复所述的步骤(a)获得在P2坐标平面上中轴线的拟合直线；(c)对P1坐标平面和P2坐标平面上中轴线的拟合直线进行矢量计算，得到第一对接管线在该坐标轴方向的中轴线；
(8)重复所述步骤(1)至(7)，得到第二对接管线各面的拟合模型和第二对接管线的三个轴线方向的中轴线；
(9)将第一对接管线和第二对接管线的点云数据在X、Y、Z方向上的坐标分别相减，得到两个对接管线之间分别在X、Y、Z方向上的位移差；再通过对两个对接管线X、Y、Z方向上三个轴线进行比较计算，得到两个对接管线之间的角度差；
(10)根据第一对接管线和第二对接管线的位移差以及中轴线的角度差移动两个对接管线使两个对接管线准确对接。
采用本姿态检测方法，能够获取大型液化天然气管线的大量点云数据，并且采样速率和精度都较高，并且能够在同一坐标系中得到对接过程中液化天然气管线的三维位姿关系，不仅仅是得到对接端面的特征，而且能通过拟合出轴线，获得两管线的角度关系，最后得到更高的匹配精度。
附图说明
图1是本发明基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法全站仪后交法示意图；
图2是本发明基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法采用的三维激光坐标计算示意图；
图3是本发明基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法中轴线拟合示意图。
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液化天然气管线姿态检测方法，它包括以下步骤：
(1)在两个待对接液化天然气管线的周围设置多个控制点形成能够获得控制点内区域整个模型的三维坐标信息的控制网，然后以工作现场选定的测量基准点作为整个系统的基准原点，利用全站仪测量得到各个控制点的坐标；
(2)在步骤(1)中的任意两个控制点处设置标靶，采用后交法得到设定位置的全站仪的坐标，然后在设置全站仪的坐标位置放置三维扫描仪使三维激光扫描仪的坐标与全站仪的坐标一致；所述的后交法具体过程如图1所示，A、B为两个已知控制点，坐标分别为(xA,yA)、(xB,yB)，A、B两点之间的距离为S0，P为此次扫描过程中三维激光扫描仪的坐标，为待测点，在P点设置全站仪，测P点到A点的距离S1和P点到B点的距离S2，即可确定P点的坐标(xP,yP)。其计算公式为：
xp＝xA+(xB-xA)L-(yB-yA)H
yp＝yA+(yB-yA)L-(xB-xA)H
其中：
(3)利用三维激光扫描仪，在设定的控制网内对两个待对接管线中的第一对接管线进行局部第一次扫描，得到局部点云数据；
(4)移动三维激光扫描仪的位置，重复所述的步骤(2)和步骤(3)，对第一对接管线进行多次扫描，得到多个局部点云数据，直至获得第一对接管线的整体轮廓特征；本方法进行多次局部扫描，是由于需要完成空间上的三维姿态匹配，所以需要得到对接管线的整体三维模型，而以前的对接方法是通过一次扫描获得对接管线的对接段端面的特征，然后利用对接段端面的特征进行对接；
(5)将三维激光扫描仪扫描得到的点云数据通过坐标转换至以所述的工作现场选定的测量基准点为坐标原点建立的笛卡尔局部工程坐标系下；本方法进行坐标转换是因为：三维扫描系统采用的是自身的坐标系，其坐标系如图2所示，而实际中采用的是局部工程坐标系(比如控制点的坐标就是在局部坐标系下的坐标)，所以对三维激光扫描仪扫描得到的点云数据坐标进行转换。具体方法为：
假设利用三维激光扫描仪扫描得到第一对接管线局部点云数据中的某个点的坐标为(x,y,z)，利用全站仪获得的三维激光扫描仪自身的坐标为(Xo,Yo,Zo)，则在局部工程坐标系下该点的坐标为(X,Y,Z)为：
(6)对扫描得到的各局部点云数据进行优化处理，得到优化后的各点云数据，以便于更好地对多次扫描得到的点云数据进行三维匹配；
(7)利用优化后的各局部点云数据进行第一对接管线各面的匹配拟合以及第一对接管线在X轴、Y轴、Z轴三个轴线方向的匹配拟合，这样不仅可以知道对接管线的空间位置，而且可以通过轴线确定对接管线的姿态，从而为之后两管线的三维拼接做准备；
第一对接管线各面的匹配拟合采用IPC算法实现，该算法不需要知道精确的控制点，对源数据集中的每个数据点，每次迭代均在目标数据集中选择最近的点，以这些最近点作为控制点，来估计变换矩阵的参数。迭代计算，直到两次迭代的目标函数值变化小于一定阈值。该方法详见2010年1月西安电子科技大学硕士学位论文“三维重建过程中的点云数据配准算法的研究”一文。
第一对接管线三个轴线拟合的具体步骤为：
规定在所述的局部工程坐标系中竖直向上的方向为Z轴，水平向右的方向为Y轴，另一个方向为X轴。对X轴、Y轴、Z轴中任意一个轴方向上的轴线进行拟合，具体步骤如下：
步骤一：将完成各面匹配拟合的第一对接管线的三维点云数据分别投影在笛卡尔坐标系中的P1坐标平面内和P2坐标平面内，所述的P1坐标平面和P2坐标平面的交线为需要拟合的轴线方向；如：要拟合X轴，则P1面和P2面分别位于XOZ和XOY平面内；
步骤二：对投影在P1坐标平面和P2坐标平面上的点云数据的边界点分别用二次曲线方程进行曲线拟合，得到投影在P1坐标平面上的点云的第一边界曲线和第二边界曲线以及投影在P2坐标平面上的点云的第一边界曲线和第二边界曲线，四条边界曲线的方向均与待拟合的轴线方向同向，所述的二次曲线方程为：
式中a、b、c是投影在P1坐标平面上边界曲线拟合后表达式的系数，x、y是P1坐标平面上拟合的边界曲线上点的坐标；d、e、f是投影在P2坐标平面上边界曲线拟合后表达式的系数，x、z是P2坐标平面上拟合的边界曲线上点的坐标；
步骤三：(a)在投影到P1坐标平面上的第一边界曲线上等间隔采集点，获得第一点集，并分别计算出每个点在其法线方向上与在P1坐标平面上拟合的第二边界曲线的交点，获得第二点集，然后求取第一点集和第二点集的中点坐标得到第一列中点，再在P1坐标平面上的第二边界上等间隔采集点，获得第三点集，并分别计算出每个点在其法线方向上与在P1坐标平面上拟合的第一边界曲线的交点，获得第四点集，然后求取第三点集和第四点集的中点坐标得到第二列中点，对获得的两列中点的坐标值进行拟合，得到在P1坐标平面上中轴线的拟合直线；(b)重复所述的步骤(a)获得在P2坐标平面上中轴线的拟合直线；(c)对P1坐标平面和P2坐标平面上中轴线的拟合直线进行矢量计算，得到第一对接管线在该坐标轴方向的中轴线。
(8)重复所述步骤(1)至(7)，得到第二对接管线各面的拟合模型和第二对接管线的三个轴线方向的中轴线；在同一坐标系下得到第一对接管线和第二对接管线的三维模型和轴线方向，这样能够直观的体现出两个管线的空间三维姿态；
(9)将第一对接管线和第二对接管线的点云数据在X、Y、Z方向上的坐标分别相减，得到两个对接管线之间分别在X、Y、Z方向上的位移差；再通过对两个对接管线X、Y、Z方向上三个轴线进行比较计算，得到两个对接管线之间的角度差。具体步骤如下：
位移差的计算方法为：对X、Y、Z任意一个方向扫描得到的两个管线的点云坐标相减，可得：
其中，Δui表示第i个点处两管线之间在X、Y、Z任意一个方向上的位移差，表示第i个点在第二对接管线沿该方向上的坐标，表示相对应的第i个点在第一对接管线沿该方向上的坐标，将Δui的值进行拟合可以得到第一对接管线和第二对接管线之间沿该方向上需调整的位移差。
角度差的计算方法为：分别对第一对接管线和第二对接管线在X、Y、Z方向上的中轴线进行比较计算得到相应的角度差，具体步骤为：
第一对接管线在X、Y、Z轴中的某一方向上的中轴线空间直线方程为：
v1＝l1i+m1j+n1k
式中(x1,y1,z1)为第一对接管线在该方向上的中轴线空间直线上任意一点，l1、m1、n1为空间直线的方向向量的系数，v1为空间直线的方向向量，i、j、k分别为X、Y、Z轴方向上的单位向量。
第二对接管线在该方向上的中轴线空间直线方程为：
v2＝l2i+m2j+n2k
式中(x2,y2,z2)为第二对接管线在该方向上的中轴线空间直线上任意一点，l2、m2、n2为空间直线的方向向量的系数，v2为空间直线的方向向量，i、j、k分别为X、Y、Z轴方向上的单位向量。
则两个对接管线在该方向轴向矢量的夹角θ为：
(10)根据第一对接管线和第二对接管线的位移差以及中轴线的角度差移动两个对接管线使两个对接管线准确对接。

Claims (1)

1.基于三维激光检测的液化天然气管线姿态检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在两个待对接液化天然气管线的周围设置多个控制点形成能够获得控制点内区域整个模型的三维坐标信息的控制网，然后以工作现场选定的测量基准点作为整个系统的基准原点，利用全站仪测量得到各个控制点的坐标；
(2)在步骤(1)中的任意两个控制点处设置标靶，采用后交法得到设定位置的全站仪的坐标，然后在设置全站仪的坐标位置放置三维扫描仪使三维激光扫描仪的坐标与全站仪的坐标一致；
(3)利用三维激光扫描仪，在设定的控制网内对两个待对接管线中的第一对接管线进行局部第一次扫描，得到局部点云数据；
(4)移动三维激光扫描仪的位置，重复所述的步骤(2)和步骤(3)，对第一对接管线进行多次扫描，得到多个局部点云数据，直至获得第一对接管线的整体轮廓特征；
(5)将三维激光扫描仪扫描得到的点云数据通过坐标转换至以所述的工作现场选定的测量基准点为坐标原点建立的笛卡尔局部工程坐标系下；
(6)对扫描得到的各局部点云数据进行优化处理，得到优化后的各点云数据；
(7)利用优化后的各局部点云数据进行第一对接管线各面的匹配拟合以及第一对接管线在所述的局部工程坐标系中的X轴、Y轴、Z轴三个轴线方向的匹配拟合；
所述的第一对接管线各面的匹配拟合采用IPC算法实现；
所述的第一对接管线三个轴线拟合的具体步骤为：
规定在所述的局部工程坐标系中竖直向上的方向为Z轴，水平向右的方向为Y轴，另一个方向为X轴,对X轴、Y轴、Z轴中任意一个轴方向上的轴线进行拟合，具体步骤如下：
步骤一：将完成各面匹配拟合的第一对接管线的三维点云数据分别投影在笛卡尔坐标系中的P1坐标平面内和P2坐标平面内，所述的P1坐标平面和P2坐标平面的交线为需要拟合的轴线方向；
步骤二：对投影在P1坐标平面和P2坐标平面上的点云数据的边界点分别用二次曲线方程进行曲线拟合，得到投影在P1坐标平面上的点云的第一边界曲线和第二边界曲线以及投影在P2坐标平面上的点云的第一边界曲线和第二边界曲线，四条边界曲线的方向均与待拟合的轴线方向同向；
步骤三：(a)在投影到P1坐标平面上的第一边界曲线上等间隔采集点，获得第一点集，并分别计算出每个点在其法线方向上与在P1坐标平面上拟合的第二边界曲线的交点，获得第二点集，然后求取第一点集和第二点集的中点坐标得到第一列中点，再在P1坐标平面上的第二边界上等间隔采集点，获得第三点集，并分别计算出每个点在其法线方向上与在P1坐标平面上拟合的第一边界曲线的交点，获得第四点集，然后求取第三点集和第四点集的中点坐标得到第二列中点，对获得的两列中点的坐标值进行拟合，得到在P1坐标平面上中轴线的拟合直线；(b)重复所述的步骤(a)获得在P2坐标平面上中轴线的拟合直线；(c)对P1坐标平面和P2坐标平面上中轴线的拟合直线进行矢量计算，得到第一对接管线在该坐标轴方向的中轴线；
(8)重复所述步骤(1)至(7)，得到第二对接管线各面的拟合模型和第二对接管线的三个轴线方向的中轴线；
(9)将第一对接管线和第二对接管线的点云数据在X、Y、Z方向上的坐标分别相减，得到两个对接管线之间分别在X、Y、Z方向上的位移差；再通过对两个对接管线X、Y、Z方向上三个轴线进行比较计算，得到两个对接管线之间的角度差；
(10)根据第一对接管线和第二对接管线的位移差以及中轴线的角度差移动两个对接管线使两个对接管线准确对接。
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