CN110186389A - 无标记物多站点罐内点云采集方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无标记物多站点罐内点云采集方法、系统及存储介质，方法包括：将点云采集装置移动到预设位置；对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集；将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。本发明无需人工进行站点标记以及人工三维扫描，成本低且效率高，可广泛应用于计量校准技术领域。

Description

无标记物多站点罐内点云采集方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及计量校准技术领域，尤其是无标记物多站点罐内点云采集方法、系统及存储介质。

背景技术

立式罐作为大宗石油化工产品的存储计量器具，其容量计量的准确性对贸易结算具有重大意义。立式罐罐容计量主要包括围尺法、径向偏差法、光电测距法以及基于三维激光扫描的点云重建法。围尺法需要在罐体外搭建脚手架，使用围尺测量每一层罐壁圈板的周长，进而求取分层容积，工程量巨大。径向偏差法、光电测距法通过光学方法独立测量每一层圈板的周长，相对于围尺法极大降低了测量分层圈板半径的工作量，但其仍然需要人工采用几何测量法对立式罐的底量、死量进行测量，且还需人工测量罐内管道以进行修正。基于三维激光扫描的点云重建法，通过激光对罐内进行扫描，获取三维点云，可以对罐体进行三维重建，然后利用软件算法，可以剔除罐内管道的影响，计算出立式罐的底量、死量及分层容积。

由于光学扫描的特点，单站点扫描会产生死角，因此通常采用多站点获取多幅点云图像，然后通过配准，合成一幅具有完整信息的点云图像。要对多站点点云图像进行配准，目前通常采用标记物方法，即在扫描对象上布置不少于三个标记球体，然后在扫描得到的点云图像中对各球体依次标记，根据标记同一球体进行配准，通过坐标系变换将多幅点云转化为一副点云图像。这一过程，(1)需要计量人员进入罐体内部布置标记球体，(2)需要人工设置站点，并调节水平。(3)计量人员需要在设定好三维扫描仪并开始扫描后，立即撤离罐内。(4)采集后的多幅点云数据需要人工对标记球体进行标记。因此还需要进行大量的人工操作，人工成本高且效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种成本低且效率高的，无标记物多站点罐内点云采集方法、系统及存储介质。

第一方面，本发明实施例提供了一种无标记物多站点罐内点云采集方法，包括以下步骤：

将点云采集装置移动到预设位置；

对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；

基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；

控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集；

将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。

进一步，所述对点云采集装置进行定位操作，生成定位信息这一步骤，包括以下步骤：

通过点云采集装置获取第一点云集合；

根据点云采集装置所处的位置及方向建立第一直角坐标系；

将所述第一直角坐标系作为参考坐标系，并基于所述参考坐标系对第一点云集合进行转换表示；

通过最小二乘法对转换后的第一点云集合进行拟合处理，得到罐体几何信息；

根据罐体几何信息生成第二坐标系；

对第二坐标系进行逆时针旋转，生成第三坐标系；

根据第三坐标系确定点云采集装置的定位信息。

进一步，所述基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置这一步骤，包括以下步骤：

根据采样站点总数，计算每个采样站点的坐标信息，其计算公式具体为：

其中，P_j代表第j个采样站点；N代表采样站点总数；R₀代表罐体底部截面的圆周半径。

进一步，所述控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集这一步骤，包括以下步骤：

设计点云采集装置的速度参考剖面和控制率；

根据所述速度参考剖面和所述控制率，控制点云采集装置运动到目标采样站点；

通过点云采集装置获取目标采样站点对应的第二点云集合；

判断点云采集装置是否获取了所有采样站点的点云集合，若是，则不做处理；反之，则控制点云采集装置运动到下一目标采样站点，直至点云采集装置获取了所有采样站点的点云集合。

进一步，所述将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云这一步骤，包括以下步骤：

分别对若干个采样站点上采集到的点云集合进行坐标变换处理；

对变换处理后的若干个点云集合进行合成，得到罐体的完整点云。

第二方面，本发明实施例提供了一种无标记物多站点罐内点云采集系统，包括：

运动模块，用于将点云采集装置移动到预设位置；

定位模块，用于对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；

控制模块，用于基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；以及控制点云采集装置的运动；

实时点云采集模块，用于在所述若干个采样站点进行点云采集；

后处理模块，用于将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。

进一步，所述定位模块包括：

获取单元，用于通过点云采集装置获取第一点云集合；

第一坐标建立单元，用于根据点云采集装置所处的位置及方向建立第一直角坐标系；

转换单元，用于将所述第一直角坐标系作为参考坐标系，并基于所述参考坐标系对第一点云集合进行转换表示；

拟合单元，用于通过最小二乘法对转换后的第一点云集合进行拟合处理，得到罐体几何信息；

第二坐标建立单元，用于根据罐体几何信息生成第二坐标系；

第三坐标建立单元，用于对第二坐标系进行逆时针旋转，生成第三坐标系；

确定单元，用于根据第三坐标系确定点云采集装置的定位信息。

进一步，所述后处理模块包括：

变换处理单元，用于分别对若干个采样站点上采集到的点云集合进行坐标变换处理；

合成单元，用于对变换处理后的若干个点云集合进行合成，得到罐体的完整点云。

第三方面，本发明实施例还提供了一种无标记物多站点罐内点云采集系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的无标记物多站点罐内点云采集方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的无标记物多站点罐内点云采集方法。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例通过将点云采集装置移动到预设位置，然后根据确定的若干个采样站点的位置，通过点云采集装置进行多站点的点云采集，最终合成罐体的完整点云；本发明无需人工进行站点标记以及人工三维扫描，成本低且效率高。

附图说明

图1为本发明实施例的步骤流程图；

图2为本发明实施例的实施步骤流程图；

图3为本发明实施例的平面直角坐标系的示意图；

图4为本发明实施例的速度参考剖面的第一示意图；

图5为本发明实施例的速度参考剖面的第二示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明实施例提供了一种无标记物多站点罐内点云采集方法，包括以下步骤：

将点云采集装置移动到预设位置；

对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；

基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；

控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集；

将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。

进一步作为优选的实施方式，所述对点云采集装置进行定位操作，生成定位信息这一步骤，包括以下步骤：

通过点云采集装置获取第一点云集合；

根据点云采集装置所处的位置及方向建立第一直角坐标系；

将所述第一直角坐标系作为参考坐标系，并基于所述参考坐标系对第一点云集合进行转换表示；

通过最小二乘法对转换后的第一点云集合进行拟合处理，得到罐体几何信息；

根据罐体几何信息生成第二坐标系；

对第二坐标系进行逆时针旋转，生成第三坐标系；

根据第三坐标系确定点云采集装置的定位信息。

进一步作为优选的实施方式，所述基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置这一步骤，包括以下步骤：

根据采样站点总数，计算每个采样站点的坐标信息，其计算公式具体为：

其中，P_j代表第j个采样站点；N代表采样站点总数；R₀代表罐体底部截面的圆周半径。

进一步作为优选的实施方式，所述控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集这一步骤，包括以下步骤：

设计点云采集装置的速度参考剖面和控制率；

根据所述速度参考剖面和所述控制率，控制点云采集装置运动到目标采样站点；

通过点云采集装置获取目标采样站点对应的第二点云集合；

判断点云采集装置是否获取了所有采样站点的点云集合，若是，则不做处理；反之，则控制点云采集装置运动到下一目标采样站点，直至点云采集装置获取了所有采样站点的点云集合。

进一步作为优选的实施方式，所述将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云这一步骤，包括以下步骤：

分别对若干个采样站点上采集到的点云集合进行坐标变换处理；

对变换处理后的若干个点云集合进行合成，得到罐体的完整点云。

与图1的方法相对应，本发明实施例提供了一种无标记物多站点罐内点云采集系统，包括：

运动模块，用于将点云采集装置移动到预设位置；

定位模块，用于对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；

控制模块，用于基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；以及控制点云采集装置的运动；

实时点云采集模块，用于在所述若干个采样站点进行点云采集；

后处理模块，用于将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。

其中，本实施例中提及的第一点云集合和第二点云集合的采集均由实时点云采集模块采集获得。

进一步作为优选的实施方式，所述定位模块包括：

获取单元，用于通过点云采集装置获取第一点云集合；

第一坐标建立单元，用于根据点云采集装置所处的位置及方向建立第一直角坐标系；

转换单元，用于将所述第一直角坐标系作为参考坐标系，并基于所述参考坐标系对第一点云集合进行转换表示；

拟合单元，用于通过最小二乘法对转换后的第一点云集合进行拟合处理，得到罐体几何信息；

第二坐标建立单元，用于根据罐体几何信息生成第二坐标系；

第三坐标建立单元，用于对第二坐标系进行逆时针旋转，生成第三坐标系；

确定单元，用于根据第三坐标系确定点云采集装置的定位信息。

进一步作为优选的实施方式，所述后处理模块包括：

变换处理单元，用于分别对若干个采样站点上采集到的点云集合进行坐标变换处理；

合成单元，用于对变换处理后的若干个点云集合进行合成，得到罐体的完整点云。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种无标记物多站点罐内点云采集系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的无标记物多站点罐内点云采集方法。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的无标记物多站点罐内点云采集方法。

参照图2，下面详细描述本发明无标记物多站点罐内点云采集方法的具体实施步骤：

A、将装置置于预定位置。

具体地，本实施例将装置从立式罐下部入口处放置于立式罐底部且面向底部中心，启动自动测量程序，装置向前运动2m左右。

本发明所述的点云采集装置可以是可编程控制四轮运载器(也称为点云扫描车)，上面设置有电子水平仪、电机、三脚架、三轴磁强计、三维激光扫描仪和惯性传感器等。

B、进行定位操作(获取立式罐参考横截面圆周、当前位置以及点云采集装置的方位角)。

具体地，本实施例根据电子水平仪的输出，控制电机调节三脚架长度，使得电子水平仪输出偏离水平不超过0.01度角。接着，根据三轴磁强计的输出，得到四轮运载器当前方向到正北方向的逆时针夹角θ。将三维激光扫描仪反射镜置为水平方向，从四轮运载器正前方开始，顺时针(或逆时针)扫描一周，得到罐壁底部圈板上同一水平面的一系列点云集合如图3所示，以四轮运载器当前位置为原点建立平面直角坐标系C1(即第一坐标系)，则可将点集P_b从极坐标转换为直角坐标：

然后再将P_b(x,y)作为输入，通过最小二乘法，拟合圆周方程得到圆周圆心O在C1坐标系中的坐标为(x₀,y₀)，圆周半径为R₀。将坐标系C1原点平移到圆周圆心O处，得到坐标系C2(即第二坐标系)，则四轮运载器当前位置为P(-x₀,-y₀)。再将坐标系C2逆时针旋转θ角，得到坐标系C3(即第三坐标系)，使其坐标轴指向正北方向。根据坐标系旋转变换的原理，新坐标(x′,y′)为：

即四轮运载器当前位置P在坐标系C3中的坐标为(-x₀cosθ-y₀sinθ,-y₀cosθ+x₀sinθ)。由于坐标系C3不受点P位置及其方向的影响，即具有唯一性，因此可用P在C3坐标系中的坐标代表其绝对位置。

C、规划采样站点，总站点数为N。

具体地，本实施例预设定测站数为N，则规划站点(记第j个站点为P_j)在C3坐标系下的坐标为：

其中，j＝1,2,...,N；令i＝1。

D、将当前目标站点设定为第i个站点，四轮运载器按既定算法向当前目标站点运动。

具体地，本实施例将当前目标站点设定为第i个站点，当前时刻t＝0。

首先，通过惯性传感器获取加速度、角速度信号并通过滤波得到加速度和角速度的平稳信号a(t)、ω(t)。

则对之后任一时刻t＝t₀，四轮运载器速度为：

四轮运载器的方向角为：

四轮运载器运动中当前位置坐标P_c为：

根据起始点W_i-1和目标点P_i之距离设计速度参考剖面，记四轮运载器加速过程加速度最大值为减速过程加速度最大值四轮运载器最大速度值为v_max。则速度参考剖面设计加速过程加速度减速过程加速度

具体地，所述步骤D包括以下步骤：

D1、设计速度参考剖面：

若则速度参考剖面分为三段，如图4所示，满足：

若则速度参考剖面分为两段，如图5所示，满足：

D2、设计控制率：

具体地，四轮运载器的运动方程为：

则根据四轮运载器运动方向与四轮运载器当前位置和目标位置连线的夹角反馈控制角加速度q，使得四轮运载器朝向目标点P_i运动；根据四轮运载器速度与速度参考剖面对应位置速度的偏差，反馈控制加速度，使得四轮运载器尽可能按速度参考剖面之速度运动，并使其达到目标点时的末速度为零。控制率可以表示为：

其中，是Δθ的变化率；k_a，k_θ，为反馈系数，根据实际四轮运载器系统确定。

D3、四轮运载器按步骤D1所述速度参考剖面与步骤D2所述控制率四轮运载器运动，直至四轮运载器位置到达目标(即)，且运动速度降为零(即v＝0)。

E、进行定位操作，判断四轮运载器是否到达目标站点，若是，则进行步骤F；反之，则重复步骤D～E。

具体地，本实施例进行定位操作的方法同步骤B。得到当前四轮运载器所处绝对位置坐标Q′(x_q′,y_q′)，若则判定四轮运载器到达目标站点；若则判定四轮运载器未到达目标站点，重复步骤D-E，用点Q′(x_q′,y_q′)替代其中的点W_i-1。

其中参数ε可设置为0.2m。

F、记录当前四轮运载器位置及方向角。启动三维扫描仪对罐体内部进行扫描，获得该站点测量点云。

具体地，记录四轮运载器当前时刻在C3坐标系中的坐标W_i(x_wi,y_wi)，方向角θ_i。启动三维激光扫描仪，以四轮运载器正前方为起始角度，对罐体内部进行扫描，获得该站点的测量点云集合S_i。

G、若i＝N则进行步骤H；若i<N则i自增1，然后重复步骤D～G。

H、根据记录的N组四轮运载器位置与方位角，将N幅点云合成一幅完整的点云。

具体地，本实施例根据记录的N组四轮运载器位置与方位角，将N幅点云合成一幅完整的点云。对获取的点云集合Si中任一点(x_si,y_si,z_si)均做变换T，其中z_siMAX为点云集合S_i所有点中z坐标最大值；所述T变换的表达式为：

所述点云集合S_i经过变换操作之后，合成得到全幅点云S，即：S＝S₁′∪S₂′∪...∪S_N′。

综上所述，本发明无标记物多站点罐内点云采集方法、系统及存储介质具有以下优点：

现有技术中，计量人员携带扫描仪进入罐内，在罐内壁上安置不少于3个的标识球体，将扫描仪布置在第一个扫描站点处，操作扫描仪开始扫描，并在扫描仪动作前，计量人员迅速撤出罐内。待扫描完成后，计量人员再次进入罐内，将扫描仪布置到下一个站点，重复上述操作，直至完成所有站点扫描后，将扫描仪数据导出至电脑，对每一个站点扫描的图像中的标识球体按顺序手工标记，相同球体标记为相同编号，然后再通过程序进行配准，合并为一张图像。

而本发明的方法则无需计量人员进入罐内，后续操作均自动完成。通过在每一站点的定位程序，为多幅点云的合并提供位置参数。采用本发明方案可以减少计量人员测量立式罐罐容量过程中人工操作的程序。计量人员无需进入立式罐内部，无需放置标记物，无需人工设定站点，无需在后处理过程中手工标记点云图像中的标记物，成本低且效率高。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明并且采用方块图的形式举例说明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.无标记物多站点罐内点云采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

将点云采集装置移动到预设位置；

对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；

基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；

控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集；

将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。

2.根据权利要求1所述的无标记物多站点罐内点云采集方法，其特征在于：所述对点云采集装置进行定位操作，生成定位信息这一步骤，包括以下步骤：

通过点云采集装置获取第一点云集合；

根据点云采集装置所处的位置及方向建立第一直角坐标系；

将所述第一直角坐标系作为参考坐标系，并基于所述参考坐标系对第一点云集合进行转换表示；

通过最小二乘法对转换后的第一点云集合进行拟合处理，得到罐体几何信息；

根据罐体几何信息生成第二坐标系；

对第二坐标系进行逆时针旋转，生成第三坐标系；

根据第三坐标系确定点云采集装置的定位信息。

3.根据权利要求1所述的无标记物多站点罐内点云采集方法，其特征在于：所述基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置这一步骤，包括以下步骤：

根据采样站点总数，计算每个采样站点的坐标信息，其计算公式具体为：

其中，P_j代表第j个采样站点；N代表采样站点总数；R₀代表罐体底部截面的圆周半径。

4.根据权利要求1所述的无标记物多站点罐内点云采集方法，其特征在于：所述控制点云采集装置逐一到达所述若干个采样站点进行点云采集这一步骤，包括以下步骤：

设计点云采集装置的速度参考剖面和控制率；

根据所述速度参考剖面和所述控制率，控制点云采集装置运动到目标采样站点；

通过点云采集装置获取目标采样站点对应的第二点云集合；

判断点云采集装置是否获取了所有采样站点的点云集合，若是，则不做处理；反之，则控制点云采集装置运动到下一目标采样站点，直至点云采集装置获取了所有采样站点的点云集合。

5.根据权利要求1所述的无标记物多站点罐内点云采集方法，其特征在于：所述将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云这一步骤，包括以下步骤：

分别对若干个采样站点上采集到的点云集合进行坐标变换处理；

对变换处理后的若干个点云集合进行合成，得到罐体的完整点云。

6.无标记物多站点罐内点云采集系统，其特征在于：包括：

运动模块，用于将点云采集装置移动到预设位置；

定位模块，用于对所述点云采集装置进行定位操作，生成定位信息；

控制模块，用于基于预设的采样站点总数，根据所述定位信息确定若干个采样站点的位置；以及控制点云采集装置的运动；

实时点云采集模块，用于在所述若干个采样站点进行点云采集；

后处理模块，用于将若干个采样站点上采集到的点云进行合成，得到罐体的完整点云。

7.根据权利要求6所述的无标记物多站点罐内点云采集系统，其特征在于：所述定位模块包括：

获取单元，用于通过点云采集装置获取第一点云集合；

第一坐标建立单元，用于根据点云采集装置所处的位置及方向建立第一直角坐标系；

转换单元，用于将所述第一直角坐标系作为参考坐标系，并基于所述参考坐标系对第一点云集合进行转换表示；

拟合单元，用于通过最小二乘法对转换后的第一点云集合进行拟合处理，得到罐体几何信息；

第二坐标建立单元，用于根据罐体几何信息生成第二坐标系；

第三坐标建立单元，用于对第二坐标系进行逆时针旋转，生成第三坐标系；

确定单元，用于根据第三坐标系确定点云采集装置的定位信息。

8.根据权利要求6所述的无标记物多站点罐内点云采集系统，其特征在于：所述后处理模块包括：

变换处理单元，用于分别对若干个采样站点上采集到的点云集合进行坐标变换处理；

合成单元，用于对变换处理后的若干个点云集合进行合成，得到罐体的完整点云。

9.无标记物多站点罐内点云采集系统，其特征在于：包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-5中任一项所述的无标记物多站点罐内点云采集方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-5所述的无标记物多站点罐内点云采集方法。