CN112378476A - 大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法，属于三维激光扫描技术领域，其技术方案包括测量站组、拼接靶标和处理器，所述测量站组沿卧式罐轴线方向间隔设置若干，且扫描卧式罐各段获取点云数据；所述拼接靶标设置于相邻两组所述测量站组之间，且位于相邻两组测量站组公共扫描范围；所述处理器连接所述测量站组，且接收所述测量站组的点云数据，并对接收的点云数据进行拼接、以及基于拼接后的点云数据计算容积值。将测量站组沿罐体轴线方向伸入罐体内部进行测量，然后通过对多站测量的点云数据拼接的方式获得高精度且精度相等的测量数据，解决了现有技术不能够针对大长径比卧式罐体容积测量的问题。

Description

大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法

技术领域

本发明属于三维激光扫描技术领域，具体涉及一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法。

背景技术

大型罐体容积的测量具有重要的意义，国际间的大宗液体贸易往往采用罐体容器进行，是否能够准确测量罐体容积不仅直接关系到我国的利益，而且关系到我国的形象及声誉；用于火箭等航天器燃料贮箱的容积测量精度直接关系到飞行结果的好坏，燃料不足影响飞行任务，燃料过多则增加了航天器的有效载荷，影响运载能力。目前对于罐体容积的测量主要采用传统的几何测量法，包括围尺法、光学参比线法、具导轨光学测量法等，但这些测量方法一般耗时耗力，且测量精度不高。对于内部结构复杂的大型罐体(内部表面含有筋、肋、防晃板等附件的罐体)，比如航天器燃料贮箱，目前一般采用流量法进行测量，测量精度较高，但是单个贮箱的测量周期通常在3天～5天，测量效率低下。

日本索佳TCCS油罐容积标定系统是用于立式圆筒罐的内测方法(索佳TCCS油罐容积标定系统，索佳高端全站仪系统集成白皮书(2))，其原理为：将仪器安装至立式油罐罐内接近圆心的地方，全站仪以一定的步进(步进角或步进距)扫描各圈板截面上的三维坐标，进而拟合各圈板半径，然后由计算机软件进一步处理得到油罐容积。该技术方案的特点在于：(1)该方法通过扫描水平截面，拟合各圈板半径的方法计算每圈板的容积进而得到整体的容积，对于卧式罐体而言，水平截面不再是圆截面，因此不能够针对卧式罐进行容积测量；(2)该方法采用全站仪进行采样，采样点稀疏，只能够对内壁光滑的金属罐进行容积测量，不能测量出内部复杂的金属罐的细节特征，影响测量精度。

专利号为CN201210524701.6公开了一种基于三维激光扫描的容积测量方法及装置。该技术方案提出了一种将三维激光扫描仪通过仪器悬架正置或倒置于罐体人孔处的内部测量法，对激光扫描器测得的数据进行空间网格建模，获取重建的所述罐体的多个切片形状从而计算罐体容积。该技术方案的特点在于：(1)该方法主要针对长径比较小的罐体进行测量，对于长径比大的罐体距离扫描仪较远处测量精度较低，导致测量精度不等，最后以同等权重参与容积计算，影响罐体容积测量精度；(2)对于大长径比内部结构复杂的罐体，激光扫描器不能够沿罐体轴线伸入罐体内部测量细节特征；(3)对于大长径比内部结构复杂的罐体，该方法更容易产生误差较大的离群点导致发生测量错误的情况。

中国计量学院提出了一种基于三维激光扫描的立式金属罐容积内部测量法(周晓雪.三维激光扫描技术在立式金属罐容量计量中的应用研究.中国计量学院,2014.)。该方法是一种立式罐容积测量方法，适合长径比不大(一般为1左右)、内壁光滑无细节结构的容积测量。其方案是将激光扫描仪架设于立式罐底，三个测站呈三角形分布，在罐体底部设置了三个呈三角形分布的靶标来进行数据拼接；在数据处理方面，根据点云数据拟合圈板半径，将金属罐沿轴向分割成无数小圆柱体，进而通过叠加的方式计算金属罐的容积。该技术方案的特点在于：(1)通过三站测量并在罐底设置靶标完成数据拼接的方式，在一定程度上有效避免了罐内附件挡光的问题，但对于长径比较大的罐体，无法解决距离扫描仪较远处的挡光结构以及罐内表面筋、肋等细节结构的影响，无法测量；(2)测站和靶标均设置在罐底，无法考虑因三维激光扫描仪测量时激光光线倾斜造成的靶标定位存在误差的问题；(3)距离扫描仪较远的罐体部分测量精度较低，最后以同等精度进行容积计算，影响容积测量精度；(4)测量方案、测量结构、数据处理方法决定该方法无法用于卧式罐的测量。

综上，目前的三维激光扫描法常用于测量长径比较小的罐体容积，对于长径比大的罐体存在点云数据测量精度不等，将不等测量精度的点云数据按照等精度参与容积计算；且对于长径比较大的卧式罐体不能沿轴线伸入罐体内部测量细节特征，更容易产生离群点导致发生测量错误的情况；而目前用于罐体容积测量的几何测量法、全站仪法测量精度较低，且测量效率低下，虽然流量法能够获得较高的测量精度，但是测量效率较低。因此，亟需提出一种高精度、高效率的大长径比复杂结构卧式罐体容积三维激光扫描内测装置及方法，以满足我国在油罐计量、航天器燃料贮箱容积的快速高精度测量等方面的需求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法，实现对大型罐体，特别是内部结构复杂的大型卧式罐体的容积快速高精度测量。

为了实现上述发明目的，本发明提供的一个技术方案如下：

一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置，包括测量站组、拼接靶标和处理器，所述测量站组沿卧式罐轴线方向间隔设置若干，且扫描卧式罐各段获取点云数据；所述拼接靶标设置于相邻两组所述测量站组之间，且位于相邻两组测量站组公共扫描范围；所述处理器连接所述测量站组，且所述处理器接收所述测量站组的点云数据，并对接收的点云数据进行拼接、以及基于拼接后的点云数据计算容积值。

优选的，所述测量站组包括激光扫描器、以及支撑所述激光扫描器的支撑架。

优选的，所述拼接靶标包括多个靶标，且所述多个靶标位于不同的直线上。

为了实现上述发明目的，本发明提供的另一个技术方案如下：

一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，使用以上大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置，包括以下步骤：

步骤1、在卧式罐内且沿罐体轴线方向间隔设置若干组测量站组；步骤2、相邻两组测量站组之间公共扫描范围内设置拼接靶标；步骤3、控制各组测量站组在有效扫描范围内对卧式罐罐段执行扫描，获取各罐段的点云数据；步骤4、基于获取的相邻所述罐段的点云数据和相邻罐段之间的拼接靶标对相邻所述罐段的点云数据进行拼接，得到卧式罐整体的点云数据；步骤5、基于获取的卧式罐整体的点云数据计算容积。

优选的，确定所述有效扫描范围的步骤，包括：基于所述卧式罐圆柱面的母线与所述测量站组激光光线所夹的最小掠射角α确定有效扫描范围；在所述有效扫描范围内，所述激光光线与所述母线的夹角大于或等于所述最小掠射角α。

优选的，确定所述公共扫描范围的步骤，包括控制相邻两组测量站组的有效扫描范围局部叠加形成公共扫描范围。

优选的，计算所述最小掠射角的步骤，包括获取激光扫描器的激光光线直径d，预设测量偏差值e，所述最小掠射角α＝arctan(d/e)，其中，激光光线直径d、测量偏差值c的单位为毫米。

优选的，基于所述卧式罐的长度、卧式罐内部结构的复杂程度、激光扫描器测量精度和罐体容积测量目标精度确定所述测量站组的安装数量。

优选的，所述卧式罐内且沿罐体轴线方向间隔设置若干组测量站组的步骤，包括：将单个所述测量站组设置在所述罐体内执行扫描，扫描后将所述测量站组沿所述罐体轴线方向换站，每次换站后执行扫描，获取各罐段的点云数据。

本发明提供的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置及方法，具有以下效果：

本发明能够适应于具有大长径比的内部结构复杂的卧式罐体的容积测量。现有激光扫描测量方法无法对大长径比的罐体进行测量，无法对卧式罐进行多站测量；本测量装置能够将激光扫描器沿罐体轴线方向架设，即可以将激光扫描器沿罐体轴线方向伸入罐体内部进行测量，然后通过对多站测量的点云数据进行拼接的方式获得高精度的测量数据，解决了目前现有技术不能够针对大长径比罐体容积测量的问题，可测长径比可达到5:1及以上，甚至达到几十比1的卧式罐体容积。

本发明通过合理设站，能够实现罐体点云数据的高精度测量，且点云数据精度相同，能够有效地提高罐体容积计算精度。通过设置最小掠射角的方式沿罐体轴线方向合理设站，在每站所测点云数据中，只保留激光扫描器激光光线与被测罐体夹角不小于最小掠射角的测量范围内的点云数据，保证单站测量数据精度一致，最终将多站测量数据通过相邻两测站公共扫描范围中的靶标拼接起来，从而获得等精度的完整的罐体点云数据，能够有效地提高罐体容积测量精度。

本发明提出的技术方案能够对内部结构复杂的卧式罐体容积进行高效率、高精度测量。现有测量方法无法对内表面有筋、肋、防晃板等细节结构的罐体进行测量；本发明通过设置的多组测量站组，多组激光扫描器快速扫描获得海量点云数据，能够构建精确的罐体三维模型，相比于传统的单个测量站组测量，测量效率提升百分之六十以上，测量精度提升百分之二十以上。

附图说明

图1为本发明的一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置的结构示意图；

图2为本发明的一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置工作时的示意图；

图3为本发明的激光光线与卧式罐圆柱面母线垂直时掠射角的示意图；

图4为本发明的激光光线与卧式罐圆柱面母线倾斜时最小掠射角的示意图。

图中附图标记：

100、测量站组；110、激光扫描器；111、激光光线；120、支撑架；130、第一测量站组；140、第二测量站组；150、第三测量站组；200、拼接靶标；300、处理器；400、卧式罐；

A、截面A；B、截面B；C、截面C；D、截面D；E、端面E；F、端面F；d、激光光线的直径；e、测量偏差值；α、最小掠射角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

实施例1

本发明提供了一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置，如图1所示，包括测量站组100、拼接靶标200和处理器300。其中，测量站组100沿卧式罐400的轴线方向间隔设置若干，测量站组100用于扫描卧式罐400各罐段获取点云数据。拼接靶标200设置于相邻两组测量站组100之间，且位于相邻两组测量站组100之间的公共扫描范围。处理器300连接测量站组100，用于接收测量站组100扫描获取的点云数据，并对接收的各组点云数据进行滤波、拼接，以及基于拼接后的点云数据计算卧式罐400的容积值。在使用时，通过各个测量站组100在有效扫描范围内对卧式罐400的内部进行扫描，具体的，每一组测量站组100对卧式罐400的圆周方向、以及径向扫描。各测量站组100将扫描获取的点云数据、以及拼接靶标200的数据发送至处理器300，处理器300获取各组点云数据，保留有效扫描范围内的有效的点云数据，且有效扫描范围包含公共扫描范围。处理器300对各个测量站组100的点云数据进行滤波、拼接，拼接后计算卧式罐400的容积。

具体的，测量站组100包括激光扫描器110和支撑激光扫描器110的支撑架120，支撑架120支撑激光扫描器110使其位于卧式罐400的轴线位置附近。通过设置的支撑架120将激光扫描器110固定在卧式罐400的轴线位置附近，在测量时，激光扫描器110沿卧式罐400的轴线方向、以及沿卧式罐400的圆周向扫描获取卧式罐400内壁的点云数据。具体在使用时，激光扫描器110沿卧式罐400轴线方向存在有效扫描范围，即激光扫描器110在有效扫描范围内扫描获取的点云数据精确度相对较高，当超出有效扫描范围后，激光扫描器110获取的点云数据精确度相对较差。相邻两个激光扫描器110的有效扫描范围部分叠加形成公共扫描范围。进而，在根据拼接靶标200对相邻两个激光扫描器110的点云数据进行拼接后，获取的整体点云数据精确度相对较高。

拼接靶标200包括多个靶标，且多个靶标位于不同的直线上。在具体设置时，靶标至少设置有三个，三个靶标的位置可以分布形成锐角三角形。在拼接点云数据时，处理器300分别获取相邻的两个激光扫描器110扫描识别的靶标中心坐标，通过该靶标中心坐标将各个激光扫描器110获取的点云数据拼接为同一坐标系下的点云数据，然后计算卧式罐400的容积值。

实施例2

一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，如图2-图4所示，包括以下步骤：

步骤1、在卧式罐400内且沿罐体轴线方向间隔设置若干组测量站组100。

步骤2、相邻两组测量站组100之间的公共扫描范围内设置拼接靶标200。

步骤3、控制各组测量站组100在有效扫描范围内对卧式罐400各罐段执行扫描，获取各罐段点云数据。

步骤4、基于获取的相邻罐段的点云数据和相邻罐段之间的拼接靶标200对相邻罐段的点云数据进行拼接，得到卧式罐400整体的点云数据。

步骤5、基于获取的卧式罐400整体的点云数据计算容积。

在步骤1中，间隔设置若干组测量站组100的步骤：控制相邻两组测量站组100的距离，使得相邻两组测量站组100的有效扫描范围部分叠加，在相邻的两组测量站组100之间形成公共扫描范围。

同时，间隔设置若干组测量站组100的方式，可以是通过采用多个测量站组100同时执行扫描获取点云数据，或者是将单个测量站组100设置在罐体内执行扫描，扫描后将测量站组100沿罐体轴线方向进行换站，然后每一次换站后均执行扫描，进而获取各罐段的点云数据。通过采用一个测量站组100换站扫描和采用多个测量站组100同时执行扫描，均能够获取各个罐段的点云数据，单个测量站组100换站扫描的方式，在提高对罐体测量精度的前提下，经济成本相对更低，数据处理难度更低。需要说明的是，上文中提到的换站，指的是当单个测量站组100对某一罐段执行扫描后，将其移动至下一罐段执行扫描。

在步骤2中，通过将拼接靶标200设置在公共扫描范围内，公共扫描范围两侧的两个测量站组100在获取公共扫描范围内的点云数据时，该点云数据是有效的、较为精确的数据。通过该位置处的拼接靶标200对相邻两组测量站组100的点云数据进行拼接时，拼接后的点云数据整体相对更加精确。

其中，确定上述有效扫描范围的步骤，包括基于卧式罐400圆柱面的母线与测量站组100激光光线111所夹的最小掠射角α确定有效扫描范围。

计算最小掠射角的步骤，包括获取激光扫描器110的激光光线111直径d，预设测量偏差值e，最小掠射角α＝arctan(d/e)。其中，测量偏差值指的是因激光倾斜照射罐体内壁时造成的测量偏差。例如，激光直径＝1mm，测量偏差值e＝1mm，则最小掠射角α＝arctan(d/e)＝45°。当最小掠射角为45°时，可以根据测量站组100与卧式罐400内壁之间的距离，计算相邻两个测量站组100之间的距离值。其中，需要说明的是，激光光线直径d、测量偏差值c的单位为毫米。

确定公共扫描范围的步骤，包括控制相邻两组测量站组100的有效扫描范围局部叠加形成公共扫描范围。即在公共扫描范围内，两个测量站组100掠射角大于45°。总之，拼接靶标200设立的位置位于两个测量站组100掠射角大于45°的范围内，其中，掠射角为卧式罐400圆柱面的母线与激光扫描器110激光的夹角。

测量站组100的安装数量基于卧式罐400的长度、卧式罐400内部结构的复杂程度、激光扫描器110测量精度和罐体容积测量目标精度确定。具体的，由于每一组测量站组100存在有效的扫描范围，当卧式罐400长度较长时，可以相对多设置测量站组100的数量。根据上述的最小掠射角的计算方式，当测量精度越高，激光扫描器110的有效扫描范围越小，所需要布置的测量站组100数量越多。当卧式罐400内部结构越复杂时，测量站组在扫描时越容易被遮挡，通过设置的多个测量站组100，或者通过操作测量站组100进行换站扫描，测量站组的激光光线不容易被罐体内的筋、肋、防晃板等细节结构遮挡，增加了测量精度。

具体解释如下：具体的，根据罐体的长度设置测量站组，本实施例在罐体内设置有三组测量站组100，分别包括第一测量站组130、第二测量站组140和第三测量站组150。其中，第一测量站组130和第三测量站组150位于卧式罐400的两端，第二测量站组140位于中部。在有效扫描范围内，第一测量站组130的激光光线111照射在卧式罐400的有效边界线为端面E和截面B，即第一测站组130的有效扫描范围为端面E和截面B之间；第二测量站组140的激光光线111照射在卧式罐400的有效边界线为截面A和截面D，即第二测量站组140的有效扫描范围的截面A和截面D之间；第三测量站组150的激光光线111照射在卧式罐400的有效边界线为截面C和端面F，即第三测站组150的激光光线111照射在卧式罐400的有效扫描范围为截面C和断面F之间。需要说明的是，此处的端面E和端面为弧形面，在具体实施中，端面E和端面F可以为平面或者弧形面，在此不限，只要端面F和端面E分别在测量站组130和测量站组150的有效扫描范围内即可。

为了增加点云数据的精确度、以及对各段点云数据进行拼接，截面A位于端面E和截面B之间，截面D位于截面C和端面F之间。进而，截面A和截面B之间的区域形成第一测量站组130和第二测量站组140的公共扫描范围；截面C和截面D之间的区域形成第二测量站组140和第三测量站组150的公共扫描范围。

综上所述，本发明能够适应于具有大长径比的内部结构复杂的卧式罐400的容积测量。现有激光扫描测量方法无法对大长径比的罐体进行测量，无法对卧式罐400进行多站测量；本测量装置能够将激光扫描器沿罐体轴线方向架设，即可以将激光扫描器沿罐体轴线方向伸入罐体内部进行测量，然后通过对多站测量的点云数据进行拼接的方式获得高精度的测量数据，解决了目前现有技术不能够针对大长径比罐体容积测量的问题，可测长径比可达到5:1及以上，甚至达到几十比1的卧式罐体容积。

本发明通过合理设站，能够实现罐体点云数据的高精度测量，且点云数据精度相同，能够有效地提高罐体容积计算精度。通过设置最小掠射角的方式沿罐体轴线方向合理设站，在每站所测点云数据中，只保留激光扫描器激光光线与被测罐体夹角不小于最小掠射角的测量范围内的点云数据，保证单站测量数据精度一致，最终将多站测量数据通过相邻两测站公共扫描范围中的靶标拼接起来，从而获得等精度的完整的罐体点云数据，能够有效地提高罐体容积测量精度。

本发明提出的技术方案能够对内部结构复杂的卧式罐400容积进行高效率、高精度测量。现有测量方法无对内表面有筋、肋、防晃板等细节结构的罐体进行测量；本发明通过设置多组测量站组100，多组激光扫描器110快速扫描获得海量点云数据，能够构建精确的罐体三维模型，相比于传统的测量方法，测量精度和测量效率更高。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置，其特征在于：包括测量站组(100)、拼接靶标(200)和处理器(300)，

所述测量站组(100)沿卧式罐(400)轴线方向间隔设置若干，且扫描卧式罐(400)各段获取点云数据；

所述拼接靶标(200)设置于相邻两组所述测量站组(100)之间，且位于相邻两组测量站组(100)的公共扫描范围；

所述处理器(300)连接所述测量站组(100)，且所述处理器(300)接收所述测量站组(100)的点云数据，并对接收的点云数据进行拼接，以及基于拼接后的点云数据计算容积值。

2.根据权利要求1所述的大长径比卧式罐(400)容积多站三维激光扫描内测装置，其特征在于：所述测量站组(100)包括激光扫描器(110)、以及支撑所述激光扫描器(110)的支撑架(120)。

3.根据权利要求1所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置，其特征在于：所述拼接靶标(200)包括多个靶标，且所述多个靶标位于不同的直线上。

4.一种大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，使用权利要求1-3任一项所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测装置，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在卧式罐(400)内且沿罐体轴线方向间隔设置若干组测量站组(100)；

步骤2、相邻两组测量站组(100)之间公共扫描范围内设置拼接靶标(200)；

步骤3、控制各组测量站组(100)在有效扫描范围内对卧式罐(400)罐段执行扫描，获取各罐段的点云数据；

步骤4、基于获取的相邻所述罐段的点云数据和相邻罐段之间的拼接靶标(200)对相邻所述罐段的点云数据进行拼接，得到卧式罐(400)整体的点云数据；

步骤5、基于获取的卧式罐(400)整体的点云数据计算容积值。

5.根据权利要求1所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，其特征在于：确定所述有效扫描范围的步骤，包括：

基于所述卧式罐(400)圆柱面的母线与所述测量站组(100)激光光线所夹的最小掠射角α确定有效扫描范围；在所述有效扫描范围内，所述激光光线与所述母线的夹角大于或等于所述最小掠射角α。

6.根据权利要求4或5所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，其特征在于：确定所述公共扫描范围的步骤，包括控制相邻两组测量站组(100)的有效扫描范围局部叠加形成公共扫描范围。

7.根据权利要求5所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，其特征在于：计算所述最小掠射角的步骤，包括

获取激光扫描器(110)的激光光线直径d，预设测量偏差值e，所述最小掠射角α＝arctan(d/e)，其中，激光光线直径d、测量偏差值c的单位为毫米。

8.根据权利要求4-7任一项所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，其特征在于：基于所述卧式罐(100)的长度、卧式罐(400)内部结构的复杂程度、激光扫描器(110)测量精度和罐体容积测量目标精度确定所述测量站组(100)的安装数量。

9.根据权利要求4所述的大长径比卧式罐容积多站三维激光扫描内测方法，其特征在于：所述卧式罐(400)内且沿罐体轴线方向间隔设置若干组测量站组(100)的步骤，包括：将单个所述测量站组(100)设置在所述罐体内执行扫描，扫描后将所述测量站组(100)沿所述罐体轴线方向换站，每次换站后执行扫描，获取各罐段的点云数据。

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