基于激光掃描的大型鋼結(jié)構(gòu)快速建模的技術(shù)應(yīng)用

李平川 吳剛將 許露

摘要：針對(duì)目前大型鋼結(jié)構(gòu)的加工、裝配等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)全站儀等測(cè)量方法存在精度不夠、效率不高等問(wèn)題，提出采用激光掃描技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件點(diǎn)云處理算法，快速實(shí)現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)的快速測(cè)量建模，為實(shí)際裝配提供依據(jù)。重點(diǎn)涉及三維空間點(diǎn)云的處理和擬合，提高實(shí)時(shí)處理速度，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的精度與實(shí)時(shí)性要求。為大型鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代制造、測(cè)量與裝配提供了參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：激光掃描;大型鋼結(jié)構(gòu);空間點(diǎn)云;快速建模

1 引言

大型鋼結(jié)構(gòu)件曲面造型復(fù)雜，制造工藝技術(shù)難度大，其形貌尺寸測(cè)量問(wèn)題已成為制約大型裝備研制及技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。在現(xiàn)場(chǎng)條件下，大型構(gòu)件復(fù)雜曲面的測(cè)量需要同時(shí)滿足大尺度、高點(diǎn)云密度、高精度以及高效率等要求。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到三維測(cè)量的技術(shù)突破[1]。為此，本文提出一種大型鋼結(jié)構(gòu)高分辨率的自動(dòng)化測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)多組局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度拼接，通過(guò)激光掃描實(shí)現(xiàn)了大型構(gòu)件的高精度測(cè)量。

2 系統(tǒng)組成及原理

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。三維激光掃描儀作為三維激光掃描系統(tǒng)的主要組成部分，是由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD機(jī)以及軟件等組成。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。它是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。如圖1所示，線光源產(chǎn)生狹窄的激光平面（寬度小于0.5mm），投射于被掃描物理表面，形成一條光條紋，攝像機(jī)光軸與激光投射面L成一個(gè)角度α。這樣，攝像機(jī)拍攝的光條紋圖像不是一條直線，其形狀就反映了物體表面的形狀，在一幅圖像中可以計(jì)算出所有位于激光照射線上的點(diǎn)的深度和高度。當(dāng)物體以固定的角速度ω旋轉(zhuǎn)一周，激光投射面L掃過(guò)物體表面，其上所有點(diǎn)的深度和高度信息都可以算出，如果用柱坐標(biāo)系，取h軸與物體旋轉(zhuǎn)軸重合，那么物體表面上每一點(diǎn)的極角坐標(biāo)可以從ω算出。

4 ?大尺寸鋼結(jié)構(gòu)激光掃描案例分析

如圖3所示是某個(gè)大型鋼結(jié)構(gòu)的三維掃描點(diǎn)云圖，三維空間點(diǎn)云數(shù)量達(dá)到了2億多個(gè)。點(diǎn)云中的離群點(diǎn)基本被消除，擬合平面及曲面整體較為光滑。經(jīng)過(guò)基于ICP算法的配準(zhǔn)后，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標(biāo)系下。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后即可建立整體鋼結(jié)構(gòu)件的三角網(wǎng)格面，針對(duì)由于數(shù)據(jù)殘缺而出現(xiàn)的局部孔洞，可利用軟件自帶算法進(jìn)行殘缺數(shù)據(jù)補(bǔ)全（擬合），得到較好的封閉面。

有了三維重建的模擬尺寸圖，在統(tǒng)一軟件坐標(biāo)系下，對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)件的掃描尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的差異進(jìn)行對(duì)比分析，可以局部縮放精細(xì)化地考察實(shí)測(cè)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的偏差，進(jìn)行加工質(zhì)量的評(píng)估，為修正構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)合格的產(chǎn)品提供依據(jù)。如圖4所示，構(gòu)件底部的局部尺寸的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的誤差用彩色云圖予以表達(dá)，顏色深的表示偏差越大，最大值在底板右側(cè)，為-3.535mm。

5 總結(jié)

本文利用三維激光掃描儀獲取了大型鋼結(jié)構(gòu)件的實(shí)測(cè)三維點(diǎn)云，運(yùn)用雙邊濾波算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪，得到了較光滑的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了精簡(jiǎn)以便降低點(diǎn)云密度，提高后續(xù)點(diǎn)云配準(zhǔn)和三維重構(gòu)的速度和效率。通過(guò)三維掃描數(shù)據(jù)處理形成擬合三維模型，擬合三維模型符合構(gòu)件實(shí)體的外形實(shí)際情況，擬合三維模型與實(shí)體鋼結(jié)構(gòu)的外形尺寸的吻合度精度偏差≤0.5mm。另外，計(jì)算機(jī)運(yùn)行硬件平臺(tái)為高性能計(jì)算工作站，測(cè)量速度和后續(xù)軟件的擬合計(jì)算速度可以做到每平方米的點(diǎn)云計(jì)算量在一分鐘內(nèi)完成，總體效率滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要。

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作者簡(jiǎn)介：李平川，1970年12月，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，研究方向：大型鋼結(jié)構(gòu)高精加工及裝配技術(shù)