基于三维激光扫描技术的航电工程机电安装细节控制方法与流程

本发明属于三维激光扫描技术与基于采样点数据的机电安装细节控制交叉领域，更具体的说，是涉及一种基于三维激光扫描技术的航电工程机电安装细节控制方法。

背景技术：

1、航电工程机电安装过程对安装精度的管控极其严格，如果在安装过程当中没有按照规范要求作业，会给后续航电工程机电设备的运行留下极大隐患。所以在机电安装过程当中，必须对安装过程中各项细节进行管控，严格按照规范和技术标准验收作业，保证设备的顺利运转，减少由于安装过程的疏漏引发的故障，影响设备的后续使用。

2、在航电工程水轮发电机的整个安装流程中，测量与检测技术都显得尤为重要。首先要保证基础施工的平整度与深度，精确组装定子，严格控制焊接质量。按水轮机主轴中心、高程、水平精确进行调整定位，测量转子与定子间的空气间隙，使周围空气间隙均匀。最后，测量、调整机组主轴线摆度，保证主轴线的精度。对整个航电机电安装的过程而言，建立精确感知系统都有着重要意义。

3、目前航电工程机电安装是通过布置监测点，人工采用全站仪、百分表等设备进行连续或定期的检测，并通过分析监测点坐标偏差以实现安装精度的分析与反馈控制。在该过程中，采样点数据的准确性和反馈的时效性对机电安装过程控制有至关重要的作用，进而对航电工程安全与稳定运行产生影响。然而，传统的机电金结安装过程管控手段仅能实现安装过程中关键参数的抽检，难以实现机电安装过程数据的快速、自动化智能感知与反馈控制，新兴的三维激光扫描技术可以解决该问题，因此本发明结合三维激光扫描技术开展航电工程机电安装细节控制方法研究。

4、鉴于安装现场情况较为复杂，采样点数据的质量会受到人员移动、遮挡、仪器本身参数等多种因素的影响，传统人工检测方式难以在效率和自动化程度上取得令人满意的效果。三维激光扫描作为新兴的一项实景建模技术，在定位测绘的领域发展已相当成熟，很多学者针对三维激光扫描仪在工程领域应用和点云数据的自动提取与分析工作开展了相关研究。马利等人[1]将三维激光扫描技术应用于道路工程的测绘，并建立起点云分析流程，进行平面虚拟测量、dem建模、等高线、纵横断面等模型生成，并与全站仪数据采集进行了精度比较，可以满足道路工程测绘的精度要求；任洪文等人[2]提出了一种基于三维激光扫描仪的矿区未知采空区的轮廓边界和空间定位方法，克服了传统作业方式精度差、危险高的特点。朱龙军[3]等人使用三维激光扫描仪验收建筑质量，对全区域进行扫描，利用扫描的点云提取建筑条件点、高度和轮廓线，与传统测量方式相比，判断点位平面、高程、边长精度等是否符合规范，有效避免漏检导致的返工作业。丁鸽[4]等人使用三维激光扫描技术监测隧道、桥梁等大型建筑物，并使用随机抽样一致性算法进行直线拟合，根据几何位置计算中轴线，实现隧道扫描点云横断面提取。吴俊河[5]等人基于地面三维激光扫描数据，提出一种针对矩形窗户的边界提取算法，可以快速获取建筑立面丰富的细节信息，在数字城市三维精细化建模中有较大的应用优势。

5、综上所述，现有研究三维激光扫描仪在工程领域应用和点云数据的自动提取与分析工作已经有了一定的研究，然而，水轮机组作为航电站的核心设备，其结构复杂、部件众多，对安装精度和质量控制要求极高。传统的测量和建模方法往往难以满足这些要求，很难考虑航电工程机电安装过程中的反馈信息的时效性和构件立面的完整性，缺乏通过先进的感知和分析手段感知采样点的空间位置信息。因此，可以利用三维激光扫描技术捕捉航电机电设备的真实形态和外观，快速准确的采集大量的细节信息，然后将其转换为点云或多边形网格（比如stl文件格式）。然后，通过分析其点云数据，建立高质量、精准的模型，快速制定对现场安装的指导方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种基于三维激光扫描技术的航电工程机电安装细节控制方法。发明结合三维激光扫描技术提出一种点云数据分析方法，为机电的高效率、高准确性指导方案设计提供新思路和新方向。

2、本发明的目的可通过以下技术方案实现。

3、本发明基于三维激光扫描技术的航电工程机电安装细节控制方法，包括以下步骤：

4、第一步：数据采集

5、使用三维激光扫描仪作为数据采集平台，勘探目标区域，指定标靶点、测站点位置，在测站点放置三维激光扫描仪，完成目标区域的原始点云数据采集工作；

6、第二步：数据处理

7、使用计算机远程读取三维激光扫描仪采集到的原始点云数据，上传至云端，存储至数据库，将原始点云数据解译为点云通用格式；

8、第三步：模型分割

9、使用基于随机抽样一致性算法的点云分割技术对解译后的原始点云数据进行分割，提取面片，拟合标靶球；

10、第四步：分析反馈

11、根据解算到的标靶球数据，对待安装机电构件的结构和位置进行仿真模拟，与规范要求和设计图纸进行坐标偏差值比对，确定最终的安装细节指导方案并反馈给现场安装人员。

12、进一步地，第一步中设置三维激光扫描仪参数，包括扫描角度、扫描分辨率、扫描质量。

13、进一步地，第二步中将三维激光扫描仪采集到的原始点云数据以文件流的形式上传至云端，存储至数据库，并根据扫描序号借助开发工具sdk读取采集到的原始点云数据的三维空间信息并将其输出为.txt文件或者.xyz文件点云通用格式。

14、进一步地，第三步中借助pcl点云库，使用基于随机抽样一致性算法的点云分割技术对解译后的原始点云数据划分为面片和标靶球区域，具体过程为：

15、s1平面分割

16、s1.1预处理：对解译后的原始点云数据进行去噪和范围滤波；

17、s1.2在预处理后的点云数据中随机选取三个点，组成一个平面；

18、s1.3用剩下的点云数据去检验该平面模型，计算其余所有点到该平面的距离，如果小于设定的阈值，则认为同一个平面当中的点，归类为该平面的内点，加入该平面内点集合，同时记录下该平面的内点个数；

19、s1.4重复步骤s1.2至s1.3迭代计算，直至迭代次数达到设定的迭代阈值，循环终止，此时得到若干个平面模型，每个平面模型对应若干个内点；

20、s1.5保存内点最多的平面模型并将对应的内点从预处理后的点云数据中剔除；

21、s1.6重复步骤s1.2至s1.5，直至无显著平面，即所有平面都分割完成。

22、s2球体分割

23、s2.1从剔除后剩余的点云数据中随机选取四个点构成一个球体，计算出该球体模型的参数；

24、s2.2用剩下的点云数据去检验该球体模型，计算其余所有点到该球体的距离，如果超过设定的阈值，则被分类为离群值；如果在设定的阈值内，则认为同一个球体当中的点，归类为该球体的内部点，加入该球体内部点集合，同时记录下该球体的内部点个数；

25、s2.3重复步骤s2.1和s2.2迭代计算，直至迭代次数达到设定的迭代阈值，循环终止；

26、s2.4选择出包含内部点最多的球体模型，作为标靶球模型，将其球心坐标、半径以及球体模型参数保存并输出。

27、进一步地，步骤s1.1预处理的具体过程：

28、s1.1.1去噪：使用统计滤波或半径滤波消除解译后的原始点云数据中的噪声点；

29、s1.1.2范围滤波：对去噪后的点云数据进行裁剪，裁剪至感兴趣区域，移除无关部分。

30、进一步地，第四步中建立一套符合现场情况的分析规则，并对现场待安装机电构件结构进行仿真模拟，求得与设计图纸和规范要求的偏差量，根据偏差量确定最终的安装细节指导方案并反馈给现场安装人员，具体为：首先按照规范要求和设计图纸对待安装机电构件进行精细建模，作为比对端的参考模型；然后针对反馈的标靶球参数进行精细建模，与待安装机电构件三维模型在实测采样点位置组合布设，获得实测待安装机电构件三维模型；其次将实测待安装机电构件三维模型与比对端的参考模型进行比对，获得二者之间位置偏差值；最后根据偏差量的大小确定对现场安装细节的指导调整方案，发送至现场安装人员的移动客户端，给现场安装作业提供输出反馈，输出调整距离、相对方位的显示和提醒信息。

31、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

32、本发明结合三维激光扫描技术建立起机电安装现场的点云数据模型，通过随机抽样一致性算法来分割点云模型，并根据标靶球球心坐标对待安装机电构件（如水轮机组和发电机组件）进行仿真模拟，与规范要求及设计图纸比较，获取偏差量，从而在实际工程现场安装中快速准确地确定对安装细节的指导方案，提高安装过程的自动化和智能化水平，同时为安装细节的质量控制方定提供一种新思路和新方法。