一种基于无人机三维扫描与数字孪生的桥梁自动架设全过程监测方法及系统与流程

本发明涉及一种基于无人机三维扫描与数字孪生的桥梁自动架设全过程监测方法及系统。

背景技术：

1、随着装配式桥梁与智能施工技术的发展，预制构件与自动架桥设备在桥梁施工中的应用日益广泛。现有桥梁架设过程中，构件质量检测及架设过程监测主要依赖人工测量、全站仪测量或固定式传感器设备，存在检测范围有限、实时性不足以及数据与施工控制系统耦合度低等问题。

2、在构件出厂阶段，通常采用抽检或局部尺寸检测方式，难以对构件全表面进行高精度检测，导致部分几何误差在架桥过程中才被发现，从而影响施工效率与结构线形精度。

3、在架桥施工阶段，传统监测方式多采用人工测量或少量测点传感器，难以实现桥梁整体空间线形的实时三维监测。同时，监测结果通常需要人工分析后再调整架桥设备，无法形成自动化闭环控制。

4、近年来，无人机三维扫描技术与数字孪生技术逐渐应用于桥梁检测与施工管理领域，但现有技术多集中于桥梁服役阶段监测或施工信息管理，尚未形成覆盖构件出厂检测与架桥过程实时控制的全过程监测体系。

5、因此，亟需一种能够实现桥梁构件出厂质量检测与架桥过程实时三维监测，并可与自动架桥设备形成闭环控制的全过程监测方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种基于无人机三维扫描与数字孪生的桥梁自动架设全过程监测方法及系统，旨在解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提出的一种基于无人机三维扫描与数字孪生的桥梁自动架设全过程监测方法包括：

3、步骤s1、在桥梁预制构件出厂阶段，利用搭载三维扫描仪的无人机对预制构件进行环绕扫描，获取构件全表面点云数据，将所述点云数据与设计模型进行配准与比对，得到构件几何尺寸偏差；根据所述点云数据生成对应于实际构件的三维数字模型，为所述构件分配唯一标识信息，建立实际构件与数字模型的一一映射关系，形成构件级数字孪生模型；

4、步骤s2、将各所述构件级数字孪生模型导入桥梁施工数字孪生系统，构建包含架设顺序及目标线形的桥梁架设数字孪生模型；

5、步骤s3、在桥梁自动架设过程中，利用无人机按预设频率沿桥轴线对已安装构件进行周期性三维扫描，获取桥梁施工现场的实时点云数据；基于所述实时点云数据重建当前桥梁空间几何线形，与所述桥梁架设数字孪生模型中的目标线形进行比对，计算架桥过程中的构件安装偏差和桥梁线形偏差；

6、步骤s4、当所述偏差超过预设阈值时，系统无需人工干预直接生成架桥设备姿态或路径修正指令，并发送至自动架桥设备控制系统，驱动架桥设备自动调整。

7、在一实施例中，所述将所述点云数据与设计模型进行配准与比对，得到构件几何尺寸偏差的步骤具体为：

8、提取点云数据与设计模型中的同名几何特征点，所述同名几何特征点包括构件角点、边缘拐点、预埋螺栓孔中心点、支座垫板中心点中的至少一种；

9、对提取的特征点进行特征描述子匹配，采用ransac算法剔除误匹配点对，基于剩余有效匹配点对计算初始刚体变换矩阵，完成点云数据与设计模型的初始对齐；

10、以粗配准得到的初始变换矩阵为迭代起点，采用迭代最近点算法搜索点云数据与设计模型之间的最近点对，计算使两点集均方误差最小的最优刚体变换矩阵；当迭代次数达到预设最大次数或均方误差小于0.5mm时，终止迭代，完成最终配准。

11、在一实施例中，为所述构件分配唯一标识信息，建立实际构件与数字模型的一一映射关系，形成构件级数字孪生模型的步骤具体为：

12、基于经配准与预处理后的构件点云数据，生成构件初始三维网格模型；对初始网格模型进行孔洞填补、平滑优化与拓扑修复，生成几何模型；

13、按照“预制厂代码+构件类型代码+生产批次号+流水号”的编码规则，为每个构件生成全局唯一的数字标识id；同时生成与该数字标识id绑定的rfid电子标签和二维码标识，粘贴于物理构件的指定位置；

14、将构件的几何尺寸偏差数据、材料性能参数、生产工艺参数、出厂检测报告编号、吊装点位置、安装顺序信息及质量验收记录，全部关联至对应数字标识id下；

15、在桥梁施工数字孪生系统中，建立“物理构件-rfid/二维码标识-数字标识id-几何模型-多源属性数据”的一一对应映射关系。

16、在一实施例中，与所述桥梁架设数字孪生模型中的目标线形进行比对，计算架桥过程中的构件安装偏差和桥梁线形偏差的步骤具体为：

17、对获取的实时点云数据进行背景剔除与噪声过滤，分割出每一个已安装构件的独立点云子集，并匹配对应构件的数字孪生模型；

18、沿桥梁轴线方向每隔0.5-1m取一个垂直于桥轴线的截面，从每个构件的点云子集中提取对应截面的点云数据；

19、计算每个截面点云的形心坐标，得到桥梁中心线离散点集，对中心线离散点集进行分段拟合，直线段采用最小二乘法拟合直线，曲线段采用三次b样条曲线拟合，拟合后进行平滑处理，得到实际桥梁空间几何线形；

20、将每个构件的独立点云子集与对应构件级数字孪生模型进行精配准，计算构件的6个自由度偏差，包括x/y/z三个方向的位置偏差和绕x/y/z轴的姿态偏差；同时计算相邻构件端部的对接间隙偏差、错台偏差以及支座顶面的高程偏差与平面位置偏差；

21、沿实际桥梁空间几何线形每隔1m取一个测点，将测点的三维坐标与桥梁架设数字孪生模型中对应位置的目标线形坐标进行比对，分别计算纵向高程偏差、横向偏移偏差和扭转角偏差；

22、对所有构件安装偏差和桥梁线形偏差进行加权融合，采用相邻测点偏差连续性校验方法剔除异常值，得到最终的偏差计算结果。

23、在一实施例中，所述架桥设备自动调整的调整指令包括以下至少一种：

24、吊装姿态调整指令；

25、构件平移修正指令；

26、构件旋转修正指令；

27、架桥机运动路径调整指令。

28、另外，本发明还提供一种基于无人机三维扫描与数字孪生的桥梁自动架设全过程监测系统，所述基于无人机三维扫描与数字孪生的桥梁自动架设全过程监测系统包括：

29、无人机三维扫描单元，用于在构件出厂阶段和架桥过程中获取桥梁构件的三维点云数据；

30、点云处理与偏差分析单元，用于：将构件点云与设计模型进行配准、生成构件级数字孪生模型、在架桥过程中计算构件安装偏差和桥梁线形偏差；

31、数字孪生管理单元，用于建立桥梁架设全过程数字孪生模型，并存储构件级数字孪生模型；

32、架桥控制接口单元，用于根据偏差分析结果生成架桥设备修正指令，并发送至自动架桥设备控制系统；

33、可视化与预警单元，用于显示桥梁施工状态并输出偏差预警信息。

34、在一实施例中，所述无人机三维扫描单元包括多旋翼无人机和激光三维扫描仪。

35、在一实施例中，所述架桥控制接口单元与自动架桥设备控制系统通过有线或无线通信方式连接。

36、本发明的技术方案中，实现了桥梁构件出厂检测与架桥过程监测的一体化数字孪生体系，同时可以基于实际构件扫描结果建立构件级数字孪生模型，消除了设计模型与实际构件之间的几何误差，提高了后续偏差计算的准确性。并且利用无人机点云数据实时反演桥梁空间线形，实现了全过程三维动态监测。