[發明專利]一種隧道三維形貌快速建模的方法

有效

• 申請號: 202110332984.3
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113223168B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 鄭軍;畢江海;林建宇;陳浙泊;王振文;王繼軍;張望;陳鎮元;馬浩;袁國堂;尹紹杰;邵園園;楊揚戩;林鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學臺州研究院;中國鐵建電氣化局集團有限公司;中鐵建電氣化局集團第三工程有限公司
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10;G06T17/20;G06F16/25;G01S17/88;G01B11/24
• 代理公司: 杭州天昊專利代理事務所(特殊普通合伙) 33283
• 代理人: 董世博

1.一種隧道三維形貌快速建模的方法，其特征在于，包括檢測車,檢測車車輪軸承相應位置設置旋轉編碼器，檢測車車體相應位置設置二維激光雷達和傾角傳感器；旋轉編碼器與控制器PLC連接，并將相應轉換計算后的數據傳送給上位機，二維激光雷達將獲取的相應信息以TCP/IP協議的通信方式發送給上位機，傾角傳感器將采集到的X軸、Y軸的傾斜角度以串口通信方式發送給上位機；

具體的建模步驟如下：

1)數據采集步驟：旋轉編碼器、二維激光雷達和傾角傳感器采集相應的數據；

2)數據處理步驟：上位機同時開啟三個線程，分別輪詢步驟1)中的三個接收端口，分別保存里程數據、二維激光雷達發送的截面數據和傾角傳感器發送的X、Y兩軸的傾斜角度數據；

上位機中剔除里程數變化值小于設定值的里程數據；再根據保存數據的時間戳，選取對應的截面數據與傾斜角度數據并保存，形成相應的三維數據；

3)濾波處理步驟：上位機將三維坐標點數據保存至數據庫，再根據里程范圍從數據庫中讀取相應三維建模的三維坐標點數據；將相應三維坐標點數據進行濾波處理，剔除離群點；

濾波處理是對每個Z軸數據對應的那組(X、Y)二維坐標點數據進行離群點濾波，其具體如下：

首先遍歷該組(X、Y)二維坐標點集，求解該點集中的每個點和臨近點距離的平均值；再求該點集中的每個點和臨近點距離的標準差；最后由平均值μ和標準差σ確定一個范圍，離群點被定義為該點和臨近點的平均距離不在該范圍內的點，記錄這些離群點對應的臨近點，并將這些離群點從數據點集中刪除即可；

4)數據增補步驟：對步驟3)處理后的數據進行修補處理和增密處理；修補處理是對記錄的每組臨近點做修補，其具體處理步驟如下：

4.1.1)依次對記錄的每組臨近點求出距離最短的兩坐標點(X1，Y1)、(X2，Y2)；

4.1.2)判斷每組所求最短距離是否大于μ+3*σ且小于2*(μ+3*σ)，若是，則將對應的坐標點((X1+X2)/2,(Y1+Y2)/2)添加到點集中；

增密處理是對修補處理后的新點集進行插值處理，使得數據密度變得比較均勻，其具體處理步驟如下：

4.2.1)遍歷新點集，求每個點的最近點，若該點和最近點的間距大于設定距離1且小于設定距離2時，則將兩點的中間點添加到點集中；

4.2.2)重復遍歷步驟4.2.1)執行得到的點集，直到點集中的所有點和最近點的間距在設定距離1至設定距離2范圍內，都得到處理；

5)數據重建步驟：將在步驟4)處理后的數據進行隧道曲面重建，具體處理如下：

5.1)將步驟4)處理后的數據通過法線投影到二維坐標平面內；

5.2)對投影得到的數據做平面內的三角化，從而得到各點的拓撲連接關系；平面三角化的過程中用到了基于Delaunay三角剖分的空間區域增長算法；

5.3)根據平面內投影點的拓撲連接關系確定各原始三維點間的拓撲連接，所得三角網格即為重建得到的隧道曲面模型。

2.根據權利要求1所述的一種隧道三維形貌快速建模的方法，其特征在于：二維激光雷達安裝高度距離軌面1m，檢測車檢測過程中設定的最高時速為2.5公里每小時，二維激光雷達采用能對5m遠處的目標物進行掃描的，且二維激光雷達采用的是一個截面的一次掃描傳輸時間為20ms的；當二維激光雷達完成一個截面的一次掃描并完成傳輸數據時，檢測車每20ms時間的最大行駛距離為1.39cm，故上位機將里程數變化值設定為2cm；

為采集連續若干段隧道的弧形截面，將二維激光雷達的起始測量角度設定為-45°，終止測量角度設定為225°，共270°，每0.25°測量一個，每段共得到1081個測量數據。

3.根據權利要求2所述的一種隧道三維形貌快速建模的方法，其特征在于：相鄰的測量點間距即為與里程數變化值設定值相近，對于采集連續若干段同半徑的弧形截面，可形成點間距為2cm的三維點數據，即采集的原始點數據精度達到2cm。