一种基于激光跟踪的核电管道建模方法技术

本发明专利技术提供一种基于激光跟踪的核电管道建模方法，属于核电工程测量技术领域。该基于激光跟踪的核电管道建模方法包括如下步骤：S1：采用激光跟踪仪采集三维坐标；S2：分别对多个特征点的三维坐标进行中心化处理形成中心化三维坐标；S3：构造优化模型，获取最佳参数；S4：获取各个特征点的圆度偏差，统计出所有圆度偏差大于预设偏差的异常特征点，将所有异常特征点剔除并返回步骤S3，如果所有特征点的圆度偏差均不大于预设偏差，则向下执行；S5：根据最佳参数分别获取圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标。本发明专利技术的方法不用计算初始值，减少了计算量，方便实用。方便实用。方便实用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光跟踪的核电管道建模方法


[0001]本专利技术涉及核电工程测量
，具体涉及一种基于激光跟踪的核电管道建模方法。

技术介绍

[0002]核电主设备安装精度要求很高，为了确保测量精度，需要采用激光跟踪仪采集数据并进行建模，如核岛主管道、波动管等。目前已有的一些方法计算复杂，准确度不高，难以满足核电主设备安装精度要求。
[0003]中国专利CN108074283A、公开日2018
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25公开了一种地下管线三维自动化建模方法，包括外业调绘、井室模型分类、数据标准化处理、拓扑检查、数据关联、自动化建模、场景操作几个步骤，能够快速高效地实现管线的精细化建模，改进了传统的地下管线三维建模方法，提高了建模的精度，同时节约了人力，降低了管线自动化建模的时间。上述专利中的计算方法复杂，准确度不高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，针对上述现有技术的不足，提出一种基于激光跟踪的核电管道建模方法。
[0005]本专利技术提出一种基于激光跟踪的核电管道建模方法，包括如下步骤：S1：采用激光跟踪仪采集圆柱体管道表面的多个特征点的三维坐标；S2：分别对多个特征点的三维坐标进行中心化处理形成中心化三维坐标；S3：构造优化模型，将多个特征点对应的中心化三维坐标输入优化模型内进行优化以获取最佳参数；S4：根据最佳参数分别获取各个特征点的圆度偏差，统计出所有圆度偏差大于预设偏差的异常特征点，将所有异常特征点剔除并返回步骤S3，如果所有特征点的圆度偏差均不大于预设偏差，则向下执行；S5：根据最佳参数分别获取圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标，根据圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标构造圆柱体模型。
[0006]进一步地，步骤S1中采用激光跟踪仪配合靶球采集圆柱体管道表面的多个特征点的三维数据，采集的特征点在圆柱体管道表面分布均匀且覆盖整个圆柱体管道。
[0007]进一步地，步骤S1中采集的特征点的三维坐标为，其中为特征点在X方向的坐标，为特征点在Y方向的坐标，为特征点在Z方向的坐标，步骤S2中三维坐标中心化具体包括：特征点X方向的中值坐标，特征点Y方向的中值坐
标，特征点Z方向的中值坐标，特征点中心化处理后X方向的中心化坐标，特征点中心化处理后Y方向的中心化坐标，特征点中心化处理后Z方向的中心化坐标，特征点的三维坐标进行中心化处理形成中心化三维坐标为。
[0008]进一步地，步骤S3中构造优化模型具体包括：步骤S31：构造表示圆柱面的第一函数模块，其中，，，圆柱面其轴线方向向量为，中轴线上一点坐标为，圆柱面上特征点的坐标为，圆柱半径为；步骤S32：令为单位向量，即，根据第一函数模块构造基于空间坐标系圆柱面上的点到圆柱中轴线的距离与圆柱面半径之差的第二函数模块，其中；步骤S33：步骤S2中特征点的三维坐标进行中心化处理形成中心化三维坐标为，参考球面坐标系令，根据第二函数模块构造基于球面坐标系圆柱面上的点到圆柱中轴线的距离与圆柱面半径之差的第三函数模块，为了减少参数数量令，其中；步骤S34：采用最小二乘法得到函数，对函数进行最优化，即求解，其中，令，，对函数求一阶偏微分：
，，，，，获取雅可比矩阵：。
[0009]进一步地，步骤S34中对雅可比矩阵采用LM算法进行优化以获取最佳参数，令步骤S3获取的最佳参数为。
[0010]进一步地，对雅可比矩阵采用LM算法进行优化，包括如下步骤：步骤S341，选取参数，初始点，容许误差，令，表示迭代开始；步骤S342，令，计算迭代值，若，停止迭代，输出作为近似极小点，其中表示第k次迭代得到的参数值，表示将代入雅可矩阵中获得的值，表示k次迭代得到的雅可比矩阵，为将代入中得到的值，表示残差向量；步骤S343，求解方程组，解出；步骤S344，计算，若，，，若，不更新，，令，转步骤S342，其中表示阻尼因子，表示第k次迭代得到的阻尼因子，表示迭代次数加1；每次迭代后会得到一组新的值，逐次迭代后，
会逐渐变小，梯度范数值逐渐变小，经过k次迭代后，当达到设定的限差要求后迭代终止，此时得到的作为最佳参数。
[0011]进一步地，在步骤S341中的参数为0.001，初始点为，根据步骤S341~步骤S344逐次迭代，当梯度范数值小于容许误差时迭代停止。
[0012]进一步地，步骤S4中将最佳参数输入第三函数模块中分别获取各个特征点的圆度偏差，统计出圆度偏差大于预设偏差的异常特征点为个，在剔除个异常点后返回步骤S3，再次进行优化得到最佳参数，令步骤S4获取的最佳参数为。
[0013]进一步地，步骤S4中根据式子获取圆度偏差RMSE值，将预设偏差设置为两倍圆度偏差RMSE值，如果特征点的圆度偏差超过两倍预设圆度偏差RMSE值，则将该特征点视为异常点，将该特征点剔除。
[0014]进一步地，将圆柱中轴线上一点的坐标进行平移，则圆柱中轴线上一点的坐标为，圆柱中轴线向量为，圆柱半径为。
[0015]本专利技术的一种基于激光跟踪的核电管道建模方法有以下有益效果：1、本专利技术中的方法获取最佳参数，根据最佳参数分别获取各个特征点的圆度偏差，如果圆度偏差大于预设偏差则说明该特征点为异常特征点，统计出所有异常特征点的个数，将所有异常特征点剔除，将剩余特征点的中心化三维坐标重新输入优化模型内，再次获取最佳参数，最后根据最佳参数分别获取圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标，根据圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标构造圆柱体模型，可以快速准确对圆柱形管道进行建模，本专利技术的方法不用计算初始值，减少了计算量，方便实用，保证建模精度；2、本申请中输入优化模型内的数据为中心化处理的数据，中心化可以有效地改变
数据结构，大幅度减少迭代过程中出现奇异的可能性，提高优化的精度。
附图说明
[0016]并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且与描述一起用于解释本专利技术的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本专利技术实施例的一种基于激光跟踪的核电管道建模方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例的一种基于激光跟踪的核电管道建模方法中构造圆柱体模型的七个参数在圆柱体模型上的结构示意图。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0019]请参阅图1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光跟踪的核电管道建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：采用激光跟踪仪采集圆柱体管道表面的多个特征点的三维坐标；S2：分别对多个特征点的三维坐标进行中心化处理形成中心化三维坐标；S3：构造优化模型，将多个特征点对应的中心化三维坐标输入优化模型内进行优化以获取最佳参数；S4：根据最佳参数分别获取各个特征点的圆度偏差，统计出所有圆度偏差大于预设偏差的异常特征点，将所有异常特征点剔除并返回步骤S3，如果所有特征点的圆度偏差均不大于预设偏差，则向下执行；S5：根据最佳参数分别获取圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标，根据圆柱半径、圆柱中轴线向量、圆柱中轴线上一点的坐标构造圆柱体模型。2.如权利要求1所述的一种基于激光跟踪的核电管道建模方法，其特征在于：步骤S1中采用激光跟踪仪配合靶球采集圆柱体管道表面的多个特征点的三维数据，采集的特征点在圆柱体管道表面分布均匀且覆盖整个圆柱体管道。3.如权利要求1或2所述的一种基于激光跟踪的核电管道建模方法，其特征在于，步骤S1中采集的特征点的三维坐标为，其中为特征点在X方向的坐标，为特征点在Y方向的坐标，为特征点在Z方向的坐标，步骤S2中三维坐标中心化具体包括：特征点X方向的中值坐标，特征点Y方向的中值坐标，特征点Z方向的中值坐标，特征点中心化处理后X方向的中心化坐标，特征点中心化处理后Y方向的中心化坐标，特征点中心化处理后Z方向的中心化坐标，特征点的三维坐标进行中心化处理形成中心化三维坐标为。4.如权利要求1或2所述的一种基于激光跟踪的核电管道建模方法，其特征在于，步骤S3中构造优化模型具体包括：步骤S31：构造表示圆柱面的第一函数模块，其中，，，圆柱面其轴线方向向量为，中轴线上一点坐标为，圆柱面上特征点的坐标为，圆柱半径为；步骤S32：令为单位向量，即，根据第一函数模块构造基于空间坐标系圆柱面上的点到圆柱中轴线的距离与圆柱面半径之差的第二函数模块，其中；步骤S33：步骤S2中特征点的三维坐标进行中心化处理形成中
心化三维坐标为，参考球面坐标系令，根据第二函数模块和中心化三维坐标构造基于球面坐标系圆柱面上的点到圆柱中轴线的距离与圆柱面半径之差的第三函数模块，为了减少参数数量令，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦锋，鹿松，姜洋，汪金海，陈伟星，安文斌，李来新，
申请(专利权)人：三门核电有限公司，
类型：发明
国别省市：