一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法技术

本发明专利技术公开了一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法，包括获取不同形态的管片点云数据，经过预处理后，根据预处理后的的管片点云数据，得到管片的特征尺寸；基于单环管片标准模型，根据预处理后的多个不同形态的管片点云进行拼装，提取单环管片间竖向缝隙的计算位置，得到单环管片间特征尺寸；基于三环管片标准模型，将预处理后的不同形态的管片点云进行拼装，提取三环管片间竖向与横向缝隙的计算位置，得到三环管片间的特征尺寸；根据管片特征尺寸判断自动化拼装是否达到预设的精度，若达到，则采用设备扫描待拼装管片的点云三环扫描数据，进行待拼装管片拼装，拼装完成后进行管片间隙测量，完成管片的预拼装。完成管片的预拼装。完成管片的预拼装。

【技术实现步骤摘要】
一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工领域，具体是一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法。

技术介绍

[0002]由于自动化程度高、施工精度高、掘进速度快、环境适应性好，盾构工法在现代地铁建设项目中得到广泛应用。该技术的一个显着优势是预制盾构混凝土管片的高效施工组件，该管片主要形成称为管片环的圆形衬里。然而，大量隧道项目施工证明盾构管片装配过程的施工质量控制具有极高挑战性，诸如节段环错位、变形乃至漏水等质量问题。为了确保隧道外观均匀性并避免隧道使用寿命期间安全事故风险，对管片装配工作进行及时准确的检测具有重要意义。
[0003]按照传统的检测方法，管片在出厂前须进行三环预拼装试验，检测管片尺寸精度和形位偏差是否符合设计和规范要求，但现场拼装难度大、效率慢、检测数据不全，还需配备操作人员，占用大量的场地，增加了资源投入，因此，开发一种虚拟拼装技术代替实体预拼装是新的发展趋势。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法，包括如下步骤:
[0005]获取不同形态的管片点云数据，并分别对不同形态的管片点云数据进行预处理，经过预处理后，分别将不同形态的管片点云数据转换为型心位于原点、且主方向一致的标准件点云数据；根据预处理后的的管片点云数据，得到管片的特征尺寸；
[0006]基于单环管片标准模型，根据预处理后的多个不同形态的管片点云进行拼装，提取单环管片间竖向缝隙的计算位置，得到单环管片间特征尺寸；
[0007]基于三环管片标准模型，将预处理后的不同形态的管片点云进行拼装，提取三环管片间竖向与横向缝隙的计算位置，得到三环管片间的特征尺寸；
[0008]根据管片特征尺寸判断自动化拼装是否达到预设的精度，若达到，则采用设备扫描待拼装管片的点云三环扫描数据，进行待拼装管片拼装，拼装完成后进行管片间隙测量，完成管片的预拼装。
[0009]进一步的，所述的完成自动化拼装后，通过KDtree搜索算法，建立特征点数据集，通过特征点数据集中点与点之间的关系，得到管片特征尺寸，包括：
[0010]S1，将B点云与A点云配准，其中A点云为管片的CAD标准模型转化的点云数据，B点云为扫描管片生成的点云数据；
[0011]平面内两非平行向量的叉积为该平面的法向量，根据两向量相乘的前后顺序计算得到两个方向相反的法向量，用公式表示为：
[0012]平面内两非平行法向量：a,b
[0013]a
×
b＝c
[0014]c为法向量，分别获取A点云和B点云的法向量c
A
和c
B
，对其进行对比，用相关性最高值作为配准原则进行配准；
[0015]S2，创建点云B的kdtree t1，用于快速搜索点，
[0016]选取(x；y；z)
(1)
为坐标轴，以训练集中的所有数据(x；y；z)
(1)
坐标中的中位数作为切分点，将超矩形区域切割成两个子区域；将该切分点作为根结点，由根结点生出深度为1的左右子结点，左节点对应(x；y；z)
(1)
坐标小于切分点，右结点对应(x；y；z)
(1)
坐标大于切分点；
[0017]对深度为j的结点，选择(x；y；z)
(1)
为切分坐标轴，l＝j(modk)+1以该结点区域中训练数据(x；y；z)
(1)
坐标的中位数作为切分点，将区域分为两个子区域，且生成深度为j+1的左、右子结点。左节点对应(x；y；z)
(1)
坐标小于切分点，右结点对应(x；y；z)
(1)
坐标大于切分点；直到两个子区域没有数据时停止，完成点云数据tree的构造；
[0018]S3，计算p2>p1的单位向量v1，根据位于标准模型A点云p1的坐标和kdtree的结点向下进行搜索，即若tree的结点是(x；y；z)
(1)
＝c以来切分的，那么若p1的坐标小于c，则走左子结点，否则走右子结点；
[0019]S4到达叶子结点时，将其标记为已访问；若点集S中不足k个点，则将该结点加入到S中；若点集S不空且当前结点与p1点的距离小于S中最长的距离，则用当前结点替换S中离p1最远的点；若当前结点不是根节点，执行S3；否则，获取单位向量v1：
[0020]S4，设置搜索半径r，继续采用搜索算法，在t1中查找到p1距离小于r的所有点，得到点集S1，遍历S1，设其中任一点为p
s1
，计算每个p2>p
s1
的单位向量v
s1
；
[0021]S5，设置阈值δ，若v
s1
和v1的点积≥(1
‑
δ)，则将当前p
s1
保存至点集s
v1
中，遍历s
v1
，找到其中距离p1最远的点p
1b
，作为p1在点云B中的对应点，同理得到p
2b
；
[0022]S6，计算p
1b
和p
2b
之间的距离d
12
作为特征尺寸f。
[0023]进一步的，所述的单位向量v1为：
[0024][0025]p1＝(p
1x
，p
1y
，p
1z
)为标准模型A点云的特定点p1，(x1，y1，z1)为扫描模型B点云的KDtree节点1，(x
e
，y
e
，z
e
)为扫描模型B的当前KDtree节点。
[0026]进一步的，所述的单位向量v
s1
为：
[0027][0028]P2＝(p
2x
，p
2y
，p
2z
为标准模型A点云的特定点p2；p
sl
＝(p
s1x
，p
s1y
，p
s1z
)为点集S1其中任一点坐标；(x2，y2，z2)为扫描模型B的KDtree节点2；(x
s1
，y
s1
，z
s1
)为与p
sl
对应的扫描模型B的KDtree节点。
[0029]进一步的，所述的点集s
v1
为：
[0030][0031]s
v1
为遍历S1，每个p2>p
s1
时的的单位向量，v1为p2>p1时的单位向量。
[0032]进一步的，所述的计算p
1b
和p
2b
之间的距离d
12
作为特征尺寸f：
[0033][0034]根据所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法，其特征在于，包括如下步骤:获取不同形态的管片点云数据，并分别对不同形态的管片点云数据进行预处理，经过预处理后，分别将不同形态的管片点云数据转换为型心位于原点、且主方向一致的标准件点云数据；根据预处理后的的管片点云数据，得到管片的特征尺寸；基于单环管片标准模型，根据预处理后的多个不同形态的管片点云进行拼装，提取单环管片间竖向缝隙的计算位置，得到单环管片间特征尺寸；基于三环管片标准模型，将预处理后的不同形态的管片点云进行拼装，提取三环管片间竖向与横向缝隙的计算位置，得到三环管片间的特征尺寸；根据管片特征尺寸判断自动化拼装是否达到预设的精度，若达到，则采用设备扫描待拼装管片的点云三环扫描数据，进行待拼装管片拼装，拼装完成后进行管片间隙测量，完成管片的预拼装。2.根据权利要求1所述的一种采用激光点云技术的盾构管片虚拟预拼装方法，其特征在于，所述的完成自动化拼装后，通过KDtree搜索算法，建立特征点数据集，通过特征点数据集中点与点之间的关系，得到管片特征尺寸，包括：S1，将B点云与A点云配准，其中A点云为管片的CAD标准模型转化的点云数据，B点云为扫描管片生成的点云数据；平面内两非平行向量的叉积为该平面的法向量，根据两向量相乘的前后顺序计算得到两个方向相反的法向量，用公式表示为：平面内两非平行法向量：a,ba
×
b＝cc为法向量，分别获取A点云和B点云的法向量c
A
和c
B
，对其进行对比，用相关性最高值作为配准原则进行配准；S2，创建点云B的kdtree t1，用于快速搜索点，选取(x；y；z)
(1)
为坐标轴，以训练集中的所有数据(x；y；z)
(1)
坐标中的中位数作为切分点，将超矩形区域切割成两个子区域；将该切分点作为根结点，由根结点生出深度为1的左右子结点，左节点对应(x；y；z)
(1)
坐标小于切分点，右结点对应(x；y；z)
(1)
坐标大于切分点；对深度为j的结点，选择(x；y；z)
(1)
为切分坐标轴，l＝j(modk)+1以该结点区域中训练数据(x；y；z)
(1)
坐标的中位数作为切分点，将区域分为两个子区域，且生成深度为j+1的左、右子结点。左节点对应(x；y；z)
(1)
坐标小于切分点，右结点对应(x；y；z)
(1)
坐标大于切分点；直到两个子区域没有数据时停止，完成点云数据tree的构造；S3，计算p2>p1的单位向量v1，根据位于标准模型A点云p1的坐标和kdtree的结点向下进行搜索，即若tree的结点是(x；y；z)
(1)
＝c以来切分的，那么若p1的坐标小于c，则走左子结点，否则走右子结点；S4到达叶子结点时，将其标记为已访问；若点集S中不足k个点，则将该结点加入到S中；若点集S不空且当前结点与p1点的距离小于S中最长的距离，则用当前结点替换S中离p1最远的点；若当前结点不是根节点，执行S3；否则，获取单位向量v1：S4，设置搜索半径r，继续采用搜索算法，在t1中查找到p1距离小于r的所有点，得到点集S1，遍历S1，设其中任一点为p
s1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖克霖，张海鹰，李超，刘智敏，张钰，赵杨，刘迪，杨松强，
申请(专利权)人：中交装配式建筑科技有限公司，
类型：发明
国别省市：