專利名稱：一種基于三維激光掃描的容積測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間體容積測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三維激光掃描的容積測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外大量使用鐵路罐車、罐式集裝箱作為大宗散裝液體貨物的主要運(yùn)輸工具。其中，鐵路罐車是國家強(qiáng)制檢定的計量器具，其容積檢定結(jié)果既是國家鐵路運(yùn)輸主管部門制定安全裝載量的依據(jù)，也是企業(yè)之間貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，我國目前運(yùn)營的鐵路罐車約有14余萬輛，占鐵路貨車總數(shù)的15%。罐式集裝箱作為公路、水路、鐵路等多種方式聯(lián)運(yùn)的工具，數(shù)量日益增多。對鐵路罐車、罐式集裝箱開展容積檢定工作，即按照相關(guān)計量技術(shù)法規(guī)的規(guī)定測量得到其容積表(罐體內(nèi)裝載液體的不同液位與相應(yīng)容積的數(shù)據(jù)表格)并判斷是否符合法定要求，是保障企業(yè)間貿(mào)易結(jié)算順利進(jìn)行和運(yùn)輸安全的重要手段。
近幾年，隨著國家物流市場的發(fā)展和基礎(chǔ)交通的建設(shè)，貨運(yùn)提速、重載并舉，鐵路罐車、罐式集裝箱制造技術(shù)有了較大發(fā)展。筒體為錐體的鐵路罐車已成為鐵路罐車發(fā)展的主要方向，且數(shù)量越來越多；罐式集裝箱除圓筒形狀外還有弧板式等幾何形狀比較復(fù)雜的箱體。目前鐵路罐車的容積測量方法有幾何測量法和容量比較法，這兩種方法存在著人工勞動強(qiáng)度大、準(zhǔn)確度低、檢定時間長等不同程度的問題。幾何測量法測量不規(guī)則或變形較大的容器時測量誤差大，始終是幾何測量法的發(fā)展瓶頸；容量比較法雖然測量準(zhǔn)確度高，但是檢定時間太長，無法滿足日常大批量的檢定工作。
目前，在相關(guān)的容積計量領(lǐng)域，國內(nèi)采用全站儀測量立式金屬罐的容積，德國、美國等發(fā)達(dá)國家正在嘗試使用三維激光掃描儀測量立式金屬罐的容積。由于鐵路罐車和罐式集裝箱相對立式金屬罐來說容積較小，型號多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量環(huán)境差，全站儀、適用于立式金屬罐的三維激光掃描儀不能用于鐵路罐車和罐式集裝箱的容積測量。
為了提高測量準(zhǔn)確度，降低操作人員的安全風(fēng)險和勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高，新的測量方法一直在不斷研究探索中。
現(xiàn)有技術(shù)一的技術(shù)方案
鐵路罐車和罐式集裝箱容積測量目前在國內(nèi)外都主要采用幾何測量法。幾何測量法是指采用鋼卷尺、套管尺、超聲波測厚儀等計量器具通過測量罐體的相關(guān)幾何特征值，經(jīng)一定的計算方法得出其容積表的方法，一般用于常規(guī)檢定。
現(xiàn)有技術(shù)一需要測量的幾何參數(shù)多，操作復(fù)雜，人員勞動強(qiáng)度大，而且測量過程中受人為因素影響較大；測量過程中罐內(nèi)含氧量不足、有毒、有害、腐蝕介質(zhì)對人身安全造成一定的危害；在測量不規(guī)則或變形大的罐體時誤差較大；隨著貨運(yùn)重載的需求，各種新型車體結(jié)構(gòu)的變化，尤其筒體結(jié)構(gòu)為錐體的罐車成為主流的情況下，對于復(fù)雜形狀的罐體，幾何測量法需要采集的參數(shù)增多，建立符合容器實際情況的數(shù)學(xué)模型難度增大，幾何測量法從測量到計算都存在著一定問題。
現(xiàn)有技術(shù)二的技術(shù)方案
容量比較法是指采用高等級的標(biāo)準(zhǔn)金屬量器，將標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)的液體注入被測容器，測量容器液面高度，經(jīng)過溫度修正等獲得被測容器容積表的方法。容量比較法一般用于仲裁檢定、檢定方法研究和新產(chǎn)品容積認(rèn)證。
現(xiàn)有技術(shù)二容量比較法準(zhǔn)確度較高，但測量時間長、成本高。采用容量比較法檢定時需要把被測容器調(diào)運(yùn)到指定的測量場所，現(xiàn)場測量一輛鐵路罐車大約需要24個小時，測量一輛長度為20英尺的罐式集裝箱約需要12小時，無法滿足全國每年約2萬輛鐵路罐車和數(shù)千輛罐式集裝箱的日常檢定需求。
現(xiàn)有技術(shù)三的技術(shù)方案
國內(nèi)激光測量儀器目前用于容積計量領(lǐng)域的主要是全站儀，全站儀主要用于儲存石油的立式金屬罐的容積測量，通過測量立式金屬罐有限點的坐標(biāo)來計算其容積。目前沒有用于鐵路罐車、罐式集裝箱容積計量方面。
國外以德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-TechnischeBundesanstalt, PTB)和法制計量技術(shù)機(jī)構(gòu)(Eichdirektion Nord7EDN)為代表的部分技術(shù)機(jī)構(gòu)采用三維激光掃描原理的儀器主要用于立式金屬罐容積計量。PTB是德國行使國家計量院職能的機(jī)構(gòu)， 負(fù)責(zé)建立國家計量基、標(biāo)準(zhǔn)和量值溯源體系。PTB認(rèn)證了一款基于三維激光掃描的儀器，而且僅僅將該儀器用于測量立式金屬罐容積，其他方面均沒有研究。
全站儀測量采用有限點坐標(biāo)推算容器容積的方法，由于測量點有限，當(dāng)幾何模型不規(guī)則或變形較大時其測量結(jié)果準(zhǔn)確度較低。
對于國外采用三維激光掃描儀測量立式金屬罐容積的情況而言，由于立式金屬罐的容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵路罐車、罐式集裝箱的容積，在激光測量具有相同誤差的情況下，鐵路罐車、罐式集裝箱容積測量的準(zhǔn)確度將大大降低，不能滿足測量準(zhǔn)確度要求。
現(xiàn)有技術(shù)三對于立式金屬罐內(nèi)壁的材質(zhì)、顏色、粗糙度、干濕程度等情況比較單一，對測量要求比較簡單，而鐵路罐車、罐式集裝箱內(nèi)壁的材質(zhì)、顏色、粗糙度、干濕程度等情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致反射率的復(fù)雜性，直接影響著三維激光掃描數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理，同時，立式金屬罐受環(huán)境影響小，結(jié)構(gòu)簡單，型號單一，測量要求簡單，而鐵路罐車和罐式集裝箱型號多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量環(huán)境差，所以，用于立式金屬罐的三維激光掃描測量方法不能應(yīng)用于鐵路罐車、罐式集裝箱的容積測量。
綜上可見，目前亟待提供一種可準(zhǔn)確、快捷地計算一空間體的容積的技術(shù)方案。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種基于三維激光掃描的容積測量方法及裝置，以準(zhǔn)確、快捷地計算一空間體的容積。
—方面，本發(fā)明實施例提供了一種基于三維激光掃描的容積測量方法，所述基于三維激光掃描的容積測量方法包括
采用三維激光掃描的方式采集并獲取一空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)；
利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀；
根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，計算所述空間體的體積。
可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述采用三維激光掃描的方式采集并獲取一空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，包括將三維激光掃描儀通過正置方式或倒置方式，采用框架型或長柄折疊型的儀器懸掛裝置固定在所述空間體的人孔上，然后采集并獲取所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)；其中，所述框架型的儀器懸掛裝置為方形或三角形。
可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述三維激光掃描儀加裝有全封閉安全外殼裝置。
可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述三維激光掃描儀包括激光發(fā)射部分、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成的三維激光掃描模塊；所述基座中的電機(jī)帶動所述主機(jī)在水平方向按照預(yù)定分度旋轉(zhuǎn)，所述棱鏡和所述接收器在垂直方向按照預(yù)定分度旋轉(zhuǎn)， 以采集并獲取所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)。
可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀，包括利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行去雜、組合配準(zhǔn)、空間置平的預(yù)處理，然后進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀。
可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，利用如下公式計算所述空間體的體積
權(quán)利要求
1.一種基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述基于三維激光掃描的容積測量方法包括 采用三維激光掃描的方式采集并獲取一空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)； 利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀； 根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，計算所述空間體的體積。
2.如權(quán)利要求I所述基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述采用三維激光掃描的方式采集并獲取一空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，包括 將三維激光掃描儀通過正置方式或倒置方式，采用框架型或長柄折疊型的儀器懸掛裝置固定在所述空間體的人孔上，然后采集并獲取所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)；其中，所述框架型的儀器懸掛裝置為方形或三角形。
3.如權(quán)利要求2所述基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述三維激光掃描儀加裝有全封閉安全外殼裝置。
4.如權(quán)利要求2所述基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述三維激光掃描儀包括激光發(fā)射部分、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成的三維激光掃描模塊；所述基座中的電機(jī)帶動所述主機(jī)在水平方向按照預(yù)定分度旋轉(zhuǎn)，所述棱鏡和所述接收器在垂直方向按照預(yù)定分度旋轉(zhuǎn)，以采集并獲取所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)。
5.如權(quán)利要求I所述基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀，包括 利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行去雜、組合配準(zhǔn)、空間置平的預(yù)處理，然后進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀。
6.如權(quán)利要求I所述基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，利用如下公式計算所述空間體的體積
7.如權(quán)利要求I所述基于三維激光掃描的容積測量方法，其特征在于，所述空間體包括罐體，所述罐體包括鐵路罐車、罐式集裝箱。
8.一種基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于，所述基于三維激光掃描的容積測量裝置包括 三維激光掃描單元，用于采用三維激光掃描的方式采集并獲取一空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)； 空間重建單元，用于利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀； 體積計算單元，用于根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，計算所述空間體的體積。
9.如權(quán)利要求8所述基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于，所述基于三維激光掃描的容積測量裝置還包括 儀器懸掛裝置，用于將三維激光掃描儀通過正置方式或倒置方式，采用框架型或長柄折疊型的儀器懸掛裝置固定在所述空間體的人孔上，然后采集并獲取所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)；其中，所述框架型的儀器懸掛裝置為方形或三角形。
10.如權(quán)利要求9所述基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于， 所述基于三維激光掃描的容積測量裝置還包括全封閉安全外殼裝置，所述三維激光掃描儀加裝有所述全封閉安全外殼裝置。
11.如權(quán)利要求9所述基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于，所述三維激光掃描儀包括激光發(fā)射部分、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成的三維激光掃描模塊；所述基座中的電機(jī)帶動所述主機(jī)在水平方向按照預(yù)定分度旋轉(zhuǎn)，所述棱鏡和所述接收器在垂直方向按照預(yù)定分度旋轉(zhuǎn)，以采集并獲取所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)。
12.如權(quán)利要求8所述基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于， 所述空間重建單元，具體用于利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行去雜、組合配準(zhǔn)、空間置平的預(yù)處理，然后進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀。
13.如權(quán)利要求8所述基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于， 所述體積計算單元，具體用于根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，利用如下公式計算所述空間體的體積
14.如權(quán)利要求8所述基于三維激光掃描的容積測量裝置，其特征在于，所述空間體包括罐體，所述罐體包括鐵路罐車、罐式集裝箱。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供一種基于三維激光掃描的容積測量方法及裝置，所述基于三維激光掃描的容積測量方法因為采用三維激光掃描的方式采集并獲取一空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)；利用所述空間體內(nèi)壁的三維點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模，獲取重建的所述空間體的多個切片形狀；根據(jù)重建的所述空間體的多個切片形狀，計算所述空間體的體積的技術(shù)手段，所以達(dá)到了如下的技術(shù)效果提供了一種基于三維激光掃描的技術(shù)，對鐵路罐車、罐式集裝箱等空間體的容積可進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測量，本發(fā)明操作簡單，安全性高，勞動強(qiáng)度小，能適應(yīng)鐵路罐車、罐式集裝箱等復(fù)雜幾何形狀，可以滿足不同的工作環(huán)境，降低罐體材質(zhì)等的影響，數(shù)據(jù)計算方便，測量時間短，準(zhǔn)確度高。
文檔編號G01B11/24GK102980531SQ20121052470
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者邵學(xué)君, 朱少彤, 楊琦, 傅青喜, 閆鳳霞, 龐慶, 周寶瓏, 李學(xué)寶, 張超, 賴榮杰, 王云龍, 張志鵬 申請人:中國鐵道科學(xué)研究院, 中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計量研究所