基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置。本裝置由三維激光掃描平臺(tái)構(gòu)成，所述的三維激光掃描平臺(tái)，包括三維激光掃描儀1、三腳架2、計(jì)算機(jī)3、3-6個(gè)拼接標(biāo)靶4，所述三維激光掃描儀1架設(shè)在三腳架2上，并和計(jì)算機(jī)3連接，采用三維激光掃描平臺(tái)采集并獲取罐體外表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間三維建模，構(gòu)建罐體的三維模型，并采用斷面法計(jì)算罐體的容積。本實(shí)用新型對(duì)罐車、儲(chǔ)罐、罐式集裝箱等罐體的容積可進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，安全性高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，大大縮減了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，數(shù)據(jù)計(jì)算方便，可以滿足不同的工作環(huán)境，特別適用于質(zhì)檢部門快速標(biāo)定復(fù)測(cè)罐體的容積。
【專利說明】基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，屬于罐體容積測(cè)量

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 罐體是石油化工行業(yè)液體、液化氣體等產(chǎn)品的主要運(yùn)輸和存儲(chǔ)器具，也是貿(mào)易結(jié) 算的計(jì)量器具。根據(jù)JJF 1009-2006《容量計(jì)量術(shù)語及定義》中規(guī)定，容量計(jì)量器具有液化 石油氣汽車槽車、汽車油罐車、罐和桶、立式金屬罐、臥式金屬罐、球形金屬罐等。其中，汽車 槽車、油罐車是國(guó)家強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具，其容積檢定結(jié)果既是國(guó)家運(yùn)輸主管部門制定安 全裝載量的依據(jù)，也可用于油品交接、貿(mào)易結(jié)算。采用水容積法測(cè)量罐體容積雖具有準(zhǔn)確度 高的優(yōu)點(diǎn)，但存在一系列弊端，因此，罐體容積的復(fù)測(cè)標(biāo)定工作未能夠廣泛、切實(shí)地落實(shí)。為 保證安全運(yùn)輸、減少事故發(fā)生，進(jìn)一步規(guī)范市場(chǎng)，需要研宄一種快速精確測(cè)定罐體容積的技 術(shù)。
[0003] 近幾年，隨著國(guó)家物流市場(chǎng)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。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，罐體容積檢定主要有稱量法、容積比較法和幾何測(cè)量法，這三種 方法存在著人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、準(zhǔn)確度低、檢定時(shí)間長(zhǎng)等不同程度的問題。
[0004] 目前，在相關(guān)的容積計(jì)量領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)采用光學(xué)儀器一一全站儀測(cè)量立式金屬罐的 容積，德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家正在嘗試使用三維激光掃描儀測(cè)量立式金屬罐的容積。由于鐵 路罐車和罐式集裝箱相對(duì)立式金屬罐來說容積較小，型號(hào)多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)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(cè)量。 為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，降低操作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn) 確度高，新的測(cè)量方法一直在不斷研宄探索中。
[0005] 現(xiàn)有裝置一"標(biāo)準(zhǔn)金屬量器"：
[0006] 容量比較法是指采用高等級(jí)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(cè) 容器，測(cè)量容器液面高度，經(jīng)過溫度修正等獲得被測(cè)容器容積表的方法。容量比較法一般用 于仲裁檢定、檢定方法研宄和新產(chǎn)品容積認(rèn)證。容量比較法準(zhǔn)確度較高，但測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、成 本高，檢定時(shí)需要把被測(cè)容器調(diào)運(yùn)到指定的測(cè)量場(chǎng)所，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量一輛長(zhǎng)度為6米左右的油 罐車約需要12小時(shí)，無法滿足檢驗(yàn)檢測(cè)部門日常檢定需求。
[0007] 現(xiàn)有裝置二"罐套尺、鋼卷尺及超聲波測(cè)厚儀"：
[0008] 《JJG 140-2008鐵路罐車容積檢定規(guī)程》中規(guī)定了鐵路罐車幾何測(cè)量法的檢定方 法，幾何測(cè)量法主要利用罐套尺、鋼卷尺及超聲波測(cè)厚儀等工具獲取罐體的相關(guān)幾何特征 值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后套用容積表，得到罐體容積，又可分為罐內(nèi)測(cè)量法和罐外測(cè)量法。內(nèi)測(cè)法， 需要在油罐清空后人工進(jìn)入罐內(nèi)使用鋼卷尺等設(shè)備進(jìn)行操作，存在清罐作業(yè)費(fèi)用大、污染 環(huán)境、測(cè)量方法自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、罐內(nèi)殘留有害氣體對(duì)檢定人員存在安全隱患等 不足，這將對(duì)檢定人員的人身安全和檢定結(jié)果產(chǎn)生很大影響。罐外測(cè)量法要求罐體具有規(guī) 則幾何形狀、無變形，且應(yīng)盡量安裝成水平狀態(tài)。而目前復(fù)雜形狀的罐體增多，且罐體的變 形是不規(guī)則的，如當(dāng)做規(guī)則幾何體就不能體現(xiàn)實(shí)際物理三維幾何特征，造成大量描述罐體 物理幾何模型信息的丟失，在這種不完備信息基礎(chǔ)上建立起來的簡(jiǎn)化罐體模型與真實(shí)物理 模型間有很大誤差。
[0009]現(xiàn)有裝置三"全站儀"：
[0010] 國(guó)內(nèi)激光測(cè)量?jī)x器目前用于容積測(cè)量領(lǐng)域的主要是全站儀，通過測(cè)量罐體上有限 點(diǎn)的坐標(biāo)推算容器的容積?！禛B/T 19780-2005球形金屬罐的容積標(biāo)定全站儀外測(cè)法》制定 了利用全站儀測(cè)定球形金屬罐容積的方法：在距球罐適當(dāng)距離的周圍地面上，建立至少3 個(gè)均勻分布的水平測(cè)站。在每個(gè)測(cè)站上，用全站儀測(cè)量球心方向的水平角和垂直角以及沿 球心方向到罐壁的距離，再瞄準(zhǔn)正對(duì)球罐圓周上均勻分布的球罐切點(diǎn)，測(cè)量相應(yīng)的水平角 和垂直角，計(jì)算出各切點(diǎn)半徑，將切點(diǎn)半徑的算術(shù)平均值作為測(cè)站半徑。根據(jù)各測(cè)站半徑計(jì) 算出球罐的平均半徑，進(jìn)而編制球罐容積表，但由于測(cè)量點(diǎn)有限，當(dāng)幾何模型不規(guī)則或變形 較大時(shí)其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度較低。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0011] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量 裝置，該裝置操作簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)罐車、儲(chǔ)罐、罐式集裝箱 等罐體的容積的快速、準(zhǔn)確測(cè)量。
[0012] 本實(shí)用新型采用三維激光掃描儀，三維激光掃描儀主要利用了激光測(cè)距的原理來 快速獲取目標(biāo)空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的物體的三維可視化模型。三維 激光掃描系統(tǒng)可以深進(jìn)到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中，通過三維激光掃描直接將各種大 型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，進(jìn)而 快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維實(shí)體模型，同時(shí)，所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可將目標(biāo)的完整數(shù) 據(jù)用于各種后處理工作。整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建。數(shù) 據(jù)采集是模型重建的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重 建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的精確度和速度。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段涉及的內(nèi)容有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾 波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合 等；模型重建階段涉及的內(nèi)容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模 型簡(jiǎn)化和紋理映射等。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及建模需求，選用相應(yīng) 的數(shù)據(jù)處理策略和方法。
[0013] 本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0014] 一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于該測(cè)量裝置由三維激光 掃描平臺(tái)構(gòu)成；其中三維激光掃描平臺(tái)由三維激光掃描儀1、三腳架2、計(jì)算機(jī)3和拼接標(biāo)靶 4構(gòu)成，所述三維激光掃描儀1架設(shè)在三腳架2上，通過導(dǎo)線和計(jì)算機(jī)3連接。
[0015] 所述的一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所述的三維激光 掃描儀1由激光發(fā)射器、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成。
[0016] 所述的一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所述的拼接標(biāo)靶 4布設(shè)在罐體5的周圍，3-6個(gè)拼接標(biāo)靶4構(gòu)成閉合環(huán)，不同測(cè)站拼接標(biāo)靶4之間的距離大 致相等。
[0017] 所述的一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所述的測(cè)站由三 維激光掃描儀1、三腳架2和計(jì)算機(jī)3構(gòu)成。
[0018] 所述的一種基于三維激光掃描的快速高精度罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所述 的罐體5包括罐車、儲(chǔ)罐、罐式集裝箱。
[0019] 本實(shí)用新型提供一種基于三維激光掃描的快速高精度罐體容積測(cè)量方法，包括以 下具體步驟：
[0020] 步驟1，根據(jù)罐體的形狀特點(diǎn)、空間位置和掃描需要的精度等制定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方 案，其中實(shí)驗(yàn)方案包括確定掃描儀的型號(hào)、確定測(cè)站點(diǎn)的位置、掃描距離、掃描角度、掃描間 距等；控制數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，以便在最短的時(shí)間內(nèi)獲得高效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0021] 步驟2,采用上述三維激光掃描平臺(tái)采集并獲取罐體外表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0022] 步驟3,利用步驟2所獲取的罐體外表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間三維建模，構(gòu)建 罐體的三維模型，具體為：首先對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、混合像元去除、空洞修補(bǔ) 的數(shù)據(jù)預(yù)處理；然后進(jìn)行點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分割、曲面擬合的數(shù)據(jù)處理；最后進(jìn)行空間三維建 模，獲取罐體的精確三維模型；
[0023]步驟4,利用體積計(jì)算單元分析罐體的三維模型，設(shè)為閉合空間Q，根據(jù)三維激光 掃描測(cè)量坐標(biāo)系，構(gòu)建一系列平行于xoy平面的平面，采用斷面法計(jì)算罐體的容積，具體公 式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于該測(cè)量裝置由三維激光掃 描平臺(tái)構(gòu)成；其中三維激光掃描平臺(tái)由三維激光掃描儀（1)、三腳架（2)、計(jì)算機(jī)（3)和拼接 標(biāo)靶（4)構(gòu)成，所述三維激光掃描儀（1)架設(shè)在三腳架（2)上，通過導(dǎo)線和計(jì)算機(jī)（3)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所 述的三維激光掃描儀（1)由激光發(fā)射器、棱鏡、與棱鏡同步的接收器、主機(jī)和基座組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所 述的拼接標(biāo)靶（4)布設(shè)在罐體（5)的周圍，3-6個(gè)拼接標(biāo)靶（4)構(gòu)成閉合環(huán)，不同測(cè)站拼接 標(biāo)靶（4)之間的距離大致相等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于三維激光掃描的罐體容積測(cè)量裝置，其特征在于所 述的測(cè)站由三維激光掃描儀（1)、三腳架（2)和計(jì)算機(jī)（3)構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于三維激光掃描的快速高精度罐體容積測(cè)量裝置，其 特征在于所述的罐體（5)包括罐車、儲(chǔ)罐、罐式集裝箱。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK204240955SQ201420516429
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】何麗, 端震, 業(yè)成, 梁斌, 梁鵬, 于永亮, 常小林 申請(qǐng)人:南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院, 南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司