CN112378336B - 一种基于无人机的舱容测量***及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机的舱容测量***及其测量方法，包含移动终端、无人机、三维激光扫描仪和三维数据处理***，移动终端与无人机无线连接，三维激光扫描仪固定在无人机上并且三维激光扫描仪与移动终端无线连接，移动终端内安装三维数据处理***。本发明实现从舱室尺寸测量、舱室重新建模和扣除舱内构件后容积计算的全部智能化，同时迅速快捷地输出用户所需舱容表，提高了舱容测量的精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种舱容测量***及其测量方法，特别是一种基于无人机的舱容测量***及其测量方法，属于船舶容积测量领域。
背景技术
船舶舱室容量测量，即通过测量船舱的尺寸计算船舱的实际容积。对于LNG液化天然气船、LPG液化石油气船、油轮、化学品船，由于货物的价值较高，精确的舱容对船东的营运非常重要，同时货物进出口时有些国家的海关或相关部门会审核舱容表。舱容及相应的装货量也是船东非常关心的项目，因此船东往往会要求第三方鉴定机构测量货舱的舱容。随着国内造船技术的快速发展，LNG、LPG船、化学品船等高附加值船舶的订单逐步增加，舱容测量的业务也在迅速增加。
船舶舱室的精确、快速测量是船舶舱室容量计量等部门迫切需要的专业化技术手段，目前国内对船舱容积的测量方法主要包括几何测量法、容量比较法及混合测量法，这些舱容测量方法均存在不足，传统的舱容测量方法需要多名人员协同作业，而且测量时间长达1个多月，对船舶坞期造成一定的影响，因此，目前需要提高舱容积计量的精度和效率，降低舱容积计量对建造施工周期的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无人机的舱容测量***及其测量方法，提高舱容测量的精度和效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于无人机的舱容测量***，其特征在于：包含移动终端、无人机、三维激光扫描仪和三维数据处理***，移动终端与无人机无线连接，三维激光扫描仪固定在无人机上并且三维激光扫描仪与移动终端无线连接，移动终端内安装三维数据处理***。
进一步地，所述移动终端包含第一处理器、显示屏、第一内存储器、第一通信装置和输入装置，第一处理器用于控制无人机拍摄，显示屏与第一处理器连接用于显示无人机的飞行路线与操作提示，第一内存储器与第一处理器连接用于为操作***提供缓存，第一通信装置与第一处理器连接用于与无人机进行无线通信，输入装置与第一处理器连接用于输入操作信息；所述输入装置包含物理按钮、轨迹球、触控板和与显示屏重叠的触控层，触控层与显示屏组合构成触控屏；显示屏为液晶显示屏或柔性显示屏。
进一步地，所述无人机包含第二处理器、第二内存储器、第二通信装置、飞行驱动装置和定位装置，第二处理器用于控制无人机工作，第二内存储器与第二处理器连接用于为操作***提供缓存，第二通信装置与第二处理器连接用于与移动终端进行无线通信，飞行驱动装置与第二处理器连接用于控制无人机的无人机飞行动作，定位装置与第二处理器连接用于定位无人机的位置；所述飞行驱动装置通过控制无人机的飞行速度和飞行方向控制无人机飞行动作，采用网络RTK定位技术或者激光雷达定位技术；所述三维激光扫描仪包含无线控制模块，无线控制模块用于接收移动终端发出的指令；三维数据处理***包含后处理软件和三维建模软件；三维激光扫描仪为脉冲式三维激光扫描仪或相位式激光扫描仪。
一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：确定扫描站点和无人机移动路线；
步骤二：将扫描站点和移动线路输入到移动终端内，移动终端发布指令给无人机；
步骤三：装载有三维激光扫描仪的无人机获取启动指令，读取组合操控指令；
步骤四：将组合操控指令发送至无人机，使无人机按照预定的路线飞行，并停靠在布置的扫描站点；
步骤五：移动终端发布扫描启动指令，三维激光扫描仪启动进行全景扫描，采集船舶货舱的表面点云数据；
步骤六：对采集的点云数据进行预处理，包括点云配准、点云滤波、点云空洞修补、点云分割等，删除货舱内施工人员、车辆等非测量要素，将点云数据三维坐标值转换到船体坐标系下，将相邻的两个扫描站点重叠的数据进行合理分割，并进行整个货舱数据拼接，完成货舱云点数据的处理；
步骤七：点云数据建模并提取货舱内表面的型值；
步骤八：最后根据货舱表面的型值计算实际货舱舱容。
进一步地，所述步骤一具体为
确定扫描路线，扫描站点选择在某空间三维坐标上并自动测量定位，在保证精度的前提下，每个扫描站点最大范围扫描到目标货舱的场景，确保每个扫描站点扫描舱壁时不被遮挡；其中位于船首和船尾部的货舱由于首尾型线收缩，货舱受外部型线的影响，侧面和底部为不规则形状，表面几何特征变化较大，相邻扫描站点间距离相对缩短，分块相对较小，以保证数据的有效性。
进一步地，所述步骤四具体为
无人机按照预定的路线，并执行组合操控指令所设定的一系列动作达到扫描站点，无人机自动寻找测量站点并停靠，无人机飞行动作包括无人机飞行速度调整动作、无人机方向调整动作、无人机高度调整动作、无人机悬停动作中的一种或多种，保证无人机飞行过程中不碰触船体结构件及障碍物，无人机带有拍摄装置，用于拍摄周围的图像，并通过无线连接实时传输给移动终端，移动终端接收无人机返回的图像并存储，便于操作者实时观察无人机所处的位置和周边的结构。
进一步地，所述步骤五具体为
移动终端发送启动指令给三维激光扫描仪，扫描仪自动启动，根据货舱容积设置分辨率，对于舱容较小的货舱，设置中等分辨率扫描，当舱容较大，货舱表面复杂或表面积水潮湿时采用高等分辨率扫描；三维激光扫描仪进行货舱的分块全景扫描，得到点云数据，无人机将扫描仪扫描的数据通过无线连接传输给移动终端，移动终端接收无人机返回的数据并存储，在移动终端的显示屏上查看扫描的数据是否有遗漏，如有遗漏再次通过移动终端发送启动指令给三维激光扫描仪，进行扫描，从而得到完整连续的全景数据，即点云数据。
进一步地，所述步骤六具体为
将扫描得到的点云数据导入后处理软件中，对点云数据进行后处理，包括点云配准、点云滤波、点云空洞修补及点云分割；点云配准，即对扫描站点的扫描数据进行坐标变换，将其置于步骤一中布置的已知三维坐标的基准测量站点的中心处，使其位于同一坐标系内，将相邻的两个扫描站点重叠的数据进行合理分割，并进行整个货舱数据拼接，完成货舱云点数据的处理；然后对点云数据进行分割，将舱壁和各种管路、墩子、肘板和扶强材实体分割出来，便于进一步的重建模型。
进一步地，所述步骤七具体为
将处理过的点云数据导入到三维建模软件中，生成货舱表面和管路的三维模型；船舱的实体模型由大量初等解析曲面如平面、球面、圆柱面、圆锥面及部分自由曲面组成，将测量数据按照实物原型的几何特征进行分割成不同的数据块，使位于同一数据块内的数据点以一张特定的曲面来表示，针对不同的数据块采用不同的曲面建模方案进行重新建模，最后将这些曲面拼接成实体；对于较小次要的管路和构件，根据设计图纸中的尺寸进行建模。
进一步地，所述步骤八具体为
货舱舱容计算是由货舱曲面或平面所围成的复杂封闭区域的体积计算；体积计算，运用边界曲面的积分方法，将空间三维封闭区域的几何特性计算转化为沿封闭区域的边界曲面的积分；对边界曲面进行三角剖分，由曲面上的个顶点与坐标原点相连构成三棱锥，由3个顶点的坐标值计算其体积；曲面的三角剖分采用映射法，将曲面剖分转化为对参数域的平面域剖分，然后向空间映射，得到曲面的三角剖分；对于一个封闭区域的体积计算基于封闭区域曲面的三角剖分成果，得到一系列的三棱锥，再分别计算其几何特性，累加得到货舱的体积；另外一种计算舱容的方法是，将货舱空间在船长方向上分割出一定数量的截面，在每一截面上进行曲线积分得到截面的面积，然后将所有截面的面积沿着船长方向进行积分，得到货舱的舱容。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种基于无人机的舱容测量***及其测量方法，操纵无人机对需要测量舱容的货舱采集型值，对于货舱形状特殊的区域不方便进入测量的情况，以及货舱数量较多和货舱长度、型深较大的情况，具有较大优势，且该方法实现了从舱室尺寸测量到扣除舱内构件的舱容计算的全部智能化，迅速快捷地输出用户所需舱容表；通过无人机测量的方式，提高了舱容测量的精度和效率。
附图说明
图1是本发明的一种基于无人机的舱容测量***的示意图。
图2是本发明的一种基于无人机的舱容测量***的使用状态图。
图3是本发明的移动终端模块示意图。
图4是本发明的无人机的模块示意图。
图5是本发明的三维激光扫描仪的模块示意图。
图6是本发明的三维数据处理***的示意图。
图7是本发明的基于无人机的舱容测量***的测量方法的流程图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1、图2所示，本发明的一种基于无人机的舱容测量***，包含移动终端1、无人机2、三维激光扫描仪3和三维数据处理***4，移动终端1与无人机2无线连接，三维激光扫描仪3固定在无人机2上并且三维激光扫描仪3与移动终端1无线连接，移动终端1内安装三维数据处理***4。
如图3所示，移动终端1包含第一处理器101、显示屏102、第一内存储器103、第一通信装置104和输入装置105，第一处理器101用于控制无人机拍摄，显示屏102与第一处理器101连接用于显示无人机的飞行路线与操作提示，第一内存储器103与第一处理器101连接用于为操作***提供缓存，第一通信装置104与第一处理器101连接用于与无人机进行无线通信，输入装置105与第一处理器101连接用于输入操作信息；输入装置105包含物理按钮、轨迹球、触控板和与显示屏重叠的触控层，触控层与显示屏组合构成触控屏；显示屏为液晶显示屏或柔性显示屏。
如图4所示，无人机包含第二处理器201、第二内存储器202、第二通信装置203、飞行驱动装置204和定位装置205，第二处理器201用于控制无人机工作，第二内存储器202与第二处理器201连接用于为操作***提供缓存，第二通信装置203与第二处理器201连接用于与移动终端进行无线通信，飞行驱动装置204与第二处理器201连接用于控制无人机的无人机飞行动作，定位装置205与第二处理器201连接用于定位无人机的位置；飞行驱动装置204通过控制无人机的飞行速度和飞行方向控制无人机飞行动作，采用网络RTK定位技术或者激光雷达定位技术。
如图5所示，三维激光扫描仪3包含无线控制模块301，无线控制模块301用于接收移动终端发出的指令。如图6所示，三维数据处理***4包含后处理软件401和三维建模软件402；三维激光扫描仪3为脉冲式三维激光扫描仪或相位式激光扫描仪。
如图7所示，一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，包含以下步骤：
a、由于货舱较大，需要设置多个扫描站点对货舱进行分块扫描，确定扫描站点和无人机移动路线；
确定扫描路线，扫描站点选择在某空间三维坐标上并自动测量定位，在保证精度的前提下，每个扫描站点最大范围扫描到目标货舱的场景，确保每个扫描站点扫描舱壁时不被遮挡。其中位于船首和船尾部的货舱由于首尾型线收缩，货舱受外部型线的影响，侧面和底部为不规则形状，表面几何特征变化较大，相邻扫描站间距离相对缩短，分块相对较小，以保证数据的有效性。
b、将扫描站点和移动线路输入到移动终端1内，移动终端1发布指令给无人机2；
将扫描线路和扫描站点输入到移动终端1内，移动终端1将启动指令发送给无人机2，无人机2收到指令后，读取相关的组合操控指令。
c、装载有三维激光扫描仪3的无人机2获取启动指令，读取组合操控指令；
d、将组合操控指令发送至无人机2，使无人机2按照预定的路线飞行，并停靠在布置的扫描站点；
无人机按照预定的路线，并执行组合操控指令所设定的一系列动作达到扫描站点，无人机可以自动寻找测量站点并停靠，无人机飞行动作包括无人机飞行速度调整动作、无人机方向调整动作、无人机高度调整动作、无人机悬停动作中的一种或多种，保证无人机飞行过程中不碰触船体结构件及障碍物，无人机带有拍摄装置，可以拍摄周围的图像，并通过无线连接实时传输给移动终端，移动终端接收无人机返回的图像并存储，便于操作者实时观察无人机所处的位置和周边的结构。
e、移动终端1发布扫描启动指令，三维激光扫描仪3启动进行全景扫描，采集船舶货舱的表面点云数据；
移动终端1发送启动指令给三维激光扫描仪3，扫描仪自动启动，根据货舱容积设置分辨率，对于舱容较小的货舱，可设置中等分辨率扫描，当舱容较大，货舱表面复杂或表面积水潮湿时采用高等分辨率扫描。三维激光扫描仪3进行货舱的分块全景扫描，得到点云数据，无人机2可将扫描仪扫描的数据通过无线连接传输给移动终端1，移动终端1接收无人机2返回的数据并存储，在移动终端1的显示屏102上可查看扫描的数据是否有遗漏，如有遗漏可再次通过移动终端1发送启动指令给三维激光扫描仪3，进行扫描；
三维激光扫描仪3对货舱内发射激光，根据激光发射和接收的时间差，计算得到相应的货舱表面与扫描仪的距离，再根据水平和垂直的步进角距值，即可实时计算出货舱表面的三维坐标。随着水平角和垂直角的递增，激光测量单元进行从左到右、从上到下的全自动高精度步进扫描测量，从而得到完整连续的全景数据，即点云数据。
f、对采集的点云数据进行预处理，包括点云配准、点云滤波、点云空洞修补、点云分割等，删除货舱内施工人员、车辆等非测量要素，将点云数据三维坐标值转换到船体坐标系下，将相邻的两个扫描站点重叠的数据进行合理分割，并进行整个货舱数据拼接，完成货舱云点数据的处理；
将扫描得到的点云数据导入后处理软件中，对点云数据进行后处理，包括点云配准、点云滤波、点云空洞修补及点云分割；点云配准，即对扫描站点的扫描数据进行坐标变换，将其置于步骤一中布置的已知三维坐标的基准测量站点的中心处，使其位于同一坐标系内，将相邻的两个扫描站点重叠的数据进行合理分割，并进行整个货舱数据拼接，完成货舱云点数据的处理。然后对点云数据进行分割，将舱壁和各种管路、墩子、肘板、扶强材等实体分割出来，便于进一步的重建模型；
分割的策略可以采取先整体后局部、由外到内的策略，采取凸壳分割、模糊聚类分割和交互式分割的一种或多种。凸壳分割,是按照三维凸壳算法求取点云的最小凸集, 由外到内地达到区分外轮廓点云与廓内点云的目的。模糊聚类分割是利用点云特征频数的统计峰值来区分不同特征的点云区域。交互式分割，是采用手工方法进行分割。
g、点云数据建模并提取货舱内表面的型值；
将处理过的点云数据导入到三维建模软件402中，生成货舱表面和管路的三维模型。船舱的实体模型由大量初等解析曲面如平面、球面、圆柱面、圆锥面等及部分自由曲面组成，将测量数据按照实物原型的几何特征进行分割成不同的数据块，使位于同一数据块内的数据点以一张特定的曲面来表示，针对不同的数据块采用不同的曲面建模方案进行重新建模，最后将这些曲面拼接成实体。曲面建模方案可以是初等解析曲面、B-spline曲面、Bezier曲面、NURBS曲面。管路和平面构件采取点云区域生长的拟合方法，结合所选种子点的法向量以及其邻域点到法向平面的距离作为先验生长约束条件提取属于该曲面模型的初始样本点集，然后再进行稳健参数估计提取出最佳的曲面参数。对于较小次要的管路和构件，也可以根据设计图纸中的尺寸进行建模。
h、最后根据货舱表面的型值计算实际货舱舱容。
货舱舱容计算是由货舱曲面或平面所围成的复杂封闭区域的体积计算。体积计算可以运用边界曲面的积分方法，将空间三维封闭区域的几何特性计算转化为沿封闭区域的边界曲面的积分。对边界曲面进行三角剖分，由曲面上的个顶点与坐标原点相连构成三棱锥，由3个顶点的坐标值就可方便地计算其体积。曲面的三角剖分可以采用映射法，将曲面剖分转化为对参数域的平面域剖分，然后向空间映射，得到曲面的三角剖分。对于一个封闭区域的体积计算可以基于封闭区域曲面的三角剖分成果，得到一系列的三棱锥，再分别计算其几何特性，累加得到货舱的体积。另外一种计算舱容的方法是，将货舱空间在船长方向上分割出一定数量的截面，在每一截面上进行曲线积分得到截面的面积，然后将所有截面的面积沿着船长方向进行积分，得到货舱的舱容。计算货舱舱容时，扣除管路、肘板、扶强材的体积。
本发明的基于无人机的舱容测量***及其测量方法，相比传统方法，减少舱容测量专业人员的需求量和数据采集的时间，缩短舱容测量工作对坞期的影响，减轻了测量船舱尺寸的工作强度，同时提高了舱容测量的效率和精度，实现舱室尺寸测量、舱室的重新建模和舱容计算的全部智能化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：确定扫描站点和无人机移动路线；
步骤二：将扫描站点和移动线路输入到移动终端内，移动终端发布指令给无人机；
步骤三：装载有三维激光扫描仪的无人机获取启动指令，读取组合操控指令；
步骤四：将组合操控指令发送至无人机，使无人机按照预定的路线飞行，并停靠在布置的扫描站点；
步骤五：移动终端发布扫描启动指令，三维激光扫描仪启动进行全景扫描，采集船舶货舱的表面点云数据；
步骤六：对采集的点云数据进行预处理，包括点云配准、点云滤波、点云空洞修补、点云分割等，删除货舱内施工人员、车辆等非测量要素，将点云数据三维坐标值转换到船体坐标系下，将相邻的两个扫描站点重叠的数据进行合理分割，并进行整个货舱数据拼接，完成货舱云点数据的处理；
步骤七：点云数据建模并提取货舱内表面的型值；
步骤八：最后根据货舱表面的型值计算实际货舱舱容；
所述步骤八具体为
货舱舱容计算是由货舱曲面或平面所围成的复杂封闭区域的体积计算；体积计算，运用边界曲面的积分方法，将空间三维封闭区域的几何特性计算转化为沿封闭区域的边界曲面的积分；对边界曲面进行三角剖分，由曲面上的个顶点与坐标原点相连构成三棱锥，由3个顶点的坐标值计算其体积；曲面的三角剖分采用映射法，将曲面剖分转化为对参数域的平面域剖分，然后向空间映射，得到曲面的三角剖分；对于一个封闭区域的体积计算基于封闭区域曲面的三角剖分成果，得到一系列的三棱锥，再分别计算其几何特性，累加得到货舱的体积。
2.按照权利要求1所述的一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征在于：所述步骤一具体为
确定扫描路线，扫描站点选择在某空间三维坐标上并自动测量定位，在保证精度的前提下，每个扫描站点最大范围扫描到目标货舱的场景，确保每个扫描站点扫描舱壁时不被遮挡；其中位于船首和船尾部的货舱由于首尾型线收缩，货舱受外部型线的影响，侧面和底部为不规则形状，表面几何特征变化较大，相邻扫描站点间距离相对缩短，分块相对较小，以保证数据的有效性。
3.按照权利要求1所述的一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征于：所述步骤四具体为
无人机按照预定的路线，并执行组合操控指令所设定的一系列动作达到扫描站点，无人机自动寻找测量站点并停靠，无人机飞行动作包括无人机飞行速度调整动作、无人机方向调整动作、无人机高度调整动作、无人机悬停动作中的一种或多种，保证无人机飞行过程中不碰触船体结构件及障碍物，无人机带有拍摄装置，用于拍摄周围的图像，并通过无线连接实时传输给移动终端，移动终端接收无人机返回的图像并存储，便于操作者实时观察无人机所处的位置和周边的结构。
4.按照权利要求1所述的一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征于：所述步骤五具体为
移动终端发送启动指令给三维激光扫描仪，扫描仪自动启动，根据货舱容积设置分辨率，对于舱容较小的货舱，设置中等分辨率扫描，当舱容较大，货舱表面复杂或表面积水潮湿时采用高等分辨率扫描；三维激光扫描仪进行货舱的分块全景扫描，得到点云数据，无人机将扫描仪扫描的数据通过无线连接传输给移动终端，移动终端接收无人机返回的数据并存储，在移动终端的显示屏上查看扫描的数据是否有遗漏，如有遗漏再次通过移动终端发送启动指令给三维激光扫描仪，进行扫描，从而得到完整连续的全景数据，即点云数据。
5.按照权利要求1所述的一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征于：所述步骤六具体为
将扫描得到的点云数据导入后处理软件中，对点云数据进行后处理，包括点云配准、点云滤波、点云空洞修补及点云分割；点云配准，即对扫描站点的扫描数据进行坐标变换，将其置于步骤一中布置的已知三维坐标的基准测量站点的中心处，使其位于同一坐标系内，将相邻的两个扫描站点重叠的数据进行合理分割，并进行整个货舱数据拼接，完成货舱云点数据的处理；然后对点云数据进行分割，将舱壁和各种管路、墩子、肘板和扶强材实体分割出来，便于进一步的重建模型。
6.按照权利要求1所述的一种基于无人机的舱容测量***的测量方法，其特征于：所述步骤七具体为
将处理过的点云数据导入到三维建模软件中，生成货舱表面和管路的三维模型；船舱的实体模型由大量初等解析曲面如平面、球面、圆柱面、圆锥面及部分自由曲面组成，将测量数据按照实物原型的几何特征进行分割成不同的数据块，使位于同一数据块内的数据点以一张特定的曲面来表示，针对不同的数据块采用不同的曲面建模方案进行重新建模，最后将这些曲面拼接成实体；对于较小次要的管路和构件，根据设计图纸中的尺寸进行建模。
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