[发明专利]一种基于点云数据处理的隧道喷射方量估算方法

说明书

本发明提出一种基于点云数据处理的隧道喷射方量估算方法，属于隧道工程技术领域。所述方法包括以下步骤：步骤一、点云平移；步骤二、设计点云预处理；步骤三、扫描点云预处理；步骤四、三角面片生长为三棱台；步骤五、方量估算。本发明通过对设点点云三角化和三角面片生长为三棱台处理方式将点云的离散化，实现了总体待喷方量和局部待喷方量的高准确度计算，为隧道喷浆作业的全自动无人化提供了环境感知上的支持，对隧道工程机械自动化具有较强的实际意义。

技术领域

本发明涉及基于一种基于点云数据处理的隧道喷射方量估算方法，属于隧道工程技术领域。

背景技术

目前，隧道喷浆支护作业大部分由人工操控喷浆机械臂，作业环境极其恶劣，工作条件差、工序耗时长，严重危害工人身体健康，因而实现隧道喷浆的全自动无人化作业显得尤为重要。要实现全自动无人化作业，隧道状态信息的获取是其中最重要的环节之一。三维激光扫描技术具有非接触、效率高、精度高和获取信息量大的特点，适合应用于隧道参数的测量。通过应用三维激光扫描技术可以获得庞大的隧道点云数据，如何高效地从隧道点云数据中提取喷浆作业需要的喷射方量是隧道喷浆全自动无人化作业的关键问题。

专利201811476525.7提供了一种隧道点云数据分析方法，该方法由对点云数据进行坐标系转换、获取待分析剖面点云数据、对点云数据进行分区并获取各分区的数据和计算超欠挖体积四个步骤组成。但其使用点云数据的平均值计算所需喷射方量，这种计算方式得到的结果准确度低且只能计算整体喷射方量而不能计算局部区域的喷射方量。并且这种方法并未提取点云数据中的钢拱架点云，因而只适用于无钢拱架类型。因而这种方法不能满足隧道全自动无人化作业对隧道点云数据分析的高准确度、能够计算局部喷射方量的需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于点云数据处理的隧道喷射方量估算方法，以解决现有的方法只适用于无钢拱架类型，不能满足隧道全自动无人化作业对隧道点云数据分析的高准确度、能够计算局部喷射方量的需求的问题。

一种基于点云数据处理的隧道喷射方量估算方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、点云平移：计算设计点云的重心，将设计点云平移到原点，根据设计点云平移过程中产生的平移向量平移扫描点云；

步骤二、设计点云预处理：对设计点云下采样，然后对设计点云进行三角化处理得到由三角面片组成的设计点云，再使用Ransac_nomals方法计算各三角面片顶点的法向量，最后进行方向校正，使每个法向量都指向设计点云的外部；

步骤三、扫描点云预处理：先使用随机采样一致性的方法提取扫描点云的几何基元，祛除表示支撑物的点云，然后通过泊松重建将存在着缺失、空洞、点云局部过于稀疏的扫描点云重建为密闭的三角网格模型，并从三角网格中提取出点云，再通过上采样的方式来加密点云，最后提取爆破点云的钢拱架信息；

步骤四、三角面片生长为三棱台：取一个设点点云的三角面片△A1A2A3，根据三角形顶点的坐标计算其重心M的坐标，以三个顶点法向量的均值作为重心M的法向量n，计算重心M到三角形三个顶点的距离，以距离最大者为半径，以M点为圆心，向量n为圆柱体的母线，建立高度不限的圆柱体，统计扫描点云中录入此圆柱体内的点，并计算这些点的重心N，此时点N到三角面片△A1A2A3的距离即三棱台的高度h，根据设计点云上的三个点A1,A2,A3的坐标、各自的法向量以及向量n和高度h，计算位于扫描点云上的B1,B2,B3，完成三棱台A1,A2,A3,B1,B2,B3的构造；

步骤五、方量估算：根据三棱台体积计算公式计算三棱台的体积，统计所有三棱台的体积即为总的待喷方量，统计局部三棱台的体积即得到局部的待喷方量。

进一步的，在步骤三中，所述扫描点云的几何基元为平面和柱面。