基于風洞點云的平整度檢測程序開發(fā)與實現(xiàn)

何原榮， 鄭淵茂

(廈門理工學院 計算機與信息工程學院， 福建 廈門 361024)

基于風洞點云的平整度檢測程序開發(fā)與實現(xiàn)

何原榮， 鄭淵茂

(廈門理工學院 計算機與信息工程學院， 福建 廈門 361024)

大量的建設、交通和運載工具等工程問題都需要風洞實驗室加以解決，而在風洞工程建設中，對風洞內(nèi)表面的表面平整度具有很高的要求。目前國內(nèi)很多風洞不能滿足試驗的需求，導致要排隊做實驗，最終導致延長建筑工期。為了檢測風洞內(nèi)表面平整度，以廈門理工學院多功能風洞為研究區(qū)域，采用Faro Scene和Matlab，掃描得到風洞側(cè)墻和頂墻的點云數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)進行平面擬合分析墻面的平整度，為風洞質(zhì)量檢測提供了決策分析的依據(jù)。

三維激光掃描， 風洞， 平整度， 平面擬合

0 引言

風洞，是指通過管道實驗設備人工通過外力制作和控制風洞里面的均勻流動氣流，來研究風洞內(nèi)的飛行器或目標對象周圍流動的氣體，并可量度風洞內(nèi)氣流對目標對象的作用以及觀察目標物體物理現(xiàn)象的工具，它是最常用、最有效的空氣動力實驗工具[1，2]。通過室內(nèi)風洞實驗進行研究，可不受外界惡劣的自然條件限制，極大增強目標物體的研究試驗效率，節(jié)省大量的人力、物力和時間成本，還可提高研究水平，更好地解決科研和生產(chǎn)上的具體問題[3]。近些年，風洞已被廣泛地應用于民用項目。一般90 m以上的建筑和那種大跨度的，比如機場候機樓、高鐵站、體育場館以及大型交通建設工程均需要風洞實驗室加以解決。例如，海滄大橋和宜昌長江公路大橋在建設過程，同濟大學、西南交通大學就采用了風洞試驗來驗證結(jié)構(gòu)的抗風能力和提高貓道抗風穩(wěn)定性的措施，并依據(jù)實驗結(jié)果改進獵道設計。此外，汽車在公路行駛中，有約60%～85%的能源消耗是用來克服行駛過程中的空氣阻力做功的，浪費了大量的能源效率。因此，對于追求低排放和低油耗的家用性環(huán)保轎車來說，如何最大化地減小汽車行駛過程中的空氣阻力是一項重要的研究內(nèi)容。在一些新款汽車在設計時，為了降低風阻系數(shù)，減少汽車行駛時所受的阻力，均會采用風洞試驗。風洞為我國自行自主研制的各類風力機械、軍用飛機、導彈設備、高空飛船以及太空衛(wèi)星提供大量的研制實驗數(shù)據(jù)，有效地增強了我國的國防設備的實力，同時也為我國大量的民用公共設施起到極大地推動作用[4]。

根據(jù)福建省廈門市建設局提供的數(shù)據(jù)表明，廈門市每年需要做風洞試驗的建筑就有幾十棟，此前這些試驗項目都要派送到外地出去試驗，成本大增，而且由于目前國內(nèi)風洞不能滿足試驗的需求，導致要排隊做實驗，最終導致建筑工期延長。廈門理工學院多功能風洞是福建省首個風洞實驗室，該風洞是通過人為室內(nèi)構(gòu)建一個U型管道，通過外部的動力裝置驅(qū)動不同級別空氣在U性管道內(nèi)流動，同時把需要試驗的目標物體模型安裝在風洞的U型管道內(nèi)，進行測壓、測力和測振等的試驗功能，然后對目標物體的結(jié)構(gòu)抗風性能進行評價分析，得出目標物體的抗風性的穩(wěn)定性。此多功能風實驗室填補了福建省乃至海西地區(qū)在全國抗風性領域研究的空白，特別是對于常受臺風等自然災害的沿海的福建省地區(qū)，此風洞實驗室的建設對于促進福建省和廈門城市經(jīng)濟建設，減少因臺風災害造成的經(jīng)濟損失，其經(jīng)濟效益無窮的、社會效益是不可估量。

進行目標物體風洞實驗時，通常是將目標物體的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L洞的U型管道內(nèi)反復地、不斷地取得實驗數(shù)據(jù)。為使實驗數(shù)據(jù)結(jié)果準確，風洞內(nèi)的氣體流動必須與實際外界的氣體流動狀態(tài)性質(zhì)相似。但由于風洞尺寸大小和動力裝置的限制，在風洞中同時模擬出所有的相似參數(shù)是相當困難的。據(jù)統(tǒng)計，國外擁有的各類不同的風洞就有數(shù)百座，符合標準的也才186座，可見達標風洞工程建設要求較高。而風洞內(nèi)表面的質(zhì)量和精度是影響風洞內(nèi)模擬風場品質(zhì)的重要因素，內(nèi)表面不平整會增加表面對風場氣流的不利影響，導致風洞實驗結(jié)果不準確，因此，在風洞工程建設中，對風洞內(nèi)表面的表面平整度具有很高的要求。

傳統(tǒng)的檢測方法采用長靠尺、楔形塞尺、測距儀、白熾燈、全站儀、紅外水平檢測儀等進行抽樣檢測，對于無法測量的地方采用目測[5]。何濤[6]選取多個待測量平面，采用靠尺抽樣測量建筑物表面面平整度，通過不合格點的比率確認是否建筑物表面平整度是否合格。此種方式工作量大，抽樣數(shù)量有限，作業(yè)過程繁瑣、檢測效率低，測量精度差，無法實現(xiàn)風洞內(nèi)表面平整度的全面檢測，難以為今后修補風洞內(nèi)表面平整度不符合標準的區(qū)域提供準確的依據(jù)，風洞實驗效果不夠理想。潘國榮[7]提出一種基于掃描線中的擬合直線段，通過構(gòu)造擬合平面生長種子，借助反復雙向生長的方式生成點云中的擬合平面片。該方法具有較好的抗差能力，效率也更高。

本文提出基于地面三維激光掃描的新技術，突破傳統(tǒng)測繪技術方法的瓶頸，能夠高效率、高精度獲取內(nèi)表面平整度信息以點云的形式復制到計算機中，通過Matlab軟件擬合出點云平面來全范圍檢測風洞內(nèi)表面平整度，避免抽樣檢測方法可能漏檢平整度誤差過大部位的問題，而且可通過點云坐標準確定位檢測位置，為后續(xù)對風洞內(nèi)表面平整度不符合標準的區(qū)域進行修補提供準確的依據(jù)，從而使風洞內(nèi)表面實現(xiàn)全面平整，提高了風洞實驗時模擬風場的品質(zhì)[8]。

1 方法和原理

采用三維激光掃描儀掃描風洞內(nèi)表面，獲取風洞內(nèi)表面的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)點云數(shù)據(jù)集內(nèi)各點的坐標擬合出一個空間平面，計算點集內(nèi)各點相對于所擬合的空間平面的偏差。從而，可以判斷表面平整度誤差是否大于最大允許誤差，據(jù)此可以進一步判斷該點集范圍內(nèi)風洞內(nèi)表面區(qū)域的平整度合格。常用的平面擬合方法有最小二乘法和特征值法[9-11]等。平面方程的一般表達式為：

Ax+By=Cz+D=0,(C≠0)

對于一系列的n個點(n≥3):

(xi,yi,zi),i=0,1,…，n-1

要用點(xi,yi,zi),i=0,1,…，n-1擬合計算上述平面方程，則使：

最小。

要使得S最小，應滿足：

解上述線形方程組，得：a0,a1,a2，故平面方程z=a0x+a1y+a2。

假設每個激光點到擬合平面的距離為d，則：

最終得到的平面擬合度δ為：

2 程序開發(fā)與實現(xiàn)

基于Matlab環(huán)境下開發(fā)的風洞點云平整度檢測程序主要利用計算機高效、快速處理數(shù)據(jù)的功能，將風洞內(nèi)表面的點云數(shù)據(jù)進行加工處理，并將內(nèi)表面平整度情況以可視化的形式進行展示。該程序通過加載點云數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)導入程序。根據(jù)點云數(shù)據(jù)集中各點坐標求出最佳空間擬合平面。計算各點到擬合平面的距離。調(diào)用Matlab中的hist()函數(shù)將距離按大小進行著色并繪制直方圖。將各點到擬合平面的距離以可視化的方式進行風洞內(nèi)表面平整度情況的分析。圖1為風洞點云平整度檢測程序流程圖。

圖1 風洞點云平整度檢測程序流程圖Figure 1 The flatness detection steps of wind tunnel point cloud

風洞平整度的平面擬合和質(zhì)量評估程序開發(fā)采用Matlab進行，關鍵代碼如下：

{

x=x0+dx1;%擬合平面的系數(shù)a,b,c

d=(1/norm(x))*(part_of_second*x+ones(139872,1));% 139872個點到擬合平面的距離

m0=sqrt(norm(d)∧2/(139872-3));%平整度，數(shù)值為正代表凸點，數(shù)值為負代表凹點

hist(x,n) %其中x是一維向量，函數(shù)功能是將x中的最小和最大值之間的區(qū)間等分n份，橫坐標是x值，縱坐標是該值的個數(shù)

hist(d,50);%距離分布直方圖

xlabel(′距離d′)

ylabel(′個數(shù)n′)

}

3 實例分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取采用的掃描儀為FARO Laser Scanner Focus，這是一款相位式三維激光掃描儀，可以在每秒得到約百萬測量點，能對復雜的環(huán)境和幾何形狀進行精確三維重建。激光發(fā)射器通過激光二極管發(fā)射近紅外波長的安全激光束，激光束通過旋轉(zhuǎn)反射鏡對所測對象進行立面的掃描，借助時間解碼器或鑒相器獲取不同點位的反射時間差，從而測出激光與測量點之間的距離，最后編碼器利用采集到的鏡頭旋轉(zhuǎn)角度和水平旋轉(zhuǎn)角度的值，計算出被測地物表面上每個掃描點的三維坐標，最后整合得到被測對象的采樣點集合，稱之為“點云”。 在測量一些不規(guī)則物體時，傳統(tǒng)測量完全發(fā)揮不出作用。而三維激光掃描儀在對不規(guī)則物體的測量建模過程中，在點云的大數(shù)據(jù)量的支持下，模型無論是精細程度還是真實還原性上都得到了大大的提高。圖2表示為三維激光掃描儀拍攝流程。

圖2 三維激光掃描儀拍攝流程Figure 2 The filming process of 3D laser scanner

本研究通過掃描多功能風洞的U型軸線，獲取大量的風洞墻面以及屋頂?shù)募す恻c云數(shù)據(jù)，其中磚墻面一共采集了139872個點，采集后的數(shù)據(jù)通過FARO軟件進行去噪工作。采用本文前面介紹的方法得到墻面的擬合平面方程為：

-0.02529x+0.22057y-0.001236z+

1=0。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上面算法可得出墻面的平整度。墻面點到擬合平面的距離分布如圖3所示，距離分布的統(tǒng)計直方，如圖4所示。根據(jù)距離分布統(tǒng)計直方圖可得，點到平面的距離近似地服從正態(tài)分布。距離最大值為2.4 mm，最小值為-2.7 mm。參照《建筑裝飾裝修工程質(zhì)量驗收規(guī)范》的規(guī)定，墻壁表面工程的表面平整度在3 mm以內(nèi)即符合要求，因此該多功能風洞的墻面平整度符合規(guī)范要求。

圖3 風洞內(nèi)部三維點云Figure 3 The three-dimensional point cloud of wind tunnel internal

圖4 頂墻面各點到擬合平面的距離分布Figure 4 The distribution fitting from top wall each point to fitting plane

關于頂墻平整度情況分布圖制作，采用Excel和Origin制作。先用Excel篩選出3組顏色標簽的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式IF(F2>=0.006,"紅",IF(F2>=0.002,"黃","綠"))，將距離按照閾值進行著色。然后在Origin上分3組畫散點圖，得到的平整度為0.02616，直觀地反映墻面的平整狀況，如圖5所示。同時，從圖6的分析結(jié)果可以明顯看出，墻面點到擬合平面的距離分布集中在[-1，2 mm]，極少為[2，3 mm]的點，說明平整度良好，有利于后續(xù)開展風洞研究工作。

圖5 頂墻距離分布統(tǒng)計直方圖Figure 5 The statistical histogram of top wall histogram distance

圖6 頂墻平整度情況分布圖Figure 6 The distribution diagram of top wall roughness profile

4 總結(jié)

本文基于地面三維激光掃描儀的新技術方法，極大突破傳統(tǒng)測繪方法的瓶頸，創(chuàng)建新型的作業(yè)模式，在數(shù)據(jù)采集效率和成圖精度上均得到較大提高。通過實驗得到墻距離分布統(tǒng)計直方圖和墻面各點到擬合平面的距離分布，以及最終的平整度情況分布圖，以及對點云數(shù)據(jù)的平整度情況分布圖分析，可以提高點云數(shù)據(jù)的平整度檢測精度,為后續(xù)對風洞內(nèi)表面平整度不符合標準的區(qū)域進行修補提供準確的依據(jù)，從而使風洞內(nèi)表面實現(xiàn)全面平整，提高了風洞實驗時模擬風場的品質(zhì)。此套技術還可以運用于建筑物、橋梁變形檢測工程。

[1] 黃福幸.低速風洞數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)研制[D].大連：大連理工大學,2003.

[2] 石坤. 0FDY-1.2型風洞風速控制與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,2007.

[3] 朱朝云,丁國棟,楊明遠.風沙物理學[M].北京：中國林業(yè)出版社，1992.

[4] 范潔川,樊玉辰,姚民裴,等.世界風洞[M].北京：航空工業(yè)出版社，1992.

[5] 李杰,程效軍.三維激光掃描儀在墻面平整度檢測中的應用[J]. 井岡山大學學報:自然科學版, 2014(4):13-17.

[6] 何濤,任海軍,陳端圣,等.建筑表面平整度檢測方法:中國CN102538739A[P].2012

[7] 潘國榮, 谷川, 王穗輝,等. 三維激光掃描擬合直線自動提取算法研究[J]. 大地測量與地球動力學, 2009, 29(01):57-63.

[8] 謝武強,宋楊,王峰,等. 三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用[J]. 城市勘測, 2013(1):12-14.

[9] 官云蘭,程效軍,施貴剛.一種穩(wěn)健的點云數(shù)據(jù)平面擬合方法[J].同濟大學學報:自然科學版,2008, 36(07):981-984.

[10] 葉珉?yún)?，花向紅，陳西江，等.基于正交整體最小二乘平面擬合的點云數(shù)據(jù)去噪方法研究[J].測繪通報,2013(11):37-39.

[11] 蒼桂華,岳建平.基于加權總體最小二乘法的點云平面擬合[J].激光技術,2014,38(03):307-310.

Program Development and Implementation of Roughness Measurement Based on Wind Tunnel Point Cloud

HE Yuanrong, ZHENG Yuanmao

(College of Computer and Information Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, Fujian 361024, China)

A large number of construction, transportation and vehicle engineering problems need to be solved wind tunnel laboratory, in the wind tunnel engineering construction, surface roughness on the surface of wind tunnel has the very high request. The current domestic many wind tunnel can't meet the test requirements, which cause to do experiments in line, eventually lead to extend the construction time limit for project. In order to detect wind tunnel surface roughness, the multifunctional wind tunnel of Xiamen University of Technology as the study area, By the Faro Scene and Matlab, scan point cloud data of wind tunnel side wall and top wall can be acquired, and come true the plane fitting to analyze wall roughnes based on the point cloud,which provides the decision analysis basis for wind tunnel quality detection.

3D laser scanning, wind tunnel, roughness, surface fitting

2016 — 09 — 12

國家自然科學基金面上項目(41574011);福建省自然科學基金面上項目(2016J01199);福建省測繪地理信息科技創(chuàng)新項目(2015J14)

何原榮(1977-)，男，福建漳州人，博士后，副教授，研究方向：地圖制圖學與地理信息工程。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)06 — 0073 — 05