三維激光掃描系統(tǒng)在回轉(zhuǎn)窯形體測(cè)量中的應(yīng)用

陳 龍 鄒進(jìn)貴

1 中鐵四院集團(tuán)工程建設(shè)有限責(zé)任公司，湖北武漢，430063

2 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢，430079

3武漢大學(xué)精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430079

水泥回轉(zhuǎn)窯是新型干法水泥生產(chǎn)線的核心設(shè)備，在水泥生產(chǎn)過程中起著至關(guān)重要的作用［1］?；剞D(zhuǎn)窯在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生一定程度的變形，形變超限可能導(dǎo)致窯體發(fā)生事故，所以定期對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行變形分析尤為必要。李安平［2］提出了一種在停窯狀態(tài)下利用鋼絲記錄筒體跳動(dòng)值數(shù)據(jù)再處理的方法；陳明非［3］利用傳統(tǒng)力學(xué)方法計(jì)算支承點(diǎn)，再利用有限元軟件分析應(yīng)力分布狀況，以確定筒體危險(xiǎn)截面；李志明等［4］比較了常用的幾種回轉(zhuǎn)窯動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。但這些方法都有各自的缺陷，其中，對(duì)輪帶直徑的測(cè)量是通過摩擦輪與輪帶之間的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)算得到的，所以這種方法存在很大誤差。

三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、效率高、信息量大、高度自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)［5］，被廣泛應(yīng)用于工程與工業(yè)測(cè)量、城市形態(tài)分析、海島礁高精度測(cè)圖、變形監(jiān)測(cè)等方面。它克服了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的局限性，成為獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)高精度空間信息的重要方法［6］。

本文在三點(diǎn)測(cè)量法［4］的基礎(chǔ)上，在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行狀態(tài)下，利用三維激光掃描系統(tǒng)獲取其輪帶表面的點(diǎn)云，從而計(jì)算得到輪帶直徑及窯體偏移量，以提高測(cè)量效率。

1 回轉(zhuǎn)窯測(cè)量方法

1.1 三維激光掃描儀測(cè)量原理

三維激光掃描儀的工作過程實(shí)際上是一個(gè)不斷重復(fù)數(shù)據(jù)采集與處理的過程，它通過一定空間分辨率的點(diǎn)組成的點(diǎn)云來表示對(duì)目標(biāo)物體的掃描結(jié)果。

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀與其他附屬設(shè)備構(gòu)成。儀器內(nèi)部的激光脈沖二極管發(fā)射的激光脈沖在旋轉(zhuǎn)棱鏡作用下，沿水平方向和豎直方向掃過被測(cè)區(qū)域，激光脈沖被物體反射后經(jīng)過探測(cè)器被接收和記錄［7，8］，通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成能夠直接處理的數(shù)據(jù)信息，再經(jīng)過軟件處理建模輸出。通過激光脈沖傳播的時(shí)間及速度可以計(jì)算儀器到掃描點(diǎn)的距離，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)棱鏡的角度值可得到激光脈沖在水平方向和豎直方向的角度［9］，由此即可得到目標(biāo)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

如圖1所示，激光束在X O Y面的投影與掃描儀坐標(biāo)系X軸的夾角為α，與X O Y面的夾角為β，儀器中心到掃描目標(biāo)點(diǎn)的距離為s，則掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量原理Fig.1 Measurement Principle of Scan Point Coordinates

式中，s為儀器到目標(biāo)的距離；α、β分別為儀器掃描的水平角和豎直角。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差主要由測(cè)距誤差和測(cè)角誤差造成，其單點(diǎn)位置精度可表示為：

式中，ms為三維激光掃描儀的測(cè)距精度；mα、mβ為測(cè)角精度；ρ取206 265。由式（2）可知，同一掃描儀的單點(diǎn)定位精度會(huì)隨著測(cè)距的增大而降低，同時(shí)為了保證有更多的返回?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)保持一定入射角，避免入射激光與入射點(diǎn)曲面法線所形成的夾角過大，造成測(cè)量精度降低甚至測(cè)量失效［10］。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。由于回轉(zhuǎn)窯窯體距離地面約4 m，且考慮實(shí)際情況需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行時(shí)窯體表面溫度都在200℃以上，使用傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)方式會(huì)耗費(fèi)大量人力、物力，且難度較大。綜合考慮以上情況，使用三維激光掃描測(cè)量比較適合現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖2 回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure Diagram of Rotary Kiln

對(duì)某水泥廠回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行形變測(cè)量，分析輪帶變形程度及窯體軸心偏離程度。本次測(cè)量使用的是徠卡P50激光掃描儀，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 徠卡P50主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main Technical Parameters of Leica P50

如圖3所示，在回轉(zhuǎn)窯窯體一側(cè)靠近中點(diǎn)的位置架設(shè)激光掃描儀，保證能夠無遮擋地對(duì)窯體進(jìn)行掃描測(cè)量。由文獻(xiàn)［11］可知，將掃描儀放置于窯體中心且距窯體的距離約為窯長(zhǎng)（S）的一半時(shí)精度最高。首先對(duì)整個(gè)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行粗掃描，然后在粗掃描的基礎(chǔ)上對(duì)3個(gè)輪帶進(jìn)行精掃描，將掃描結(jié)果導(dǎo)出到電腦，完成外業(yè)測(cè)量工作。

圖3 回轉(zhuǎn)窯激光掃描測(cè)量示意圖Fig.3 Diagram of Laser Scanning Measurement for Rotary Kiln

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

一方面，掃描儀粗掃描采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將窯體周圍的地物信息一同掃描進(jìn)去；另一方面，由于窯體在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，同時(shí)，因輪帶溫度過高對(duì)其進(jìn)行噴水降溫而產(chǎn)生的蒸汽會(huì)使掃描點(diǎn)出現(xiàn)較大誤差。故為了得到更好的擬合精度，需要先通過人工識(shí)別和濾波去噪算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理一般都是在商用點(diǎn)云處理軟件（如Geomagic Studio）中進(jìn)行，其步驟大致為：①對(duì)預(yù)處理后的輪帶數(shù)據(jù)進(jìn)行圓柱擬合；②再以擬合后的輪帶1及輪帶3的圓柱中心坐標(biāo)建立x軸，z軸垂直于x軸豎直向上，和y軸構(gòu)成左手坐標(biāo)系；③判斷輪帶2圓柱中心坐標(biāo)在水平和豎直方向的偏移量。但是在實(shí)際操作過程中，每次選擇不同的點(diǎn)云范圍，圓柱擬合結(jié)果也有差異。此外，該擬合過程是在圓柱參數(shù)未知的條件下進(jìn)行的，所以需要通過人工多次擬合才能得到一個(gè)更接近真實(shí)情況的圓柱參數(shù)。為了排除人為選擇點(diǎn)云的主觀因素干擾，同時(shí)提高數(shù)據(jù)處理效率，本文設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)窯數(shù)據(jù)處理軟件。

自編軟件的數(shù)據(jù)處理流程為：

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。通過人工識(shí)別手段和濾波去噪算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2）設(shè)置圓柱參數(shù)，包括圓柱大致半徑區(qū)間，圓柱大致高度區(qū)間。對(duì)其加以約束是為了在擬合輪帶過程中能更迅速準(zhǔn)確地尋優(yōu)。

3）輪帶擬合。本文運(yùn)用基于遺傳算法的三維空間柱面擬合方法，以空間圓柱面的圓柱參數(shù)（圓柱軸線 上 一 點(diǎn)M(X0，Y0，Z0)，軸線方向向量v=(m，n，p)，半徑R）作為辨識(shí)參數(shù)值，以最小二乘原理建立優(yōu)化函數(shù)［12，13］，見式（3），算法流程見圖4。

圖4 基于遺傳算法的圓柱面擬合流程圖Fig.4 Flow Chart of Cylindrical Surface Fitting Based on Genetic Algorithm

4）計(jì)算偏移量。將擬合好的3個(gè)輪帶圓柱中心點(diǎn)坐標(biāo)投影到XOY面及XOZ面，即可計(jì)算水平與豎直方向的偏移量。

2 工程應(yīng)用

取某次回轉(zhuǎn)窯觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用剔除誤差點(diǎn)后保留的數(shù)據(jù)對(duì)輪帶進(jìn)行擬合，從左至右依次為輪帶1、輪帶2、輪帶3。圖5為回轉(zhuǎn)窯窯體及3個(gè)輪帶擬合的總體示意圖。

圖5 回轉(zhuǎn)窯窯體及3個(gè)輪帶擬合總體示意圖Fig.5 Overall Diagram of Rotary Kiln Body and Three Tires Fitting

輪帶1點(diǎn)云數(shù)據(jù)如表2所示，輪帶1設(shè)計(jì)直徑為5 900 mm。對(duì)輪帶1數(shù)據(jù)分別用Geomagic Studio軟件與自編軟件進(jìn)行處理，圖6和圖7分別為使用兩種方式擬合輪帶直徑分布的散點(diǎn)圖，使用兩種方式各擬合了20次，用Geomagic Studio擬合并剔除錯(cuò)誤圓柱共耗時(shí)約半小時(shí)，自編軟件耗時(shí)約30 s。

圖6 輪帶1擬合示意圖Fig.6 Fitting Diagram of Wheel 1

圖7 輪帶1的兩種方法擬合結(jié)果Fig.7 Fitting Results of Wheel 1 by Two Methods

表2 輪帶1點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.2 Point Cloud Coordinate Data of Wheel 1

利用自編軟件對(duì)3組輪帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各輪帶的直徑及輪帶2相對(duì)于輪帶1、輪帶3的偏移量。

為了檢驗(yàn)程序的可靠性，本文利用商業(yè)軟件Geomagic Studio對(duì)同樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。兩者處理結(jié)果如表3所示。兩種方法得到的結(jié)果互差都在1 mm之內(nèi)，這表明自編軟件的處理結(jié)果是可靠的，并且自編軟件有效地縮短了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，大大提高了回轉(zhuǎn)窯數(shù)據(jù)處理的效率。

表3 兩種方法處理結(jié)果對(duì)比/mmTab.3 Comparison of Processing Results of Two Methods/mm

3 結(jié)束語

三維激光掃描系統(tǒng)能夠快速及高精度地獲取目標(biāo)物體點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)特性，本文將其運(yùn)用于運(yùn)轉(zhuǎn)中的回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行形變分析，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，三維激光掃描表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，且自編軟件能應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯的數(shù)據(jù)處理，可為相關(guān)工業(yè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析提供借鑒。