一種軌道建筑空間3d點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，該方法通過車載激光掃描儀鏡頭轉(zhuǎn)動一圈的時間內(nèi)車輛二側(cè)輪子的行走距離，求得在這段時間內(nèi)車輛輪子在軌道上行走軌跡弧線的二個起始點對應(yīng)的二條等效彎曲半徑及其轉(zhuǎn)動夾角，將前一時刻至當(dāng)前時刻內(nèi)的掃描點近似地投影至當(dāng)前時刻的等效半徑線上，求得當(dāng)前等效彎曲半徑線上的點與前一時刻等效半徑線上相同點的關(guān)系，從而完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有算法簡單、硬件需求低等優(yōu)點。
【專利說明】一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)處理方法，尤其是涉及一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]城市軌道交通運(yùn)營管理的發(fā)展，需要對地下隧道的軌道線路沿線建筑空間形狀進(jìn)行記錄，作為數(shù)字化維護(hù)保障管理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫。將3D激光掃描儀設(shè)置成2D掃描模式并安裝在軌道小車上，可快速完成對沿線建筑空間形狀數(shù)據(jù)的采集。由于2D掃描只能采集到獨立的建筑截面數(shù)據(jù)，若要重建隧道3D建筑空間，還需要知道移動2D掃描車輛的行走路徑與姿態(tài)，生成缺失的坐標(biāo)信息后，才可將許多2D截面數(shù)據(jù)按照實際情況拼接起來。按常理，要使行走車輛可記錄軌道曲直度行走軌跡，需要引入慣性導(dǎo)航(MU)結(jié)合全球定位系統(tǒng)(GPS)的空間定位方法。由于MU系統(tǒng)復(fù)雜且價格昂貴，在地下隧道又無法引入GPS系統(tǒng)，這種方法并不可行。已申請發(fā)明專利《一種城市軌道交通檢修小車定位系統(tǒng)》(申請?zhí)?01110211175.3)提出了利用光電編碼器和光電傳感器來檢測軌道小車的行走距離，但是該專利描述的技術(shù)能檢測到的行走軌跡是關(guān)于直線標(biāo)量的距離，還不能獲得小車在彎曲軌道上行走時的軌跡矢量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種算法簡單、硬件需求低的軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。
[0004]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，該方法通過沿軌道運(yùn)行的工務(wù)檢測車實現(xiàn)，包括以下步驟:
[0006]一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，該方法通過沿軌道運(yùn)行的工務(wù)檢測車實現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]I)周期性地讀取工務(wù)檢測車同一輪軸兩側(cè)的車輪在當(dāng)前時刻η的位置信息，并與前一時刻η-l的位置信息相比較，由此計算出兩側(cè)車輪的位移信息C1和C2 ；
[0008]2)由位移信息C1X2和軌道的軌距L，分別計算出時刻η車輛位置點軌道的等效彎曲半徑與內(nèi)側(cè)軌道相交點的長度U和與外側(cè)軌道相交點的長度L+Ld,以及該時刻等效彎曲半徑與前一時刻η-l等效彎曲半徑的夾角Θ ；
[0009]3)將前一時刻η-l至當(dāng)前時刻η之間的螺旋式行進(jìn)掃描點近似投影到η時刻的等效彎曲半徑線上；
[0010]4)對當(dāng)前時刻η等效半徑線上的每一掃描點Pn作垂線，此垂線終止于前一時刻η-l半徑線，該終點是對應(yīng)時刻η等效半徑上點Pn的時刻η-l等效半徑上的點Plri，并計算該垂線距離Cx ；
[0011]5)根據(jù)Θ和Cx計算點Pn由其所在的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到點Plri所在坐標(biāo)系的偏移值Δ ux和Δ νχ，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；
[0012]6)重復(fù)步驟3)?步驟5)，計算當(dāng)前時刻η等效半徑線上所有的點轉(zhuǎn)換到前一時刻η-l的坐標(biāo)系中的偏移值，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)并輸出。
[0013]步驟I)中信息讀取時刻的周期與工務(wù)檢測車的激光掃描儀鏡頭的旋轉(zhuǎn)周期同步，使得所計算的位移信息C1和C2有足夠精度。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于移動式2D激光掃描技術(shù)對隧道建筑空間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，利用簡單的雙輪光電編碼器獲取隧道的縱向曲線信息，通過將螺旋式行進(jìn)掃描點近似為截面式掃描點，巧妙地解決了將移動式2D掃描數(shù)據(jù)拓展成3D掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方法，通過對數(shù)據(jù)線下處理有效完成了對移動掃描點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。該發(fā)明涉及的算法簡單、硬件需求低，并且可廣泛應(yīng)用于其它類似場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0016]圖2為本發(fā)明坐標(biāo)變換的原理圖，其中圖2(a)為實際的掃描軌跡，圖2 (b)為激光掃描儀掃描得到的掃描軌跡；
[0017]圖3為2D點云數(shù)據(jù)近似表示的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]實施例
[0020]本發(fā)明的原理是將激光掃描儀輸出的2D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D點云數(shù)據(jù)，2D移動掃描實際上在Y方向上是螺旋形行走的空間軌跡，但是由于系統(tǒng)僅能在每個掃描鏡頭周期輸出同步信號時讀取2D掃描數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可近似為相互獨立的建筑形狀截面{X，Z}的數(shù)據(jù)。偌要把這些截面拼接起來形成{X，Y，Z}空間，還需要補(bǔ)充缺失的Y軸信息。由于代表前進(jìn)方向的Y軸可以是彎曲的，將每一個截面{X，Z}的掃描數(shù)據(jù)在水平面上的投影線看作是一特定X-Y坐標(biāo)系中的X軸線，那么3D數(shù)字空間的建立就是將這些在不同X-Y坐標(biāo)系里的{X，Z}數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到一個統(tǒng)一的的X-Y坐標(biāo)系內(nèi)。由于不同截面在Z方向的高度一致，因此不需要做調(diào)整。該方法通過沿軌道運(yùn)行的工務(wù)檢測車實現(xiàn)，具體包括如圖1所示的幾個步驟:
[0021]I)首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對激光掃描儀的信號進(jìn)行同步，周期性地讀取工務(wù)檢測車同一輪軸兩側(cè)的車輪在當(dāng)前時刻η的位置信息，通過與前一時刻η-l的位置信息相t匕，計算出兩側(cè)車輪的位移信息C1和C2。其中信息讀取時刻的周期與工務(wù)檢測車的激光掃描儀鏡頭的旋轉(zhuǎn)周期同步，使得所計算的位移信息C1和C2有足夠精度。
[0022]2)由位移信息C1X2和軌道的軌距L，分別計算出時刻η車輛位置點軌道的等效彎曲半徑與內(nèi)側(cè)軌道相交點的長度U和與外側(cè)軌道相交點的長度L+Ld,以及該時刻等效彎曲半徑與前一時刻η-l等效彎曲半徑的夾角Θ ；
[0023]3)將前一時刻η-l至當(dāng)前時刻η之間的螺旋式行進(jìn)掃描點近似投影到η時刻的等效彎曲半徑線上；
[0024]4)對當(dāng)前時刻η等效半徑線上的每一掃描點Pn作垂線，此垂線終止于前一時刻η-1半徑線，該終點是對應(yīng)時刻η等效半徑上點Pn的時刻η-l等效半徑上的點Plri，并計算該垂線距離Cx ；
[0025]5)根據(jù)Θ和Cx計算點Pn由其所在的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到點Plri所在坐標(biāo)系的偏移值Δ Ux和Δ νχ，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；
[0026]6)重復(fù)步驟3)~步驟5)，計算當(dāng)前時刻η等效半徑線上所有的點轉(zhuǎn)換到前一時刻η-l的坐標(biāo)系中的偏移值，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)并輸出。
[0027]具體原理如圖2和圖3所示，其中圖2是將實際上螺旋形空間掃描點近似為多截面合成空間點的原理，在圖3中{Χμ,Υμ}是η-l時刻的坐標(biāo)系，{X' n,Y' J是η時刻如果是直線前進(jìn)時的坐標(biāo)系，{Χη，Υη}是η時刻如果是彎曲前進(jìn)時的坐標(biāo)系，Pn(xn，yn)為當(dāng)前時刻η在等效半徑線上的任意點，Plri (Xn-^yn-!)為前一時刻η-l半徑線與點Pn(xn，yn)對應(yīng)的點，垂線Cx起于Pn(xn，yn)垂足為Plri (xn_1; yn_i)。Θ為彎曲度，L為軌距，L0為軌距內(nèi)側(cè)距圓心的距離，CpC2;為內(nèi)側(cè)、外側(cè)和軌道中點的移動距離。計算時，L已知，CpC2可測，則可得:
[0028]C2 = (L+L0) X Θ , C1 = L0X Θ
[0029]L0= (C1XLV(C2-C1), Θ = (C2-C1) /L
[0030]C0 = (CJC1) /2
[0031]對于等效半徑線 上任意點X:
[0032]Cx = C0X (L/2+Lq+x)/(L0+L/2)
[0033]對于前一時刻坐標(biāo)系對應(yīng)點的偏移量:
[0034]Δ ux = Cx X sin θ，Δ vx = Cx X cos θ
[0035]其坐標(biāo)變換關(guān)系為:
[0036]χη = χη_「Δ ux (η)
[0037]yn = yn_!+ Δ vx (η)
[0038]zn = zn。
【權(quán)利要求】
1.一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，該方法通過沿軌道運(yùn)行的工務(wù)檢測車實現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟: 1)周期性地讀取工務(wù)檢測車同一輪軸兩側(cè)的車輪在當(dāng)前時刻η的位置信息，并與前一時刻η-1的位置信息相比較，由此計算出兩側(cè)車輪的位移信息C1和C2 ； 2)由位移信息C1X2和軌道的軌距L，分別計算出時刻η車輛位置點軌道的等效彎曲半徑與內(nèi)側(cè)軌道相交點的長度U和與外側(cè)軌道相交點的長度L+Ld,以及該時刻等效彎曲半徑與前一時刻η-l等效彎曲半徑的夾角Θ ； 3)將前一時刻η-l至當(dāng)前時刻η之間的螺旋式行進(jìn)掃描點近似投影到η時刻的等效彎曲半徑線上； 4)對當(dāng)前時刻η等效半徑線上的每一掃描點Pn作垂線,此垂線終止于前一時刻η-l半徑線，該終點是對應(yīng)時刻η等效半徑上點Pn的時刻η-l等效半徑上的點Ρη_1;并計算該垂線距離Cx ； 5)根據(jù)Θ和Cx計算點Pn由其所在的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到點Plri所在坐標(biāo)系的偏移值A(chǔ)ux和Δ νχ，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換； 6)重復(fù)步驟3)?步驟5)，計算當(dāng)前時刻η等效半徑線上所有的點轉(zhuǎn)換到前一時刻η-1的坐標(biāo)系中的偏移值，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)并輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軌道建筑空間3D點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，步驟I)中信息讀取時刻的周期與工務(wù)檢測車的激光掃描儀鏡頭的旋轉(zhuǎn)周期同步。
【文檔編號】B61L25/00GK103577670SQ201210262436
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月26日
【發(fā)明者】周民立 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)