CC BY
47
РАЗРАБОТКА МОБИЛЬНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СКАНЕРОВ НА ПРИМЕРЕ АПК «СКАНПУТЬ»
Павел Михайлович Секачев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС), 630049, г. Новосибирск-49, ул. Дуси Ковальчук, 191, ведущий инженер научно-инженерного дорожного центра, тел. +7-903-902-94-97, e-mail: sekachev.p@yandex.ru
В статье рассмотрена структурная схема и особенности реализации мобильного лазерного сканера АПК «Сканпуть». Приведены результаты исследований.
Ключевые слова: мобильное лазерное сканирование, технология сканирования, облако точек, обработка данных, трехмерная модель, геометрические параметры железной дороги.
DEVELOPMENT OF MOBILE LASER SCANNER FOR EXAMPLE HSC "SKANPUT"
Pavel M. Sekachev
Federal government budgetary institution of higher education “Siberian Transport University”, 630049, city Novosibirsk, Dusi Kovalchuk street, 191, senior engineer in research engineering railway center, tel. +7-903-902-94-97, e-mail: sekachev.p@yandex.ru
The article describes the structural features of the scheme and the implementation of a mobile laser scanner HSC "Skanput”. The article contains research results.
Key words: mobile laser scanning, scanning technology, cloud of points, data processing, three-dimensional model, geometric parameters of the railway.
В 2009 году перед центром НИДЦ СГУПС была поставлена задача -разработать аппаратно-программный комплекс с системой лазерного сканирования. Основное назначение комплекса - создание цифровой модели железнодорожного полотна на основе данных лазерного сканирования.
На этапе проектирования комплекса была разработана структурная схема, представленная на рис. 1.
Для построения точечной модели по результатам мобильного лазерного сканирования необходимо точно синхронизировать данные от лазерных сканеров и информацию о текущем пространственном положении всего комплекса. Для синхронизации данных был разработан протокол, который обеспечивает синхронизацию всех получаемых данных по показаниям спутниковой аппаратуры и датчика пройденного пути.
Положение комплекса определяется по данным блока пространственной ориентации (БПО) и по данным спутниковой аппаратуры позиционирования. В состав БПО входят гироскопы и акселерометры, которые фиксируют перемещение всего комплекса в пространстве относительно стартовой точки.
По результатам работы БПО можно получить точную информацию о перемещении всей системы в относительных координатах.
Рис. 1. Структурная схема АПК «Сканпуть»
Спутниковая аппаратура позволяет получить абсолютные координаты местоположения комплекса в пространстве. Для коррекции положения антенны спутниковой аппаратуры используются данные от БПО и от датчика ширины колеи. Если работа спутниковой аппаратуры затруднена или невозможна (съемка в тоннеле), то комплекс работает в относительной системе координат. Пройденное расстояние дополнительно контролируется по показаниям датчика пройденного пути.
Весь процесс съемки контролируется и управляется с ноутбука. На ноутбук ведется запись с видеокамеры для возможной детализации объектов при постобработке данных.
Итогом этапа проектирования стал опытный образец, который представлен на рис. 2.
При тестировании опытного образца комплекса выявились следующие проблемы:
1. Не обеспечивается однозначность сборки и разборки конструкции. Так как геометрические параметры расположения лазерных сканеров учитываются при построении точечной модели, любое их изменение оказывает непосредственное влияние на точность полученных данных.
2. Расположение лазерных сканеров над одним из рельсов не обеспечивало съемки всех необходимых элементов балластной призмы железнодорожного полотна.
3. Недостаточно точно соблюдалось требование к соосности БПО и несущей конструкции для правильного определения углов ориентирования комплекса в пространстве. Ошибки в определении величин этих углов отрицательно сказывались на точности конечных данных.
4. Определение всех значимых геометрических параметров и относительные и абсолютные координаты центров сканирования лазерных сканеров были выполнены с недостаточной точностью.
Рис. 2. Опытный образец АПК «Сканпуть»
Результатом решения всех этих проблем стал модернизированный комплекс мобильного лазерного сканирования АПК «Сканпуть», рисунок 3.
В несущей конструкции комплекса появились дополнительные упоры и ограничители, которые позволили обеспечить однозначность сборки и разборки комплекса. Новое размещение лазерных сканеров обеспечило съемку всех необходимых элементов балластной призмы железнодорожного полотна. БПО был установлен соосно с несущей ходовой тележкой. Для уточнения всех значимых геометрических параметров был построен калибровочный полигон. После консультаций со специалистами по трансформации координат был исправлен алгоритм перехода от одной системы координат к другой.
В 2010 году АПК «Сканпуть» был окончательно завершен и введен в эксплуатацию.
Мобильный лазерный сканер АПК «Сканпуть» полностью выполняет свою основную задачу - создание точечной модели железнодорожного полотна. И имеет следующие особенности:
1. Позволяет получить точечную модель железнодорожного полотна, по которой впоследствии можно проводить измерения геометрических параметров;
2. Позволяет построить высокоточную цифровую модель пути, которая содержит все геометрические параметры железнодорожного пути;
3. Позволяет разбивать пикетаж в реальном времени с высокой точностью;
4. Осуществляет видеосъёмку железнодорожного полотна с привязкой к пикетажу;
5. Вся необходимая информация о ходе работы и о состоянии комплекса выводится на экран ноутбука;
6. Для удобства оператора пройденное расстояние выводится на специальный монитор пикетных расстояний.
Веха
Рис. 3. Внешний вид АПК «Сканпуть»
Результаты испытаний опытного образца аппаратно-программного комплекса приведены в табл. 1.
Таблица 1. Погрешность определения координат по точечной модели
Номер цикла измерений Количество измерений в одном цикле Погрешность определения координат, м
X Y H
1 9 0.612 0.361 0.742
2 9 0.413 0.573 0.812
3 9 0.511 0.362 0.682
4 9 0.425 0.409 0.778
Результаты испытаний АПК «Сканпуть» после доработки и модернизации приведены в табл. 2.
Номер цикла измерений Количество измерений в одном цикле Погрешность определения координат, м
X Y H
1 8 0.023 0.024 0.027
2 9 0.027 0.024 0.030
3 9 0.013 0.036 0.021
4 8 0.025 0.031 0.029
© П.М. Секачев, 2012
