海洋浮动平台三维结构重建的方法和系统与流程

1.本发明涉及海洋技术领域，尤其是指一种海洋浮动平台三维结构重建的方法和系统。


背景技术：

2.海军舰艇等大型浮动平台在使用过程中会长时间暴露在具有挑战性的海洋环境条件下，这会导致腐蚀、生物污垢和结构损坏等问题，因此，定期检查对于评估和维护结构安全是必要的。无人水面艇(unmanned surface vessel，usv)上配备的激光雷达和声纳传感器用于收集水线上方和下方的浮动平台结构的体积点云数据，这些测量值被收集在无人舰艇固定框架中，因此，准确估计舰艇位置和姿态对得到令人满意的3d重建至关重要。由于全球定位系统信号在大型钢结构周围往往严重劣化或不可用，因此需要在同时定位和映射的框架下对其船体结构的平面进行相对导航，由此得到精确的空间结构数据。但是，现有技术无法同时对海军舰艇等大型浮动平台的水线上方和水线下方部分进行重建，并且传统的重建方法不适合大型浮动平台、重建精度低。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种海洋浮动平台三维结构重建的方法和系统，可以同时对海军舰艇等大型浮动平台的水线上方和水线下方部分进行重建、并且重建精度高。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种海洋浮动平台三维结构重建的方法，包括：
5.使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据；
6.将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量模型；
7.提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，结合所述水线上方的测量模型和所述水线下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型。
8.在本发明的一个实施例中，将所述激光雷达装载在移动车辆上，通过所述移动车辆在浮动平台上移动获取多个扫描平面的水线上方的体积点云数据。
9.在本发明的一个实施例中，所述激光雷达由多个沿垂直方向排列的3d激光器组成，每个所述3d激光器在二维扫描平面中采集周围结构的横截面几何形状的点云集。
10.在本发明的一个实施例中，将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，具体为：
11.将每个扫描平面的法向量及距离平行于水平面的3d激光器的扫面平面的垂直距离作为地图参数引入同步定位和映射框架中，使用卡尔曼滤波算法估计车辆姿态和同时关
联的地图参数。
12.在本发明的一个实施例中，所述将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，具体为：
13.通过补偿车辆的侧倾角和俯仰角将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据变换到扫描平面平行于水平面的3d激光器的扫面平面上，将运动平面平行于水面的车辆的运动平面作为投影面，将变换后的水线上方的体积点云数据投影到投影面上。
14.在本发明的一个实施例中，所述提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量数据，具体为：
15.使用分割算法对每个扫描平面在投影面上的投影点数据进行分类得到横截面轮廓，标记和关联多个扫描平面在在投影面上的横截面轮廓得到水线上方的测量模型。
16.在本发明的一个实施例中，所述分割算法为基于点间距离的分割算法。
17.在本发明的一个实施例中，所述声纳传感器为多波束回声测深仪。
18.在本发明的一个实施例中，所述提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，具体为：
19.使用基于反射强度的滤波算法从水线下方的体积点云数据中提取距离数据，使用中值滤波器过滤距离数据中的异常值，将过滤后的距离数据映射到笛卡尔坐标得到水线下方的测量模型。
20.本发明还提供了一种海洋浮动平台三维结构重建的系统，包括采集模块、水线上方测量模型生成模块、水线下方测量模型生成模块和整体模型生成模块，
21.所述采集模块使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据并传送给所述水线上方测量模型生成模块，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据并传送给所述水线下方测量模型生成模块；
22.所述水线上方测量模型生成模块将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量模型并传送给所述整体模型生成模块；
23.所述水线下方测量模型生成模块提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，将所述水线下方的测量模型传送给所述整体模型生成模块；
24.所述整体模型生成模块结合所述水线上方的测量模型和所述水线下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型。
25.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
26.本发明分别通过激光雷达和声纳传感器采集水线上方和水线下方点云数据，并通过将激光雷达的移动位置和采集到的水线上方的点云数据进行关联来建立水线上方的模型，在此基础上与水线下方的点云数据结合得到整体的表面模型，可以实现对海军舰艇等大型浮动平台三维结构的整体重建，重建过程与采集设备的运动关联、重建精度高。
附图说明
27.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合
附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
28.图1是本发明方法的流程图，
29.图2是本发明的结构图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
31.参照图1所示，本发明公开了一种海洋浮动平台三维结构重建的方法，包括以下步骤：
32.s1：使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据。
33.s11：将所述激光雷达装载在移动车辆上，通过所述移动车辆在浮动平台上移动获取多个扫描平面的水线上方的体积点云数据。所述激光雷达由多个沿垂直方向排列的3d激光器组成，每个所述3d激光器在二维扫描平面中通过获取从周围结构反射的点云数据采集周围结构的横截面几何形状的点云集。每个3d激光器采集到的周围结构的横截面几何形状的点云集为一个扫描平面的水线上方的体积点云数据。
34.s12：使用多波束回声测深仪(mbe)对水下结构进行声学扫描。mbe有多个波束分布在120
°
的波束宽度上，该设备通常被垂直安装在船体下方用于海底高程测绘。本实施例中mbe以倾斜配置安装在usv上，以获得从水下侧壁结构反射的点云数据，倾斜角度根据实际进行调整。
35.s2：将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量模型。
36.扫描平面平行于水平面的3d激光器以直角扫描横截面，而其他3d激光器在其结构的横截面上倾斜。同时，水流和波浪会导致测量浮动平台的滚动和俯仰运动，导致获得的横截面相对于结构是扭曲的。因此为了准确估计横截面形状，本实施例中需要将车辆固定框架中的激光雷达测量值转换到同一个平面上。
37.s21：将每个扫描平面的法向量及距离平行于水平面的3d激光器的扫面平面的垂直距离作为地图参数引入同步定位和映射(slam)框架中，这些参数的数学表达式本质上是非线性的，因此使用卡尔曼滤波(ekf)算法估计车辆姿态和同时关联的地图参数。
38.s22：通过补偿车辆的侧倾角和俯仰角将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据变换到扫描平面平行于水平面的3d激光器的扫面平面上，将运动平面平行于水面的车辆的运动平面作为投影面，将变换后的水线上方的体积点云数据投影到投影面上。
39.s23：使用基于点间距离的分割算法(point-distance-based segmentation,pdbs)对每个扫描平面在投影面上的投影点数据进行分类得到横截面轮廓，标记和关联多个扫描平面在在投影面上的横截面轮廓得到水线上方的测量模型。
40.船体结构的平面数据是通过3d激光雷达测量获得的，它们被用作船体相对定位的地标特征。一个向上看的二维激光雷达扫描顶部结构的天花板表面，并使用车辆与天花板表面之间的垂直距离作为相对位置来校正车辆的垂直位置。随着车辆的运动不断从激光雷
达和声纳传感器获得点云数据，将它们结合起来构建一个3d表面地图，考虑到slam滤波器估计的车辆状态。船载3d激光雷达在附近船体结构的多个扫描平面中提取横截面轮廓(黑点)。通过对轮廓形状进行分类，从每次激光扫描中获得线段，然后对它们进行标记和关联，以找到周围结构的平面特征。
41.激光雷达获得的数据的位置坐标定义在浮动平台的固定框架中，这些坐标构建了一个覆盖部分结构的局部地图。为了重建整个结构，本发明采集了许多局部地图并将其与测量车辆的运动相关联；然后，通过组合生成全局地图通过沿车辆轨迹应用坐标变换来收集所有收集的局部地图。因此，全局地图的精度在很大程度上取决于测量过程中导航的准确性。
42.s3：提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型。
43.使用基于反射强度的滤波算法从水线下方的体积点云数据中提取距离数据，使用中值滤波器过滤距离数据中的异常值，将过滤后的距离数据映射到笛卡尔坐标得到水线下方的测量模型。本实施例中考虑到声纳测量的固有噪声特性，应用基于反射强度的滤波算法从获得的声纳测量中提取距离数据。从满足反射强度条件的测量中，提取范围数据并应用中值滤波器来减少所获得数据中的异常值。然后，将过滤后的数据映射到笛卡尔坐标，得到水下环境点云数据。
44.s4：拼接水线上方的测量模型和水线下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型。
45.本发明还公开了一种海洋浮动平台三维结构重建的系统，包括采集模块、水线上方测量模型生成模块、水线下方测量模型生成模块和整体模型生成模块。所述采集模块使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据并传送给所述水线上方测量模型生成模块，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据并传送给所述水线下方测量模型生成模块。所述水线上方测量模型生成模块将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量模型并传送给所述整体模型生成模块。所述水线下方测量模型生成模块提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，将所述水线下方的测量模型传送给所述整体模型生成模块。所述整体模型生成模块结合所述水线上方的测量模型和所述水线下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型。
46.如图2所示是本发明的结构图，主要分为平面表面提取、导航和映射、三维重建三个部分，图2中dvl表示多普勒计程仪、imu表示惯性测量单元(inertial measurement unit)、ahrs表示航姿参考系。本发明可以应用在对无人水面舰艇(usv)等大型海洋浮动平台的三维结构的表面重建工作上。本发明分别通过激光雷达和声纳传感器采集水线上方和水线下方点云数据，并通过将激光雷达的移动位置和采集到的水线上方的点云数据进行关联来建立水线上方的模型，在此基础上与水线下方的点云数据结合得到整体的表面模型，可以实现对海军舰艇等大型浮动平台三维结构的整体重建，重建过程与采集设备的运动关联、重建精度高。便于后续对大型浮动平台进行腐蚀、生物污垢和结构损坏等问题检测，有助于提高结构检查任务的效率和安全性。
47.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
48.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
49.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
50.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于，包括：使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据；将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量模型；提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，结合所述水线上方的测量模型和所述水线下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型。2.根据权利要求1所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：将所述激光雷达装载在移动车辆上，通过所述移动车辆在浮动平台上移动获取多个扫描平面的水线上方的体积点云数据。3.根据权利要求1所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：所述激光雷达由多个沿垂直方向排列的3d激光器组成，每个所述3d激光器在二维扫描平面中采集周围结构的横截面几何形状的点云集。4.根据权利要求3所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，具体为：将每个扫描平面的法向量及距离平行于水平面的3d激光器的扫面平面的垂直距离作为地图参数引入同步定位和映射框架中，使用卡尔曼滤波算法估计车辆姿态和同时关联的地图参数。5.根据权利要求3所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：所述将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，具体为：通过补偿车辆的侧倾角和俯仰角将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据变换到扫描平面平行于水平面的3d激光器的扫面平面上，将运动平面平行于水面的车辆的运动平面作为投影面，将变换后的水线上方的体积点云数据投影到投影面上。6.根据权利要求5所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：所述提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量数据，具体为：使用分割算法对每个扫描平面在投影面上的投影点数据进行分类得到横截面轮廓，标记和关联多个扫描平面在在投影面上的横截面轮廓得到水线上方的测量模型。7.根据权利要求6所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：所述分割算法为基于点间距离的分割算法。8.根据权利要求1所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：所述声纳传感器为多波束回声测深仪。9.根据权利要求1-8任一项所述的海洋浮动平台三维结构重建的方法，其特征在于：所述提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，具体为：使用基于反射强度的滤波算法从水线下方的体积点云数据中提取距离数据，使用中值滤波器过滤距离数据中的异常值，将过滤后的距离数据映射到笛卡尔坐标得到水线下方的测量模型。10.一种海洋浮动平台三维结构重建的系统，其特征在于：包括采集模块、水线上方测量模型生成模块、水线下方测量模型生成模块和整体模型生成模块，
所述采集模块使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据并传送给所述水线上方测量模型生成模块，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据并传送给所述水线下方测量模型生成模块；所述水线上方测量模型生成模块将所述激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上，提取整合到一个平面上的水线上方的体积点云数据的特征得到水线上方的测量模型并传送给所述整体模型生成模块；所述水线下方测量模型生成模块提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，将所述水线下方的测量模型传送给所述整体模型生成模块；所述整体模型生成模块结合所述水线上方的测量模型和所述水线下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型。

技术总结
本发明涉及海洋技术领域，公开一种海洋浮动平台三维结构重建的方法和系统，方法包括：使用激光雷达从水线上方的浮动平台表面收集多个扫描平面的水线上方的体积点云数据，使用声纳传感器从水线下方的浮动平台表面收集水线下方的体积点云数据；将激光雷达的移动位置和多个扫描平面的水线上方的体积点云数据进行关联，将多个扫描平面的水线上方的体积点云数据整合到一个平面上并提取特征得到水线上方的测量模型；提取水线下方的体积点云数据的特征得到水线下方的测量模型，结合水线上方和下方的测量模型得到浮动平台的整体表面模型；系统包括实现各步骤的模块。本发明可以实现对海军舰艇等大型浮动平台三维结构的整体重建、重建精度高。重建精度高。重建精度高。


技术研发人员：袁亚飞 金昂 童立青
受保护的技术使用者：苏州艾秒科技有限公司
技术研发日：2022.12.06
技术公布日：2023/5/13