三维激光扫描技术数字工厂解决方案

三维激光扫描技术数字工厂解决方案武汉海达数云技术有限公司2016年1月武汉海达数云技术有限公司1/33目录一、应用背景.....................................................................................................................2二、基本原理.....................................................................................................................3三、推荐方案.....................................................................................................................63.1硬件方案....................................................................................................................63.2软件方案....................................................................................................................73.2.1点云预处理软件（HD3LSScene）...............................................................83.2.2点云建模软件（HDPtCloudModeling）......................................................93.2.3点云建模软件（HDCityModeling）...........................................................103.2.4三维虚拟应用平台（HDMapCloud3DVirtual）.........................................10四、实施流程...................................................................................................................114.1总体流程..................................................................................................................114.2原始数据采集..........................................................................................................134.3点云数据预处理......................................................................................................144.4厂房半自动化建模..................................................................................................164.5结构件自动化建模..................................................................................................204.6零部件自动化建模..................................................................................................234.7可视化管理..............................................................................................................25五、成功案例...................................................................................................................265.1某工厂数字化建设项目..........................................................................................265.2某变电站数字化项目..............................................................................................285.3某船舶内部数字化项目..........................................................................................29六、公司简介...................................................................................................................32武汉海达数云技术有限公司2/33一、应用背景随着信息技术的发展，数字工厂建设的步伐越来越快，特别是三维数字工厂建设更是目前的热点，在三维数字工厂建设工程中，不但需要采集大量的三维坐标信息和属性信息，还需要进行精细化建模、几何模型数据的可量测性和精度。需求的发展带动了技术的进步，一些相关三维技术也相继出现或在原有基础上有了长足进步，虚拟显示、数字城市、数字博物馆、数字工厂等新名词相继出现并开始进入应用阶段。这些技术都或不可缺的需要进行三维几何建模，而传统的人工测量模式已经逐渐不能胜任人们对复杂曲面物体的建模需求。随着信息化时代的发展需求，工厂的经营管理、生产运营等生产过程和日常管理逐步走进全息化管理阶段。如何以生动直观的形式展现工厂现状，并以此为基础实现更多的分析、模拟、演练和培训等功能，对我们提出挑战。可见数字化工厂的建立需要现状工厂模型作为基础数据支撑国内工厂往往建构筑物密集，很多建构筑物不但结构复杂、几何形状还不规则，若采用传统测量方式进行数据采集，不但采集效率较低，还会收到一定的测量环境条件限制。不同于传统的建模手段，三维激光扫描仪采用非接触的测量方法，直接得到真实物体表现的采样点，基点云数据，利用点云数据既可以重构出任意曲面。这种方法不受曲面复杂度影响，表面采集密度足够的话可以达到很高的重构精度，因此三维激光扫描技术及相关数据建模技术解决方案有独天得厚的优势。采用三维激光扫描技术，可快速获取详细点云数据，通过点云数据提取相关建构筑物的体型模型，极大的提高了数字化采集效率，还可以消除人工采集数据可能存在的粗差。三维激光扫描仪应用可以改善传统的工作方式，可以建立有效的工厂车间资产管理系统，为工厂的安全、设计、改造、维护等方面提供数据基础。与传统方法相比，它既可以节省外业工作时间，缩短工期，又可以将建筑、管道等信息全部记录下来，方便后期二维出图与三维建模，从而更好的对工厂设施进行设计管理，三维激光扫描技术在工厂数字化、管道数字化的应用上有着很成熟的技术系统。因此利用三维激光扫描技术得到的点云数据建设三维数字工厂数据是目前最优的解决方案。武汉海达数云技术有限公司3/33图1复杂的工厂结构二、基本原理三维激光扫描系统是继GPS(GlobalPositionSystem)技术以来测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。武汉海达数云技术有限公司4/33图2三维激光扫描仪组成无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。点云坐标测量原理如下图所示。被测点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义,XY面为横向扫描面,Z轴与横向扫描面垂直。武汉海达数云技术有限公司5/33地面三维激光扫描系统主要由三部分组成:扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。在仪器通过两个同步反射镜快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间(或者相位差)来计算距离,同时内置精密时钟控制编码器,同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ,因此任意一个被测云点P的三维坐标为:激光扫描系统的原始观测数据除了两个角度值和一个距离值，还有扫描点的反射强度I，用来给反射点匹配颜色。拼接不同站点的扫描数据时,需要用公共点进行变换,以统一到同一个坐标系统中，公共点多采用球形目标。图3三维激光扫描仪工作原理武汉海达数云技术有限公司6/33三、推荐方案本推荐解决方案采用国外国内先进的三维激光硬件及软件组成，结合中海达自主研发相关产品及丰富的工程项目经验，集成一整套完整的解决方案，此方案主要包含硬件方案、软件方案两部分组成。3.1硬件方案国内常见工厂类型大致分为：变电站、石油石化厂、生产加工厂三大类型，由于不同类型工厂结构不一样，所以采用两种硬件推荐方案。国产型：中海达HS系列高精度地面三维激光扫描仪适用类型：石油石化、厂房、仓库，范围较大区域。产品特点：距离远、精度高、范围广详细参数：图4中海达HS系列详细参数武汉海达数云技术有限公司7/33进口型：Z+F系列地面三维激光扫描仪适用类型：变电站、管道、室内，范围较小区域。产品特点：精度高、扫描快详细参数：图5Z+F系列详细参数3.2软件方案本软件方案全部采用中海达自主研发系列软件，中海达在多年致力于国产三维激光应用研究中，结合多类型项目经验，研发出了一整套完整的全流程解决方案，从点云数据预处理、点云建模、虚拟三维应用多环节进行开发，定制了一套符合国内生产标准及相应需求的软件。整套软件包含点云预处理软件（HD3LSScene）、CAD平台点云建模软件（HDPtCloudModeling）、3DMax平台点云建模软件（HDCityModeling）、三维虚拟应用平台（HDMapCl