一種軌道建筑空間3d點云數據轉換方法
【專利摘要】本發明涉及一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法，該方法通過車載激光掃描儀鏡頭轉動一圈的時間內車輛二側輪子的行走距離，求得在這段時間內車輛輪子在軌道上行走軌跡弧線的二個起始點對應的二條等效彎曲半徑及其轉動夾角，將前一時刻至當前時刻內的掃描點近似地投影至當前時刻的等效半徑線上，求得當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系，從而完成坐標轉換。與現有技術相比，本發明具有算法簡單、硬件需求低等優點。
【專利說明】一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種數據處理方法，尤其是涉及一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法。
【背景技術】
[0002]城市軌道交通運營管理的發展，需要對地下隧道的軌道線路沿線建筑空間形狀進行記錄，作為數字化維護保障管理信息系統的空間數據庫。將3D激光掃描儀設置成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據的采集。由于2D掃描只能采集到獨立的建筑截面數據，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，生成缺失的坐標信息后，才可將許多2D截面數據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，需要引入慣性導航(MU)結合全球定位系統(GPS)的空間定位方法。由于MU系統復雜且價格昂貴，在地下隧道又無法引入GPS系統，這種方法并不可行。已申請發明專利《一種城市軌道交通檢修小車定位系統》(申請號201110211175.3)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能檢測到的行走軌跡是關于直線標量的距離，還不能獲得小車在彎曲軌道上行走時的軌跡矢量。

【發明內容】

[0003]本發明的目的就是為了克服上述現有技術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點云數據轉換方法。
[0004]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0005]一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法，該方法通過沿軌道運行的工務檢測車實現，包括以下步驟:
[0006]一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法，該方法通過沿軌道運行的工務檢測車實現，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]I)周期性地讀取工務檢測車同一輪軸兩側的車輪在當前時刻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側軌道相交點的長度U和與外側軌道相交點的長度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至當前時刻η之間的螺旋式行進掃描點近似投影到η時刻的等效彎曲半徑線上；
[0010]4)對當前時刻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Θ和Cx計算點Pn由其所在的坐標系轉換到點Plri所在坐標系的偏移值Δ ux和Δ νχ，并進行坐標轉換；
[0012]6)重復步驟3)?步驟5)，計算當前時刻η等效半徑線上所有的點轉換到前一時刻η-l的坐標系中的偏移值，進行坐標轉換，獲取軌道建筑空間3D點云數據并輸出。
[0013]步驟I)中信息讀取時刻的周期與工務檢測車的激光掃描儀鏡頭的旋轉周期同步，使得所計算的位移信息C1和C2有足夠精度。
[0014]與現有技術相比，本發明基于移動式2D激光掃描技術對隧道建筑空間進行數據采集的方法，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掃描數據拓展成3D掃描數據的轉換方法，通過對數據線下處理有效完成了對移動掃描點云數據的坐標轉換。該發明涉及的算法簡單、硬件需求低，并且可廣泛應用于其它類似場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的流程圖；
[0016]圖2為本發明坐標變換的原理圖，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點云數據近似表示的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0019]實施例
[0020]本發明的原理是將激光掃描儀輸出的2D點云數據轉換為3D點云數據，2D移動掃描實際上在Y方向上是螺旋形行走的空間軌跡，但是由于系統僅能在每個掃描鏡頭周期輸出同步信號時讀取2D掃描數據，這些數據可近似為相互獨立的建筑形狀截面{X，Z}的數據。偌要把這些截面拼接起來形成{X，Y，Z}空間，還需要補充缺失的Y軸信息。由于代表前進方向的Y軸可以是彎曲的，將每一個截面{X，Z}的掃描數據在水平面上的投影線看作是一特定X-Y坐標系中的X軸線，那么3D數字空間的建立就是將這些在不同X-Y坐標系里的{X，Z}數據轉換到一個統一的的X-Y坐標系內。由于不同截面在Z方向的高度一致，因此不需要做調整。該方法通過沿軌道運行的工務檢測車實現，具體包括如圖1所示的幾個步驟:
[0021]I)首先對系統進行初始化，并對激光掃描儀的信號進行同步，周期性地讀取工務檢測車同一輪軸兩側的車輪在當前時刻η的位置信息，通過與前一時刻η-l的位置信息相t匕，計算出兩側車輪的位移信息C1和C2。其中信息讀取時刻的周期與工務檢測車的激光掃描儀鏡頭的旋轉周期同步，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側軌道相交點的長度U和與外側軌道相交點的長度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至當前時刻η之間的螺旋式行進掃描點近似投影到η時刻的等效彎曲半徑線上；
[0024]4)對當前時刻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Θ和Cx計算點Pn由其所在的坐標系轉換到點Plri所在坐標系的偏移值Δ Ux和Δ νχ，并進行坐標轉換；
[0026]6)重復步驟3)~步驟5)，計算當前時刻η等效半徑線上所有的點轉換到前一時刻η-l的坐標系中的偏移值，進行坐標轉換，獲取軌道建筑空間3D點云數據并輸出。
[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時刻的坐標系，{X' n,Y' J是η時刻如果是直線前進時的坐標系，{Χη，Υη}是η時刻如果是彎曲前進時的坐標系，Pn(xn，yn)為當前時刻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為軌距內側距圓心的距離，CpC2;為內側、外側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]對于前一時刻坐標系對應點的偏移量:
[0034]Δ ux = Cx X sin θ，Δ vx = Cx X cos θ
[0035]其坐標變換關系為:
[0036]χη = χη_「Δ ux (η)
[0037]yn = yn_!+ Δ vx (η)
[0038]zn = zn。
【權利要求】
1.一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法，該方法通過沿軌道運行的工務檢測車實現，其特征在于，包括以下步驟: 1)周期性地讀取工務檢測車同一輪軸兩側的車輪在當前時刻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側軌道相交點的長度U和與外側軌道相交點的長度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至當前時刻η之間的螺旋式行進掃描點近似投影到η時刻的等效彎曲半徑線上； 4)對當前時刻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Θ和Cx計算點Pn由其所在的坐標系轉換到點Plri所在坐標系的偏移值Aux和Δ νχ，并進行坐標轉換； 6)重復步驟3)?步驟5)，計算當前時刻η等效半徑線上所有的點轉換到前一時刻η-1的坐標系中的偏移值，進行坐標轉換，獲取軌道建筑空間3D點云數據并輸出。
2.根據權利要求1所述的一種軌道建筑空間3D點云數據轉換方法，其特征在于，步驟I)中信息讀取時刻的周期與工務檢測車的激光掃描儀鏡頭的旋轉周期同步。
【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 優先權日:2012年7月26日
【發明者】周民立 申請人:上海工程技術大學