何原榮， 鄭淵茂

(廈門理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 福建 廈門 361024)

基于風(fēng)洞點(diǎn)云的平整度檢測(cè)程序開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

何原榮， 鄭淵茂

(廈門理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 福建 廈門 361024)

大量的建設(shè)、交通和運(yùn)載工具等工程問(wèn)題都需要風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室加以解決，而在風(fēng)洞工程建設(shè)中，對(duì)風(fēng)洞內(nèi)表面的表面平整度具有很高的要求。目前國(guó)內(nèi)很多風(fēng)洞不能滿足試驗(yàn)的需求，導(dǎo)致要排隊(duì)做實(shí)驗(yàn)，最終導(dǎo)致延長(zhǎng)建筑工期。為了檢測(cè)風(fēng)洞內(nèi)表面平整度，以廈門理工學(xué)院多功能風(fēng)洞為研究區(qū)域，采用Faro Scene和Matlab，掃描得到風(fēng)洞側(cè)墻和頂墻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合分析墻面的平整度，為風(fēng)洞質(zhì)量檢測(cè)提供了決策分析的依據(jù)。

三維激光掃描， 風(fēng)洞， 平整度， 平面擬合

0 引言

風(fēng)洞，是指通過(guò)管道實(shí)驗(yàn)設(shè)備人工通過(guò)外力制作和控制風(fēng)洞里面的均勻流動(dòng)氣流，來(lái)研究風(fēng)洞內(nèi)的飛行器或目標(biāo)對(duì)象周圍流動(dòng)的氣體，并可量度風(fēng)洞內(nèi)氣流對(duì)目標(biāo)對(duì)象的作用以及觀察目標(biāo)物體物理現(xiàn)象的工具，它是最常用、最有效的空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)工具[1，2]。通過(guò)室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，可不受外界惡劣的自然條件限制，極大增強(qiáng)目標(biāo)物體的研究試驗(yàn)效率，節(jié)省大量的人力、物力和時(shí)間成本，還可提高研究水平，更好地解決科研和生產(chǎn)上的具體問(wèn)題[3]。近些年，風(fēng)洞已被廣泛地應(yīng)用于民用項(xiàng)目。一般90 m以上的建筑和那種大跨度的，比如機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、高鐵站、體育場(chǎng)館以及大型交通建設(shè)工程均需要風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室加以解決。例如，海滄大橋和宜昌長(zhǎng)江公路大橋在建設(shè)過(guò)程，同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)就采用了風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力和提高貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性的措施，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)獵道設(shè)計(jì)。此外，汽車在公路行駛中，有約60%～85%的能源消耗是用來(lái)克服行駛過(guò)程中的空氣阻力做功的，浪費(fèi)了大量的能源效率。因此，對(duì)于追求低排放和低油耗的家用性環(huán)保轎車來(lái)說(shuō)，如何最大化地減小汽車行駛過(guò)程中的空氣阻力是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。在一些新款汽車在設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低風(fēng)阻系數(shù)，減少汽車行駛時(shí)所受的阻力，均會(huì)采用風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞為我國(guó)自行自主研制的各類風(fēng)力機(jī)械、軍用飛機(jī)、導(dǎo)彈設(shè)備、高空飛船以及太空衛(wèi)星提供大量的研制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效地增強(qiáng)了我國(guó)的國(guó)防設(shè)備的實(shí)力，同時(shí)也為我國(guó)大量的民用公共設(shè)施起到極大地推動(dòng)作用[4]。

根據(jù)福建省廈門市建設(shè)局提供的數(shù)據(jù)表明，廈門市每年需要做風(fēng)洞試驗(yàn)的建筑就有幾十棟，此前這些試驗(yàn)項(xiàng)目都要派送到外地出去試驗(yàn)，成本大增，而且由于目前國(guó)內(nèi)風(fēng)洞不能滿足試驗(yàn)的需求，導(dǎo)致要排隊(duì)做實(shí)驗(yàn)，最終導(dǎo)致建筑工期延長(zhǎng)。廈門理工學(xué)院多功能風(fēng)洞是福建省首個(gè)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，該風(fēng)洞是通過(guò)人為室內(nèi)構(gòu)建一個(gè)U型管道，通過(guò)外部的動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)不同級(jí)別空氣在U性管道內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)把需要試驗(yàn)的目標(biāo)物體模型安裝在風(fēng)洞的U型管道內(nèi)，進(jìn)行測(cè)壓、測(cè)力和測(cè)振等的試驗(yàn)功能，然后對(duì)目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，得出目標(biāo)物體的抗風(fēng)性的穩(wěn)定性。此多功能風(fēng)實(shí)驗(yàn)室填補(bǔ)了福建省乃至海西地區(qū)在全國(guó)抗風(fēng)性領(lǐng)域研究的空白，特別是對(duì)于常受臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的沿海的福建省地區(qū)，此風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)對(duì)于促進(jìn)福建省和廈門城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)，減少因臺(tái)風(fēng)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失，其經(jīng)濟(jì)效益無(wú)窮的、社會(huì)效益是不可估量。

進(jìn)行目標(biāo)物體風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常是將目標(biāo)物體的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)洞的U型管道內(nèi)反復(fù)地、不斷地取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確，風(fēng)洞內(nèi)的氣體流動(dòng)必須與實(shí)際外界的氣體流動(dòng)狀態(tài)性質(zhì)相似。但由于風(fēng)洞尺寸大小和動(dòng)力裝置的限制，在風(fēng)洞中同時(shí)模擬出所有的相似參數(shù)是相當(dāng)困難的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外擁有的各類不同的風(fēng)洞就有數(shù)百座，符合標(biāo)準(zhǔn)的也才186座，可見達(dá)標(biāo)風(fēng)洞工程建設(shè)要求較高。而風(fēng)洞內(nèi)表面的質(zhì)量和精度是影響風(fēng)洞內(nèi)模擬風(fēng)場(chǎng)品質(zhì)的重要因素，內(nèi)表面不平整會(huì)增加表面對(duì)風(fēng)場(chǎng)氣流的不利影響，導(dǎo)致風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此，在風(fēng)洞工程建設(shè)中，對(duì)風(fēng)洞內(nèi)表面的表面平整度具有很高的要求。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法采用長(zhǎng)靠尺、楔形塞尺、測(cè)距儀、白熾燈、全站儀、紅外水平檢測(cè)儀等進(jìn)行抽樣檢測(cè)，對(duì)于無(wú)法測(cè)量的地方采用目測(cè)[5]。何濤[6]選取多個(gè)待測(cè)量平面，采用靠尺抽樣測(cè)量建筑物表面面平整度，通過(guò)不合格點(diǎn)的比率確認(rèn)是否建筑物表面平整度是否合格。此種方式工作量大，抽樣數(shù)量有限，作業(yè)過(guò)程繁瑣、檢測(cè)效率低，測(cè)量精度差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞內(nèi)表面平整度的全面檢測(cè)，難以為今后修補(bǔ)風(fēng)洞內(nèi)表面平整度不符合標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域提供準(zhǔn)確的依據(jù)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)效果不夠理想。潘國(guó)榮[7]提出一種基于掃描線中的擬合直線段，通過(guò)構(gòu)造擬合平面生長(zhǎng)種子，借助反復(fù)雙向生長(zhǎng)的方式生成點(diǎn)云中的擬合平面片。該方法具有較好的抗差能力，效率也更高。

本文提出基于地面三維激光掃描的新技術(shù)，突破傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)方法的瓶頸，能夠高效率、高精度獲取內(nèi)表面平整度信息以點(diǎn)云的形式復(fù)制到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)Matlab軟件擬合出點(diǎn)云平面來(lái)全范圍檢測(cè)風(fēng)洞內(nèi)表面平整度，避免抽樣檢測(cè)方法可能漏檢平整度誤差過(guò)大部位的問(wèn)題，而且可通過(guò)點(diǎn)云坐標(biāo)準(zhǔn)確定位檢測(cè)位置，為后續(xù)對(duì)風(fēng)洞內(nèi)表面平整度不符合標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)提供準(zhǔn)確的依據(jù)，從而使風(fēng)洞內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)全面平整，提高了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)模擬風(fēng)場(chǎng)的品質(zhì)[8]。

1 方法和原理

采用三維激光掃描儀掃描風(fēng)洞內(nèi)表面，獲取風(fēng)洞內(nèi)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集內(nèi)各點(diǎn)的坐標(biāo)擬合出一個(gè)空間平面，計(jì)算點(diǎn)集內(nèi)各點(diǎn)相對(duì)于所擬合的空間平面的偏差。從而，可以判斷表面平整度誤差是否大于最大允許誤差，據(jù)此可以進(jìn)一步判斷該點(diǎn)集范圍內(nèi)風(fēng)洞內(nèi)表面區(qū)域的平整度合格。常用的平面擬合方法有最小二乘法和特征值法[9-11]等。平面方程的一般表達(dá)式為：

Ax+By=Cz+D=0,(C≠0)

對(duì)于一系列的n個(gè)點(diǎn)(n≥3):

(xi,yi,zi),i=0,1,…，n-1

要用點(diǎn)(xi,yi,zi),i=0,1,…，n-1擬合計(jì)算上述平面方程，則使：

最小。

要使得S最小，應(yīng)滿足：

解上述線形方程組，得：a0,a1,a2，故平面方程z=a0x+a1y+a2。

假設(shè)每個(gè)激光點(diǎn)到擬合平面的距離為d，則：

最終得到的平面擬合度δ為：

2 程序開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

基于Matlab環(huán)境下開發(fā)的風(fēng)洞點(diǎn)云平整度檢測(cè)程序主要利用計(jì)算機(jī)高效、快速處理數(shù)據(jù)的功能，將風(fēng)洞內(nèi)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并將內(nèi)表面平整度情況以可視化的形式進(jìn)行展示。該程序通過(guò)加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集中各點(diǎn)坐標(biāo)求出最佳空間擬合平面。計(jì)算各點(diǎn)到擬合平面的距離。調(diào)用Matlab中的hist()函數(shù)將距離按大小進(jìn)行著色并繪制直方圖。將各點(diǎn)到擬合平面的距離以可視化的方式進(jìn)行風(fēng)洞內(nèi)表面平整度情況的分析。圖1為風(fēng)洞點(diǎn)云平整度檢測(cè)程序流程圖。

圖1 風(fēng)洞點(diǎn)云平整度檢測(cè)程序流程圖Figure 1 The flatness detection steps of wind tunnel point cloud

風(fēng)洞平整度的平面擬合和質(zhì)量評(píng)估程序開發(fā)采用Matlab進(jìn)行，關(guān)鍵代碼如下：

{

x=x0+dx1;%擬合平面的系數(shù)a,b,c

d=(1/norm(x))*(part_of_second*x+ones(139872,1));% 139872個(gè)點(diǎn)到擬合平面的距離

m0=sqrt(norm(d)∧2/(139872-3));%平整度，數(shù)值為正代表凸點(diǎn)，數(shù)值為負(fù)代表凹點(diǎn)

hist(x,n) %其中x是一維向量，函數(shù)功能是將x中的最小和最大值之間的區(qū)間等分n份，橫坐標(biāo)是x值，縱坐標(biāo)是該值的個(gè)數(shù)

hist(d,50);%距離分布直方圖

xlabel(′距離d′)

ylabel(′個(gè)數(shù)n′)

}

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取采用的掃描儀為FARO Laser Scanner Focus，這是一款相位式三維激光掃描儀，可以在每秒得到約百萬(wàn)測(cè)量點(diǎn)，能對(duì)復(fù)雜的環(huán)境和幾何形狀進(jìn)行精確三維重建。激光發(fā)射器通過(guò)激光二極管發(fā)射近紅外波長(zhǎng)的安全激光束，激光束通過(guò)旋轉(zhuǎn)反射鏡對(duì)所測(cè)對(duì)象進(jìn)行立面的掃描，借助時(shí)間解碼器或鑒相器獲取不同點(diǎn)位的反射時(shí)間差，從而測(cè)出激光與測(cè)量點(diǎn)之間的距離，最后編碼器利用采集到的鏡頭旋轉(zhuǎn)角度和水平旋轉(zhuǎn)角度的值，計(jì)算出被測(cè)地物表面上每個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后整合得到被測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)集合，稱之為“點(diǎn)云”。 在測(cè)量一些不規(guī)則物體時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量完全發(fā)揮不出作用。而三維激光掃描儀在對(duì)不規(guī)則物體的測(cè)量建模過(guò)程中，在點(diǎn)云的大數(shù)據(jù)量的支持下，模型無(wú)論是精細(xì)程度還是真實(shí)還原性上都得到了大大的提高。圖2表示為三維激光掃描儀拍攝流程。

圖2 三維激光掃描儀拍攝流程Figure 2 The filming process of 3D laser scanner

本研究通過(guò)掃描多功能風(fēng)洞的U型軸線，獲取大量的風(fēng)洞墻面以及屋頂?shù)募す恻c(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中磚墻面一共采集了139872個(gè)點(diǎn)，采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)FARO軟件進(jìn)行去噪工作。采用本文前面介紹的方法得到墻面的擬合平面方程為：

-0.02529x+0.22057y-0.001236z+

1=0。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上面算法可得出墻面的平整度。墻面點(diǎn)到擬合平面的距離分布如圖3所示，距離分布的統(tǒng)計(jì)直方，如圖4所示。根據(jù)距離分布統(tǒng)計(jì)直方圖可得，點(diǎn)到平面的距離近似地服從正態(tài)分布。距離最大值為2.4 mm，最小值為-2.7 mm。參照《建筑裝飾裝修工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，墻壁表面工程的表面平整度在3 mm以內(nèi)即符合要求，因此該多功能風(fēng)洞的墻面平整度符合規(guī)范要求。

圖3 風(fēng)洞內(nèi)部三維點(diǎn)云Figure 3 The three-dimensional point cloud of wind tunnel internal

圖4 頂墻面各點(diǎn)到擬合平面的距離分布Figure 4 The distribution fitting from top wall each point to fitting plane

關(guān)于頂墻平整度情況分布圖制作，采用Excel和Origin制作。先用Excel篩選出3組顏色標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式IF(F2>=0.006,"紅",IF(F2>=0.002,"黃","綠"))，將距離按照閾值進(jìn)行著色。然后在Origin上分3組畫散點(diǎn)圖，得到的平整度為0.02616，直觀地反映墻面的平整狀況，如圖5所示。同時(shí)，從圖6的分析結(jié)果可以明顯看出，墻面點(diǎn)到擬合平面的距離分布集中在[-1，2 mm]，極少為[2，3 mm]的點(diǎn)，說(shuō)明平整度良好，有利于后續(xù)開展風(fēng)洞研究工作。

圖5 頂墻距離分布統(tǒng)計(jì)直方圖Figure 5 The statistical histogram of top wall histogram distance

圖6 頂墻平整度情況分布圖Figure 6 The distribution diagram of top wall roughness profile

4 總結(jié)

本文基于地面三維激光掃描儀的新技術(shù)方法，極大突破傳統(tǒng)測(cè)繪方法的瓶頸，創(chuàng)建新型的作業(yè)模式，在數(shù)據(jù)采集效率和成圖精度上均得到較大提高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到墻距離分布統(tǒng)計(jì)直方圖和墻面各點(diǎn)到擬合平面的距離分布，以及最終的平整度情況分布圖，以及對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平整度情況分布圖分析，可以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平整度檢測(cè)精度,為后續(xù)對(duì)風(fēng)洞內(nèi)表面平整度不符合標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)提供準(zhǔn)確的依據(jù)，從而使風(fēng)洞內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)全面平整，提高了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)模擬風(fēng)場(chǎng)的品質(zhì)。此套技術(shù)還可以運(yùn)用于建筑物、橋梁變形檢測(cè)工程。

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Program Development and Implementation of Roughness Measurement Based on Wind Tunnel Point Cloud

HE Yuanrong, ZHENG Yuanmao

(College of Computer and Information Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, Fujian 361024, China)

A large number of construction, transportation and vehicle engineering problems need to be solved wind tunnel laboratory, in the wind tunnel engineering construction, surface roughness on the surface of wind tunnel has the very high request. The current domestic many wind tunnel can't meet the test requirements, which cause to do experiments in line, eventually lead to extend the construction time limit for project. In order to detect wind tunnel surface roughness, the multifunctional wind tunnel of Xiamen University of Technology as the study area, By the Faro Scene and Matlab, scan point cloud data of wind tunnel side wall and top wall can be acquired, and come true the plane fitting to analyze wall roughnes based on the point cloud,which provides the decision analysis basis for wind tunnel quality detection.

3D laser scanning, wind tunnel, roughness, surface fitting

2016 — 09 — 12

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41574011);福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016J01199);福建省測(cè)繪地理信息科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015J14)

何原榮(1977-)，男，福建漳州人，博士后，副教授，研究方向：地圖制圖學(xué)與地理信息工程。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)06 — 0073 — 05