基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法与流程

本发明涉及建筑设备，尤其涉及一种基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法。

背景技术：

为了加强建设施工现场塔式起重机的安全管理，减小安全事故的发生，在使用塔式起重机需要进行安全检查，以保证塔式起重机的安全使用。

现有技术中，对于塔式起重机的安全检查是通过安检人员通过观察每一个部件和连接处进行检查，这种检查方法既浪费时间，又容易忽略塔式起重机的微变形或者结构裂痕，安检不全面。同时，在检查微小的损伤时，需要安检人员使用专门的设备在焊接或者受力结构仔细检查，严重影响设备的安检时间，也会对安检人员造成一定的危险性。

技术实现要素：

本发明提供一种基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法，以至少解决现有技术中的以上技术问题中的至少一项。

为达到上述目的，本发明提供一种基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法，包括：

利用三维激光对待检查的当前塔式起重机整体结构表面进行扫描，获取当前塔式起重机的三维结构图形；

选取所述当前塔式起重机三维结构图形的底座中心作为原点构建第一坐标系，并确定所述第一坐标系下，所述当前塔式起重机的多个预定部位的坐标点；

获取与所述当前塔式起重机型号相同的标准塔式起重机的三维结构图形；

选取所述标准塔式起重机的三维结构图形的底座中心作为原点构建第二坐标系，并确定所述第一坐标系下，所述标准塔式起重机与所述当前塔式起重机的多个预定部位分别相对应的多个预定部位的坐标点；

将第一坐标系的原点和坐标轴与第二坐标系的原点和坐标轴重合设置,并确定第一坐标系与第二坐标系中重合的坐标点，作为重合坐标点；

将所述第二坐标系去除，并对所述第一坐标系中所述重合坐标点之外的剩余的坐标点进行标记；

将所述当前塔式起重机三维结构图形上被标记的坐标点对应的部位作为检查中出现问题的部位。

在一实施方式中，确定第一坐标系与第二坐标系中重合的坐标点包括：

选取所述第一坐标系中的坐标点p1和所述第二坐标系中的与之对应的坐标点p2，即同位点p1和同位点p2

计算在所述第一坐标系和在所述第二坐标系重合设置时，同位点p1和同位点p2中各坐标点之间的距离，并代入式1-3，式1-3如下：

其中，为同位点p1在所述第一坐标系下的点云数据坐标，为同位点p2在所述第二坐标系下的点云数据坐标，σ为三维扫描激光的标称精度；

选取所述第一坐标系和所述第二坐标系中同时满足式1-3的同位点作为所述重合坐标点。

在一实施方式中，还包括：

选取三维激光扫描，获取与所述当前塔式起重机相邻的相邻塔式起重机的三维结构图形，并以各自底座中心为旋转点进行旋转；

选取所述当前塔式起重机三维结构图形旋转形成轨迹的坐标点作为第一坐标点集合；

选取所述相邻塔式起重机三维结构图形旋转形成轨迹的坐标点作为第二坐标点集合；

计算第一坐标点集合中坐标点与第二坐标点集合中坐标点之间的距离；

标记第一坐标点集合中坐标点与第二坐标点集合中坐标点之间的距离小于等于2个单位距离的数量，并在标记的坐标点的数量大于0时，发出预警。

在一实施方式中，还包括：

选取三维激光扫描获取的周围障碍物的三维图形；

选取障碍物的三维图形的坐标点形成第三坐标点集合；

分别计算第一坐标点集合和第二坐标点集合中坐标点到第三坐标点集合中坐标点之间的距离；

标记第一坐标点集合中坐标点和第二坐标点集合中坐标点与第三坐标点集合之间的距离小于等于0.6个单位距离的数量，并在标记的坐标点的数量大于0时，发出预警。

在一实施方式中，还包括：

选取当前塔式起重机的底面坐标点，并将选取的坐标点形成第一平面；

以所述标准塔式起重机的轴心线作为所述第二坐标系中z轴，并选取所述第二坐标系中x轴和y轴构成的平面作为第二平面；

计算第一平面和第二平面之间的夹角θ；

当θ＞0°时，标记第一平面为倾斜面，并发出预警；

当第一平面和第二平面平行时，则塔式起重机底面正常。

在一实施方式中，还包括：

选取当前塔式起重机三维图形中的塔身的第一轴心线；

计算第一轴心线对第一平面的侧向垂直度α；

其中，α满足下列公式1、公式2、公式3中任意一种：

式中，n、e以及u表示站心坐标系中的方位坐标系，(n1,e1,u1)为所述第一轴心线上观测点的站心坐标系下的点云数据，(n0,e0,u0)为所述第一平面的中心点的站心坐标系下的点云数据，l为所述塔式起重机的塔身长度，vf为风速，af为风的加速度；

当α≤4/1000时，则塔身无倾斜；

当α＞4/1000时，则塔身倾斜，并发出预警；

还包括：

选取当前塔式起重机三维图形中最高附着点以下塔身的第二轴心线；

计算第二轴心线对第一平面的侧向垂直度β，其中，β满足公式4；

式中，(n2,e2,u2)为所述第二轴心线上观测点的站心坐标系下的点云数据，(n0,e0,u0)为所述第一平面中心点的站心坐标系下的点云数据；

当β≤2/1000时，则最高附着点以下塔身无倾斜；

当β＞2/1000时，则最高附着点以下塔身倾斜，并发出预警。

在一实施方式中，还包括：

选取三维激光扫描获取的当前塔式起重机的三维图形构建三维塔机模型；

将构建的三维塔机模型放置于模拟器中模拟各主要受力件的承载能力；

将模拟获取的各主要受力件承载能力与标准塔式起重机主要受力件的承载能力比较；

将模拟获取的主要受力件承载能力小于等于标准塔式起重机同一主要受力件承载能力95％的主要受力件在三维塔机模型中进行标注，并发出预警。

在一实施方式中，所述构建三维塔机模型包括：

获取形成三维图形的当前塔式起重机的材料特征；

筛选通过三维激光扫描获取的当前塔式起重机三维图形中主要受力件；

获取筛选的主要受力件的表面粗糙度；

获取当前塔式起重机上各连接螺栓以及销轴的型号和使用年限；

通过将获取的材料特征、主要受力件、表面粗糙度以及连接螺栓和销轴分别形成于三维图形中，以构成三维塔机模型。

在一实施方式中，还包括模拟三维塔机模型的风力承载能力，具体方法包括：

将模拟的当前塔式起重机的三维塔机模型中的起重臂伸直并垂直于风向；

显示三维塔机模型中各主要受力件的受力，并记录三维塔机模型在承载范围内不同风力的造成偏转距离；

通过获取的偏转距离计算出不同风力下三维塔机模型的起重臂的移动精度；

按照风级逐渐增加风力，并记录三维塔机模型的最大承载风力；

将获取的三维塔机模型在不同风力下移动精度和最大承载风力与标准塔式起重机在相同条件下的移动精度和风力进行比较；

当模拟获取的三维塔机模型的移动精度和最大承载风力小于等于标准塔式起重机在相同条件下的移动精度和风力的95％，则对形成三维塔机模型的当前塔式起重机发出预警。

在一实施方式中，所述按照风级逐渐增加风力，并记录三维塔机模型最大承载风力的具体步骤包括：

选取标准塔式起重机的主要受力件的最大承载能力；

按照选取的标准塔式起重机的主要受力件的最大承载能力为最大值确定多个受力区域；其中，每个受力区域的受力值使用不同颜色的数值进行表示；

将三维塔机模型中个主要受力件模拟过程中所受力的值使用确定的多个所述受力区域显示；

按照风级逐渐增加风力，并按照主要受力件在风力模拟中受力值的颜色变化，改变增加风力的速度；其中，主要受力件风力模拟中受力值的颜色变化一次，风级增加的速度减小一次；

选取三维塔机模型发生形变或者达到所述标准塔式起重机的主要受力件的最大承载能力时的风力作为所述三维塔机模型的最大承载风力。

本发明通过三维激光扫描技术，获取待检查的塔式起重机的三维图形，并根据三维图形在坐标系中与标准塔式起重机的三维图形比对，从而获取待检查的塔式起重机出现问题的结构位置，提高了检查塔式起重机的检查效率，同时通过三维激光扫描可以更加全面的检查塔式起重机的结构，提高了检查的全面性和安全性。

上述概述是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例中基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法中的一方法流程图。

图2为本发明实施例中基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法中的另一方法流程图。

图3为本发明实施例中基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法中的又一方法流程图。

具体实施方式

在下文中，简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

本发明第一实施例提供了一种基于三维激光扫描技术的塔式起重机检验方法，参照图1所示，包括：

步骤s110：利用三维激光对待检查的当前塔式起重机整体结构表面进行扫描，获取当前塔式起重机的三维结构图形。可以采用航拍的方式，整体扫描塔式起重机，并将施工现场内的塔式起重机全部扫描。

步骤s120：选取当前塔式起重机三维结构图形的底座中心作为原点构建第一坐标系，并确定第一坐标系下，当前塔式起重机的多个预定部位的坐标点。选取第一坐标系原点的方式不唯一，选取底座中心为一种较佳的选取方式。

步骤s130：获取与当前塔式起重机型号相同的标准塔式起重机的三维结构图形。也可以通过三维激光扫描获取未使用或者没有损伤的相同型号的塔式起重机的三维图形作为参照。

步骤s140：选取标准塔式起重机的三维结构图形的底座中心作为原点构建第二坐标系，并确定第一坐标系下，标准塔式起重机与当前塔式起重机的多个预定部位分别相对应的多个预定部位的坐标点。选取第二坐标系原点的方式不唯一，选取底座中心为一种较佳的选取方式。且步骤s120和步骤s140选取塔式起重机的同一位置作为原点，以使第一坐标系中塔式起重机和第二坐标系中塔式起重机位置坐标相同。

步骤s150：将第一坐标系的原点和坐标轴与第二坐标系的原点和坐标轴重合设置,并确定第一坐标系与第二坐标系中重合的坐标点，作为重合坐标点。其中，重合设置包括使两个坐标系中塔式起重机按照相同部件位置进行重合比较。

步骤s160：将第二坐标系去除，并对第一坐标系中重合坐标点之外的剩余的坐标点进行标记。剩余的坐标点所代表的塔式起重机结构为与标准塔式起重机结构不同的位置，结构发生变化，则塔式起重机的结构受力产生变化。

步骤s170：将当前塔式起重机三维结构图形上被标记的坐标点对应的部位作为检查中出现问题的部位。

本实施例通过三维激光扫描技术，获取待检查的塔式起重机的三维图形，并根据三维图形在坐标系中与标准塔式起重机的三维图形比对，从而获取待检查的塔式起重机出现问题的结构位置，提高了检查塔式起重机的检查效率，同时通过三维激光扫描可以更加全面的检查塔式起重机的结构，提高了检查的全面性和安全性。

在一实施例中，确定第一坐标系与第二坐标系中重合的坐标点包括：

选取第一坐标系中的坐标点p1和第二坐标系中的与之对应的坐标点p2，即同位点p1和同位点p2

计算在第一坐标系和在第二坐标系重合设置时，同位点p1和同位点p2中各坐标点之间的距离，并代入式1-3，式1-3如下：

其中，为同位点p1在第一坐标系下的点云数据坐标，为同位点p2在第二坐标系下的点云数据坐标，σ为三维扫描激光的标称精度。点云数据：扫描时以点的形式记录，每一个点包含有三维坐标。

选取第一坐标系和第二坐标系中同时满足式1-3的同位点作为重合的坐标点。

在一实施例中，参照图2所示，还包括：

步骤210：选取三维激光扫描，获取与当前塔式起重机相邻的相邻塔式起重机的三维结构图形，并以各自底座中心为旋转点进行旋转。通过旋转获取塔式起重机三维图形位于旋转范围内的立体范围，从而获取塔式起重机工作状态中最远和最高位置的坐标。

步骤s220：选取当前塔式起重机三维结构图形旋转形成轨迹的坐标点作为第一坐标点集合。

步骤s230：选取相邻塔式起重机三维结构图形旋转形成轨迹的坐标点作为第二坐标点集合。

步骤s240：计算第一坐标点集合中坐标点与第二坐标点集合中坐标点之间的距离。从而，获取两个塔式起重机每个坐标点的距离，进而，获取实际中，两个塔式起重机工作范围。

步骤s250：标记第一坐标点集合中坐标点与第二坐标点集合中坐标点之间的距离小于等于2个单位距离的数量，并在标记的坐标点的数量大于0时，发出预警。2个单位距离通常为2m，当两个塔式起重机任意两个位置距离小于等于2m时，两个塔式起重机的距离小于安全距离，则两个塔式起重机的位置出现问题，视为检查不合格，需要预警，进行重新调整。

本实施例可以直接通过坐标点的旋转，获取塔式起重机的工作范围，有效计算出各个塔式起重机之间的距离，提高了塔式起重机的安全性。

在一实施例中，参照图3所示，还包括：

步骤s310：选取三维激光扫描获取的周围障碍物的三维图形。

步骤s320：选取障碍物的三维图形的坐标点形成第三坐标点集合。

步骤s330：分别计算第一坐标点集合和第二坐标点集合中坐标点到第三坐标点集合中坐标点之间的距离。

步骤s340：标记第一坐标点集合中坐标点和第二坐标点集合中坐标点与第三坐标点集合之间的距离小于等于0.6个单位距离的数量，并在标记的坐标点的数量大于0时，发出预警。

0.6个单位距离通常为0.6m，当塔式起重机与障碍物或者建筑物任意两个位置距离小于等于0.6m时，塔式起重机与障碍物的距离小于安全距离，则两个塔式起重机的位置出现问题，视为检查不合格，需要预警，进行重新调整.

在一实施例中，还包括：

选取当前塔式起重机的底面坐标点，并将选取的坐标点形成第一平面；

以标准塔式起重机的轴心线作为第二坐标系中z轴，并选取第二坐标系中x轴和y轴构成的平面作为第二平面；其中，轴心线包括塔式起重机竖直方向的垂线。

计算第一平面和第二平面之间的夹角θ；

当θ＞0°时，标记第一平面为倾斜面，并发出预警；

当第一平面和第二平面平行时，则塔式起重机底面正常。

本实施例根据三维激光获取的塔式起重机的底面与坐标系xy面进行夹角计算，有效检查塔式起重机底面与底面的倾斜度，防止塔式起重机倾斜发生倾倒。

在一实施例中，还包括：

选取当前塔式起重机三维图形中的塔身(附着状态时最高附着点以上塔身)的第一轴心线；

计算第一轴心线对第一平面的侧向垂直度α；

其中，α满足下列公式1：

式中，n、e以及u表示站心坐标系中的方位坐标系，(n1,e1,u1)为第一轴心线上观测点的站心坐标系下的点云数据，(n0,e0,u0)为第一平面的中心点的站心坐标系下的点云数据；

当α≤4/1000时，则塔身无倾斜；

当α＞4/1000时，则塔身倾斜，并发出预警；

在另一具体实施例中，还包括：

选取当前塔式起重机三维图形中的塔身(附着状态时最高附着点以上塔身)的第一轴心线；

计算第一轴心线对第一平面的侧向垂直度α；

α满足下列公式2：

式中，n、e以及u表示站心坐标系中的方位坐标系，(n1,e1,u1)为第一轴心线上观测点的站心坐标系下的点云数据，(n0,e0,u0)为第一平面的中心点的站心坐标系下的点云数据，l为塔式起重机的塔身长度，vf为风速，af为风的加速度；

当α≤4/1000时，则塔身无倾斜；

当α＞4/1000时，则塔身倾斜，并发出预警；

在另一具体实施例中，还包括：

选取当前塔式起重机三维图形中的塔身(附着状态时最高附着点以上塔身)的第一轴心线；

计算第一轴心线对第一平面的侧向垂直度α；

α满足下列公式3：

式中，n、e以及u表示站心坐标系中的方位坐标系，(n1,e1,u1)为第一轴心线上观测点的站心坐标系下的点云数据，(n0,e0,u0)为第一平面的中心点的站心坐标系下的点云数据，l为塔式起重机的塔身长度，vf为风速，af为风的加速度；

当α≤4/1000时，则塔身无倾斜；

当α＞4/1000时，则塔身倾斜，并发出预警。

在一实施例中，还包括：

选取塔式起重机三维图形中最高附着点以下塔身的第二轴心线；

计算第二轴心线对第一平面的侧向垂直度β，其中，β满足公式4；

式中，(n2,e2,u2)为第二轴心线上观测点的站心坐标系下的点云数据，(n0,e0,u0)为第一平面中心点的站心坐标系下的点云数据；

当β≤2/1000时，则最高附着点以下塔身无倾斜；

当β＞2/1000时，则最高附着点以下塔身倾斜，并发出预警。

本实施例根据三维激光获取的塔式起重机塔身及最高附着点以下塔身的轴心线与坐标系xy面进行垂直度计算，有效检查塔式起重机的塔身与底面的倾斜度，防止塔式起重机倾斜发生倾倒。其中，风速也作为影响其垂直度的一个重要参考量。(通常理解，当塔顶倾斜轨迹的距离为2个单位距离，塔身高1000个单位距离，则塔身轴心线与平面的侧向垂直度为2/1000。)

垂直度(perpendicularity)是位置公差，用符号⊥表示。垂直度评价直线之间、平面之间或直线与平面之间的垂直状态。其中一个直线或平面是评价基准，而直线可以是被测样品的直线部分或直线运动轨迹，平面可以是被测样品的平面部分或运动轨迹形成的平面。

在一实施例中，还包括：

选取三维激光扫描获取的当前塔式起重机的三维图形构建三维塔机模型；

将构建的三维塔机模型放置于模拟器中模拟各主要受力件的承载能力；

将模拟获取的各主要受力件承载能力与标准塔式起重机主要受力件的承载能力比较；

将模拟获取的主要受力件承载能力小于等于标准塔式起重机同一主要受力件承载能力95％的主要受力件在三维塔机模型中进行标注，并发出预警。

进一步地，构建三维塔机模型包括：

获取形成三维图形的当前塔式起重机的材料特征；

筛选通过三维激光扫描获取的当前塔式起重机三维图形中主要受力件；

获取筛选的主要受力件的表面粗糙度；

获取当前塔式起重机上各连接螺栓以及销轴的型号和使用年限；

通过将获取的材料特征、主要受力件、表面粗糙度以及连接螺栓和销轴分别形成于三维图形中，以构成三维塔机模型。

本实施例在检查中将获取的塔式起重机的三维图形，输入至模拟器，从而模拟出塔式起重机的模型，并根据模拟的模型，计算出塔式起重机的承载能力，从而，检查塔式起重机结构的可靠性。

在一实施例中，还包括模拟三维塔机模型的风力承载能力，具体方法包括：

将模拟的当前塔式起重机的三维塔机模型中的起重臂伸直并垂直于风向；

显示三维塔机模型中各主要受力件的受力，并记录三维塔机模型在承载范围内不同风力的造成偏转距离；

通过获取的偏转距离计算出不同风力下三维塔机模型的起重臂的移动精度；

按照风级逐渐增加风力，并记录三维塔机模型的最大承载风力；

将获取的三维塔机模型在不同风力下移动精度和最大承载风力与标准塔式起重机在相同条件下的移动精度和风力进行比较；

当模拟获取的三维塔机模型的移动精度和最大承载风力小于等于标准塔式起重机在相同条件下的移动精度和风力的95％，则对形成三维塔机模型的当前塔式起重机发出预警。

进一步地，按照风级逐渐增加风力，并记录三维塔机模型最大承载风力的具体步骤包括：

选取标准塔式起重机的主要受力件的最大承载能力；

按照选取的标准塔式起重机的主要受力件的最大承载能力为最大值确定多个受力区域；其中，每个受力区域的受力值使用不同颜色的数值进行表示；

将三维塔机模型中个主要受力件模拟过程中所受力的值使用确定的多个受力区域显示；

按照风级逐渐增加风力，并按照主要受力件在风力模拟中受力值的颜色变化，改变增加风力的速度；其中，主要受力件风力模拟中受力值的颜色变化一次，风级增加的速度减小一次；

选取三维塔机模型发生形变或者达到标准塔式起重机的主要受力件的最大承载能力时的风力作为三维塔机模型的最大承载风力。

本实施例在检查中将获取的塔式起重机的三维图形，输入至模拟器，从而模拟出塔式起重机的模型，并根据模拟的模型，计算出塔式起重机的在不同风力下移动精度和最大承载力时的风力，从而，检查塔式起重机结构的可靠性。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。