基于三维点云数据的水轮机转轮及其流道缺陷检测方法与流程

本发明属于水力发电检测领域，具体涉及一种基于三维点云数据的水轮机转轮及其流道缺陷检测方法。

背景技术：

1、水电站水轮机流道包括蜗壳，座环及固定导叶，顶盖、活动导叶及底环，支持盖，转轮室及尾水管等部件或结构。这些部件或结构通常尺寸大，特别是低水头大流量的轴流转浆式水轮机的流道的尺寸尤其大，如某电站机组转轮室的直径达到11.3m。另外，蜗壳、固定导叶、活动导叶等部件的几何形状通常是不规则的异形。水轮机转轮及流道几何形状是否符合设计要求，影响到水轮机运行特性，对水轮机效率、稳定性、抗空蚀性能等安全稳定运行至关重要。

2、鉴于上述原因，对这些部件或结构采用传统测量方法进行几何尺寸的测量比较困难，精度及准确度难以保证；在此测量数据基础上进行整体的几何尺寸对比分析，检查出几何尺寸缺陷，更是难上加难。另一方面，传统测量方法的测点是不连续的，进行几何尺寸对比时，准确度及精度难以保证。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于三维点云数据的水轮机转轮及其流道缺陷检测方法，利用激光扫描仪对水轮机转轮和流道进行三维扫描，获取水轮机转轮及其流道的点云数据后，构建完整的三维模型，通过对比同类型的不同水轮机的三维模型或同一水轮机的不同叶片，判断分析水轮机转轮、流道是否存在结构缺陷，解决传统测量方法对不规则形状、结构测量难度大，测量精度不高以及测点不连续导致的难以分析判断形状或结构表面缺陷的问题；并在获取水轮机转轮的点云数据的同时，采集水轮机转轮的纹理图像，将两者结合，使水轮机的三维模型呈现纹理特征，以便于检查水轮机转轮的表面缺陷。

2、本发明的技术方案是基于三维点云数据的水轮机转轮及其流道缺陷检测方法，包括以下步骤：

3、步骤1：根据点云模型精度要求，以及水轮机转轮室和流道的尺寸和空间大小，设计扫描策略，所述扫描策略包括初步确定平面和高程控制点位置以及激光扫描仪架设位置和数量；

4、步骤2：根据步骤1的扫描策略，在水轮机转轮室和流道的内部或附近建立平面和高程控制点；

5、步骤3：利用高精度全站仪对控制网进行多测回测角测边，并进行严密平差计算；若严密平差计算后精度不满足步骤1的精度要求，则调整控制网的布设方式和控制点数量，重新进行测量和平差计算，直至满足精度要求；

6、步骤4：在步骤1确定的激光扫描仪位置安置仪器，采集三维点云数据和纹理图像；扫描时确保水轮机转轮室和流道的所有部位均进行了扫描，无遗漏；

7、步骤5：对步骤4得到的点云数据进行预处理，所属预处理主要包括点云配准和数据去噪；该步骤是后续缺陷检测的基础，应确保点云数据的准确性和完整性；

8、步骤6：对步骤5得到的点云数据创建三角面片，生成水轮机转轮及流道的三维模型；

9、步骤7：对步骤6得到的三维模型进行数据检查，若水轮机转轮、流道的点云数据不合格或三维模型的纹理不合格，则执行步骤4，重新采集点云数据或纹理图像；否则，执行步骤8；

10、步骤8：根据步骤4得到的点云数据和步骤7得到的三维模型，进行分析对比，判断水轮机转轮及其流道的缺陷。

11、进一步地，所述检测方法采用三维激光扫描仪、棱镜和靶标采集水轮机转轮及流道的点云数据，提高点云数据的精度。

12、进一步地，所述检测方法的精度控制策略包括：

13、(1)激光扫描的点云数据的最大点间距不大于3mm；

14、(2)相邻控制点的点位中误差不大于5mm；

15、(3)点云数据中的特征点间距中误差不大于3mm；

16、(4)采用的仪器测距中误差不大于2mm。

17、优选地，步骤2中，扫描站点与标靶距离不宜大于20m，且每一个站点尽量能对5个及以上控制点标靶进行扫描；相邻站点间最好不少于5个公共标靶；标靶配准次数不宜大于4次，且扫描线路应闭合。

18、进一步地，步骤4中，激光扫描仪的扫描最大点间距不大于3mm，靶标识别的点位中误差不大于3mm，点云的点位中误差不大于3mm。

19、进一步地，步骤5中，所述预处理还包括数据抽稀、信息融合。

20、优选地，步骤6还包括生成水轮机转轮及流道的建模报告，所述建模报告包括控制测量精度、点云配准精度、点云与其生成的三维模型偏差色谱图、特征点坐标。

21、进一步地，步骤7中，若水轮机转轮、流道的点云数据出现游离的点、边、面，或者重面、破面、共面、漏面、漏缝，则水轮机转轮、流道的点云数据不合格。

22、进一步地，步骤7中，若三维模型的纹理不正确或纹理不完整，则三维模型的纹理不合格。

23、优选地，步骤8中，通过对不同的水轮机的转轮进行对比分析，判断水轮机转轮的缺陷，具体过程包括：

24、1)将一台水轮机的转轮的三维模型与另一台水轮机的转轮的三维模型对齐；

25、2)对其中一个水轮机的转轮的三维模型中的叶片围绕水轮机转轮的中心轴进行旋转，使两台水轮机的三维模型最大程度地重叠；

26、3)根据步骤2)得到的两台水轮机的转轮的三维模型，创建偏差色谱图和关键断面偏差图，分析计算差异化指标，判断水轮机的转轮是否存在缺陷；

27、4)对比水轮机的转轮的三维模型与水轮机的转轮的三维设计模型，判断水轮机的转轮是否存在缺陷。

28、优选地，步骤8中，通过对比同类型的不同的水轮机的流道，判断水轮机流道的缺陷，具体包括：

29、1)将一台水轮机的流道的三维模型与同类型的另一台水轮机的流道的三维模型对齐；

30、2)根据步骤1)得到的两台水轮机的流道的三维模型，创建偏差色谱图和关键断面偏差图，分析计算差异化指标，判断水轮机的流道是否存在缺陷；

31、3)对比水轮机的流道的三维模型与水轮机的流道的三维设计模型，判断水轮机的流道是否存在缺陷。

32、水轮机叶片的对比分析方法，包括：对比分析同一水轮机或同类型水轮机的不同叶片，可将叶片的点云数据得到的三维模型与设计模型对比，或者进行叶片的点云模型、三维模型之间的对比。

33、水轮机固定导叶、活动导叶、上中下环、流道的对比分析方法，包括：利用点云数据得到的三维模型与设计模型比较，或者进行三维模型之间的对比分析。比较时，应保证只能进行三维平移和绕铅直方向即z轴方向的旋转，不能绕x轴和y轴进行旋转。

34、计算得到检测对象的三维模型之间的偏差色谱图或其三维模型与设计模型的偏差色谱图、关键断面或任意断面的偏差色谱图、关键点或任意点至模型中心的铅直距离，并进一步地据此判断检测对象是否存在缺陷。

35、相比现有技术，本发明的有益效果包括：

36、1)本发明通过获取水轮机的点云数据，构建出完整的水轮机转轮及流道的三维模型，根据得到的三维模型实现了对水轮机的缺陷检测，解决了传统测量方法对不规则形状、结构测量难度大，测量精度不高以及测点不连续导致的难以分析判断形状或结构表面缺陷的问题；本发明针对大型水轮机的特点，设计了扫描策略和精度控制策略，实现了大型水轮机转轮室和流道尺寸和几何形状的高精度测量；本发明适用于大尺寸如直径10米以上的水轮机转轮及流道的缺陷检测，解决了因水轮机几何尺寸大而测量不便、测量误差大的问题。

37、2)本发明通过对比同类型的不同水轮机的三维模型或同一水轮机的不同叶片，判断分析水轮机转轮、流道是否存在缺陷，降低了水轮机缺陷检测的难度，且有效提高了水轮机缺陷的检测效率和精度。

38、3)本发明通过将激光扫描获取的水轮机转轮、流道的三维模型与其三维设计模型对比分析，实现了转轮及流道的几何形状缺陷的有效检测，确保水轮机高效、稳定地运行，抗空蚀性能好。

39、4)本发明的缺陷检测方法，在获取水轮机转轮的点云数据的同时，采集水轮机转轮的纹理图像，将两者结合，使水轮机的三维模型呈现纹理特征，使水轮机转轮的表面缺陷检测更加便利。