Ключевые слова: мобильный 3D сканер Stonex X120GO, алгоритм SLAM, программное обеспечение: GOapp, GOpost, Cube-3D, цифровая модель местности, метод триангуляций, объёмы сыпучих материалов.
В статье представлен эффективный метод определения и контроля объёмов сыпучих материалов, таких как песок и щебень, с использованием мобильного 3D сканера. Показана возможность быстро и точно определять и контролировать большие объёмы сыпучих материалов при использовании аппаратно-программного комплекса Stonex. Приведены результаты сканирования и расчётов объёмов фракций щебня и мытого песка на одном из действующих предприятий Казахстана.
Простая на первый взгляд математическая задача по вычислению объема, может выявить множество неизвестных при определении и контроле объемов сыпучих материалов (СМ). Кроме объективных критериев: точность и оперативность, косвенное влияние могут оказать периодичность, трудозатратность и стоимость проводимых замеров. Пренебрежение любым из критериев может оказать негативное влияние не только на конечный результат замеров, но и стать, причиной остановки или сбоя в работе всей производственной цепочки.
На практике, часто применяют маркшейдерский метод по определению и контролю сыпучих материалов. Этот метод, с использованием специализированного оборудования, относится к точным, показатели погрешности варьируются от 5 до 10% в зависимости от использованного инструмента. Безусловно исполнитель должен обладать профессиональными навыками и знаниями. Однако, по ряду критериев, маркшейдерский метод уже не отвечает современным требованиям. К примеру, тахеометрическая съемка позволяет оценить объемы с погрешностью до 10% [1]. Однако сам процесс занимает достаточно долгое время от нескольких часов до суток — проводиться в светлое время и хорошую погоду. Требуется остановка производственного цикла.
Аэрофотограмметрическая съемка с использованием мобильного беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Погрешность от 5 до 10%. Весь процесс по сбору данных занимает не более 2-3 часов. Однако, для работы с данным типом оборудования требуются специальное разрешение и регистрация БПЛА в уполномоченном государственном органе. Конечный результат аэрофотограмметрии зависит от погодных условий и времени суток. Также требуется провести комплекс подготовительных мероприятий связанных с геопривязкой местности.
Метод стационарного 3D сканирования, позволяет создавать цифровую модель местности (ЦММ), на основе быстрых, точных и безопасных для глаз лазеров в сочетании с высокоскоростными приводами, гарантирует погрешность на уровне 1% [1]. Большая часть процесса по сбору данных полностью автоматизирована. Время «полевых» работ варьируется в пределах 1,5-2 часа. Однако и у этого метода есть ряд существенных эксплуатационных ограничений. Во время сканирования рядом с устройством не должно быть специальной техники, как для недопущения ограничения угла обзора или смещения сканера за счет вибраций, так и в целях защиты оборудования от банального повреждения. Для захвата всего объекта требуется выполнить сканирование с нескольких точек. Количество станций сканирования напрямую завит от размеров объекта и наличия слепых зон. И если в горизонтальном плане, «слепые» зоны можно исключить полностью за счет увеличения количества позиций сканирования, то в вертикальном плане, при наличии сложного рельефа, стационарный 3D сканер имеет существенные ограничения в обзоре. При этом изменить вертикальное положение стационарного 3D сканера, без специальных конструкций, обеспечивающих неподвижность инструмента, практически невозможно.
В современных реалиях, требования по определению и контролю объемов сыпучих материалов стали еще строже. В частности, время проведения «полевых» замеров должно варьироваться от 5 до 20 минут (в зависимости от объемов склада). Сам процесс сбора данных и работы с оборудованием не должен требовать высокой компетенции от исполнителя и не должен быть причиной остановки производственного процесса.
Для решения задачи, с учетом обозначенных условий, был выбран аппаратно-программный комплекс Stonex X120GO. В состав аппаратной части которого входит:
- 3D сканер Stonex X120GО, с возможностью проведения сканирования в режиме кинематики. Благодаря (Simultaneous localization and mapping) SLAM алгоритму, положение сканера в пространстве может быть изменено в любой момент времени, практически в любом направлении [2]. В сканере Stonex используется SLAM алгоритм, основанный на оптимизации графа поз наряду с использованием расширенных фильтров Калмана.Такая возможность позволяет исключить недостатки стационарного 3D сканера;
- Защищенный полевой компьютер Stonex SH5A с операционной системой Android используется для дистанционного управления, поддерживая связь со сканером через Wi-Fi канал;
- Набор, сопутствующих аксессуаров. К ним относятся элементы крепежа, телескопическая веха и т.д.
Программный сегмент состоит из следующих компонентов:
- Приложение Stonex GOapp. Устанавливается на полевой компьютер. С помощью данного приложения осуществляется запуск процесса сканирования, а также проводиться визуальный контроль собранных данных в режиме реального времени;
- Приложение Stonex GОpost. Устанавливается на персональный компьютер. Приложение используется для распаковки полученных данных, первичной оптимизации и преобразования в общепризнанный формат 3D данных;
- Приложение Stonex Cube 3D. Устанавливается на персональный компьютер. Приложение используется для проведения окончательных расчетов, в том числе для вычисления объемов.
Рис.1. Склад с известным объемом
Весь процесс сканирования, с учетом запуска оборудования занял не более 2 минут. Далее полученное данные были оптимизированы и увязаны через приложение Stonex GOpost и преобразованы в облако точек. Рис.2.
Рис.2. Облако точек
Готовое облако точек, через приложение Stonex Cube 3D было преобразовано в цифровую модель. Рис.3.
Рис.3. 3D модель
На основе цифровой модели, используя специальный инструмент для вычисления объема в приложении Stonex Cube 3D был получен следующий результат: Объем склада: 67,38м³. Площадь склада: 152,26м². Рис.4.
Рис.4. Графическое отображение вычисленного объёма
Принимая во внимание полученный результат и имеющиеся первоначальные данные, приходим к следующему выводу: погрешность вычисления объёма составила 0,57%.
Для проведения более масштабных испытаний, был выбран открытый склад сыпучих материалов, состоящий из нескольких фракций, с предварительными размерами (ДхШхВ): 100 х100х100 метров. Cканирование объекта состояла из нескольких действий: сборка комплекта и его запуск; обход склада сыпучих материалов по периметру; в случае обнаружения вертикальных слепых зон, сканер поднимался на высоту до 5 метров с помощью телескопической вехи; по окончанию процесса по сбору данных, комплект приводился в исходное состояние.
В результате, на весь процесс было затрачено не более 20 минут, при этом сканирование (обход склада) заняло всего 15 минут.
Финальная стадия заключается в получении результата, посредством двух программных продуктов Stonex GOpost и Stonex Cube 3D [4].
Первичный процесс обработки данных в приложении Stonex GOpost польностью автоматизирован. Собранная сканером пространственная информация анализируется программой, происходит извлечение траектории движения, созданной с помощью блока инерциальных измерений (IMU). Благодаря IMU фиксируется начальное положение сканера и каждое последующее перемещение сканера в пространстве. Каждой пространственной позиции, соответствует множество замеров, выполненных лидаром. Каждый последующий массив измерений сопоставляется с предыдущим, тем самым обеспечивается увязка данных, коррекция нового положения и добавление новых данных. Алгоритм действует до полного окончания траектории движения. Чаще всего окончание траектории связано с ее замыканием. В процессе преобразования пространственных данных в упорядоченное облако точек, могут быть выполнены вспомогательные процедуры: координатная привязка, окрашивание точек в естественный цвет, фильтрация шумов и ложных объектов (автотранспорт, люди и т.д.).
Завершающей стадией в GOpost, является экспорт данных в общепринятый формат, например (*.las). Рис.5.
Рис.5. Сбор пространственных данных в GOpost
Созданное в GОpost облако точек в формате (*.las), подгружается в приложение Stonex Cube 3D, для построения цифровой модели местности (ЦММ) и выполнении окончательных расчетов. Рис.6.
Рис.6. Расчет объемов в Сube 3D
В настоящее время наиболее полные и точные результаты вычислений объёмов сыпучих материалов (СМ) получаются с использованием 3D моделирования. В общем случае задача сводится к вычислению объема, заключенного между двумя поверхностями. Для создания (ЦМM) можно выделить два наиболее часто употребляемых метода моделирования: метод пространственной триангуляции и метод регулярной сетки высот. Приложение Stonex Cube 3D использует метод триангуляции Делоне [3]. В методе триангуляции Делоне поверхность образованна совокупностью точек с x, y, z координатами и набором ребер, соединяющих эти ребра в треугольники. Такая модель часто использует меньшее число точек, чем другие модели. Триангуляция Делоне удовлетворяет критерию, в соответствии с которым внутри окружностей, описанных через вершины любого из треугольников в сети, не должно лежать ни одной вершины этих треугольников. Следствием этого критерия получается, что минимальный угол всех углов, построенных треугольников максимизируется. В результате, исключается появление «тонких» треугольников. При этом делается допущение, что объём СМ ограничен плоскостями и отдельные неровности действительной поверхности СМ не влияют значительно на объём.
Методика расчета объемов для двух поверхностей сводится к следующему: каждая точка поверхности 1 проецируется на поверхность 2, а каждая точка поверхности 2 проецируется на поверхность 1. Для каждой пары таких точек определяется разность высот из моделей обеих поверхностей. Кроме того, такие пары формируются в каждой точке пересечения в плане ребер треугольников поверхностей 1 и 2. Таким образом, образуется набор точек, количество которых равно сумме количества точек поверхности 1 и 2, количества точек пересечения ребер треугольников. Каждая точка этого набора, имеет значение разности отметок поверхностей 1 и 2. По всем этим точкам строят триангуляцию, образуя набор призм. Для каждой призмы рассчитывается объем. Сумма всех объемов призм дает искомый объем. Собственно, описанная процедура значительно сложней, так как учитываются структурные линии, границы области расчета объемов, рассчитываются линии нулевых работ, объемы выемки, насыпи и т. д. Таким образом, в ЦМM объемы с точки зрения математики по отношению к модели считаются абсолютно точно. Их точность по отношению к фактическому объему и физических поверхностей зависит только от того, в какой мере сама съемка поверхности соответствует фактической [5].
Результаты подсчёта объёмов фракций щебня и песка представлены в Таблице 1.
| Фракция: | V1 5-15 | V2 0-5 | V3 5-10 | V4 20-40 | V5 10-20 | V6 мытый песок |
| Объем: | 2778.02m³ | 1132.33m³ | 371.80m³ | 587.16m³ | 2232.18m³ | 301.61m³ |
| Площадь: | 1893.43m² | 872.56m² | 547.30m² | 582.70m² | 852.95m² | 289.86m² |
Таблица 1. Результаты подсчёта
Проведенные испытания выявили ряд технических и эксплуатационных преимуществ комплекса:
- Уменьшение погрешности. Сокращение площади «слепых» зон, позволило добиться показателя погрешности менее 1%.
- Простота в управлении. Понимание аппаратно-программной части комплекса не требует от исполнителя наличия специализированного образования. Достаточно пройти небольшой инструктаж. Манипуляции и действия сопровождаются и контролируются через интуитивно понятный интерфейс;
- Сокращение времени замеров. Полевые работы значительно сокращены, и не зависят от времени суток;
- Единый рабочий процесс. Сбор данных, не требует остановки работы специализированной техники;
- Компактность и малый вес. Стандартные габариты комплекса не более 38х17х11 сантиметров. Вес в пределах 1.6кг. Вследствие этого, у исполнителя не возникает проблем и сложностей как с транспортировкой комплекса, так и с его работой. Все действия выполняются без привлечения посторонней помощи.
- Адаптивность. Заводское исполнения комплекса, позволяет использовать дополнительный набор аксессуаров и принадлежностей. Благодаря чему, появилась возможность исключить или уменьшить количество «слепых» зон.
Литература
- Высокоточное измерение объёмов сыпучих материалов и инвентаризация складов сырья для аудита и контроля. [Электронный ресурс]/Обмерные работы в промышленности, энергетике, на транспорте – Режим доступа: https://www.ngce.ru/izmerenie_obemov_sypuchih_materialov.html – Дата доступа: 15.01.2024.
- Thrun, Sebastian; Burgard, Wolfram; Fox, Dieter. Probabalistic Robotics. The MIT Press. p. 309.
- Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и её применение. – Томск: Изд-во Томского университета, 2002. – 128 с.
- Stonex Cube-3d. User Manual. [Electronic resource] / Producs – Access mode: https://d52dhomxeqj2r.cloudfront.net/Support/Products/Software/Cube-3d/Manual/Cube-3d_User%20Manual_ENG.pdf – Access date: 05.12.2021.
- Давидовская А.И., Иванов Н.С. (Представлено: Ялтыхов В.В.) Расчёт объёмов земляных работ с использованием цифровых моделей рельефа // Прикладные науки.Cтроительство. Геодезия. Электронный сборник трудов молодых специалистов. Полоцкий государственный университет имени Евфросинии Полоцкой. Выпуск 49(119), 2023, УДК 528.2/3