Skanery laserowe do pomiarów i projektowania instalacji przemysłowych

© Trimble

Udostępnij:

Skanery 3D są obecnie urządzeniami coraz częściej wykorzystywanymi w procesach projektowania i kontroli technicznej. Pozwalają one m.in. wykonać precyzyjną dokumentację mierzonego obiektu, zwłaszcza w przypadku tzw. projektowania odwrotnego dokonywanego na bazie istniejących już elementów. Dzięki temu skanery 3D sprawdzają się przy kontroli i projektowaniu instalacji przemysłowych montowanych w funkcjonujących już budynkach lub obiektach.

W procesie projektowania instalacji technologicznych, które użytkowane będą w istniejącej już infrastrukturze przemysłowej, istotnym etapem prac projektowych jest pozyskanie danych przestrzennych dotyczących obiektu, w którym instalacja ta będzie funkcjonować. Informacje te niezbędne są nie tylko do prawidłowego, bezpośredniego zaprojektowania elementów składowych instalacji, ale również do ustalenia, w jaki sposób powinny być poprowadzone przestrzennie jej elementy, gdzie należy usadowić podpory czy jak zlokalizować np. ciągi transportowe.



Do skanowania istniejących obiektów wykorzystuje się technologię naziemnego skaningu laserowego TLS (ang. Terrestial Laser Scanning). Wykorzystywane tutaj laserowe skanery 3D podczas pomiarów rejestrują miliony punktów w trójwymiarowej przestrzeni, dla których zapisywane są współrzędne XYZ oraz parametry intensywności odbicia. Tak pozyskane dane pomiarowe nazywa się chmurą punktów, które mogą następnie zostać zaimportowane do aplikacji typu CAD lub 3D i być w dowolny sposób przetwarzane, o czym za chwilę.

 

Podstawowe parametry użytkowe skanerów laserowych TLS

Za podstawowe parametry użytkowe skanerów laserowych przyjmuje się dokładność pomiaru kąta, odległości oraz rozdzielczość. Warto wspomnieć, że typowa rozdzielczość skanowania mieści się w zakresie od 0,9 do 2,5 mm/m, a kąt widzenia to zwykle 360° w poziomie i 100 do 270° w pionie.

 

Istotna jest też wydajność pracy zwiana z szybkością skanowania, polem widzenia i zasięg skanera. Od tych trzech ostatnich parametrów zależy, ile razy trzeba będzie podczas jednej sesji pomiarowej przestawiać skaner aby objąć cały skanowany obszar. Z kolei na funkcjonalność urządzenia wpływają sposób jego obsługi, gabaryty, masa oraz dostarczone oprogramowanie.

 

Przydać się może zintegrowany ze skanerem cyfrowy aparat fotograficzny, który ułatwia prowadzenie dokumentacji pomiarowej, a także GPS pozwalający bardzo dokładnie ustalić pozycje rozstawienia skanera. Oczywiście, poszczególne parametry techniczne wpływają na możliwości wykorzystania danego modelu skanera do konkretnego typu zastosowań.

 

W przypadku skanerów laserowych bardzo ważna jest zdolność rozdzielcza skanera, która jest bezpośrednio związana z minimalną odległością między mierzonymi punktami. Decyduje ona o szczegółowości odwzorowania, a w konsekwencji o dokładności utworzonego modelu skanowanego obiektu. Innymi słowy, im większa rozdzielczość, tym skaner jest w stanie zarejestrować więcej punktów i tym samym pozwala zwiększyć dokładność odwzorowywanego modelu 3D. Należy jednak pamiętać, że rozdzielczość uzyskana podczas pomiarów może różnić się od deklarowanej przez producenta urządzenia. Związane jest to m.in. z poziomem skomplikowania kształtu obiektu, jego zdolnością pochłaniania i odbijania światła czy warunkami atmosferycznymi.

 

Zastosowania
Jak widać, stosując skanowanie laserowe 3D można stworzyć wierny, trójwymiarowy model skanowanego obiektu, w którym idealnie oddane zostaną przestrzenne relacje między jego wszystkimi elementami. Skanowanie laserowe stosuje się wszędzie tam, gdzie stopień skomplikowania obiektu jest tak duży, że pomiar metodami klasycznymi nie przyniesie pożądanego efektu lub będzie czasochłonny. Co ważne, skanowanie obiektu możne być przeprowadzone bez konieczności stosowania przerw technologicznych i jednocześnie zachowane zostanie duże bezpieczeństwo pomiaru.

Skanery laserowe stosowane są przede wszystkim w pomiarach i projektowaniu instalacji przemysłowych – zarówno naziemnych, jak i podziemnych (w kopalniach). W ten sposób można inwentaryzować i przygotowywać dokumentację dla hal produkcyjnych, kominów, masztów telekomunikacyjnych, dróg, linii kolejowych, węzłów drogowych, mostów, wiaduktów, tuneli czy obiekty hydrotechniczne. Często skanuje się istniejące konstrukcje budowlane np. w przypadku remontów kamienic czy konieczności wykonani dla nich komputerowych symulacji wytrzymałościowych (np. na terenach szkód górniczych).



Działanie
Zasada pomiaru skanerem laserowym polega na bezreflektorowym zmierzeniu odległości i odchylenia wiązki lasera. Podstawą systemu pomiarowego jest bardzo szybki dalmierz impulsowy lub fazowy, który w ściśle określonych odstępach czasu wysyła wiązkę światła i odbiera odbity od obiektu sygnał. W wypadku metody impulsowej pomiar odległości dokonywany jest na podstawie sprawdzenia czasu, jaki upłynął od wysłania przez skaner krótkiego impulsu promienia laserowego w kierunku obiektu do chwili powrotu odbitego promienia do nadawcy. Na tej podstawie obliczana jest odległość od obiektu. W wypadku pomiarów fazowych oprócz czasu przelotu dodatkowo analizowane jest przesunięcie fazowe odbitej fali światła, co pozwala na zwiększenie dokładności pomiaru w stosunku do metody impulsowej. Nowoczesne skanery fazowe są w stanie mierzyć z dokładnością dochodząca do 0,2-0,4 mm przypadającą na każde 10 m odległości przedmiotu od skanera, impulsowe uzyskują zwykle dokładność rzędu 6-8 mm na odległości 100 m. W skanerach laserowych wykorzystuje się lasery podczerwone o długości fali od 690 do 1500 nm.

Skanery fazowe to urządzenia znacznie szybsze i dokładniejsze, ale o zasięgu pomiaru ograniczonym zwykle do 50-70 metrów, choć są modele zdolne do pomiarów na odległości ponad 100 metrów (np. Faro Focus3D X330 o zasięgu 330 m). Sprzęt impulsowy jest wolniejszy, ale charakteryzuje się znacznie większą odległością pomiarową dochodzącą do 600-800 metrów. Istnieją też urządzenia, które są w stanie mierzyć na odległości rzędu 4-6 km. Z kolei należąca do firmy Hexagon Leica Geosystem w swoich urządzeniach stosuje do nieco inny sposób pomiarów. Korzysta ona z połączenia impulsowego pomiaru odległości z technologią cyfrowego formowania wiązki WFD (ang. Waveform Digitising). Dzięki temu możliwe jest skanowanie obszaru na odległości ponad 100 metrów z dużą szybkością cechującą skanery fazowe.

Szybkość skanowania współczesnych skanerów laserowych 3D dochodzi do miliona punktów na sekundę w wypadku najszybszych skanerów impulsowych (np. Leica ScanStation P20 – milion pkt/s, Faro3D X130 – 976 tys. pkt/s), a w wypadku skanerów fazowych skanowanie może odbywa się z prędkością przekraczającą milion punktów na sekundę. W większości dostępnych na rynku skanerów stosuje się dwa prostopadłe do siebie obracane lustra – kierują one wiązkę laserową na powierzchnię skanowanego obiektu. Dzięki możliwości obrotu luster promień lasera może swobodnie omiatać skanowane pomieszczenie bądź obiekt i na tej podstawie tworzona jest chmura punktów.

Chmura punktów
W wyniku samego pomiaru skanerem TLS otrzymujemy chmurę punktów o współrzędnych XYZ oraz tzw. intensity image, czyli obraz intensywności tych punktów zarejestrowany przez detektor laserowy. Oba zbiory danych stanowi podstawę do przygotowania dokumentacji zeskanowanego obiektu. Do pracy z chmurą punktów użyć można specjalnych programów, które mogą korzystać z jednej z dwóch metod obróbki danych – obrazów wygenerowanych na podstawie próbkowania natężenia odbitego promieniowania laserowego lub bezpośredniej pracy na chmurze punktów. Niezależnie od sposobu pracy w oprogramowaniu do obróbki i analizy chmury punktów istotne są takie funkcje, jak automatyczne wykrywanie kształtów, wizualizacja obiektu, dokonywanie prostych pomiarów, a także narzędzia do odfiltrowywania niepotrzebnych danych poprzez przycinanie i modyfikowanie gęstości zbioru. Przydaje się to w sytuacji, gdy chmura jest zbyt duża w stosunku do rzeczywistych potrzeb. Trzeba pamiętać, że w celu otrzymania trójwymiarowej chmury punktów dla całego skanowanego obiektu należy wcześniej połączyć ze sobą w całość wszystkie skany wykonane z w różnych rozstawieniach skanera. Po to, aby dopasowanie było precyzyjne, wykorzystuje się tzw. punkty referencyjne, którymi najczęściej są plansze wykorzystywane w pomiarach geodezyjnych. Większość programów dostarczanych wraz ze skanerami ma możliwość automatycznego rozpoznania punktów referencyjnych i połączenia obrazu w całość. Istotne jest też odpowiednie zorientowanie chmury punktów względem globalnego układu współrzędnych. Dzięki temu w dalszej pracy będzie można korzystać ze standardowych widoków dostępnych w programach CAD. Na koniec należy „wyczyścić” chmurę punktów z niepotrzebnych danych (np. widoków spoza zamierzonego obszaru skanowania), dzięki czemu dane będą szybciej przetwarzane i zwiększy się ich przejrzystość.

 

Oprogramowanie
Chmurę punktów bez większego problemu można wczytać do większości dostępnych na rynku programów CAD, ale znacznie wygodniejsze jest korzystanie ze specjalizowanego oprogramowania do jego obróbki. Przykładem tego typu programu jest Leica CloudWorx. Jest to zaawansowany program do zarządzania chmurami punktów i do modelowania 3D. Z kolei narzędziem przeznaczonym dla geologów, hydrologów, kartografów, osób zajmujących się badaniem środowiska czy administratorów przestrzennych baz danych jest aplikacja MapInfo Discover 3D. Firma Faro oferuje z kolei nakładkę do AutoCAD-a PointSens, która może okazać się przydatna archeologa i architektom oraz konserwatorom zabytków. Do pomiarów i projektowania instalacji przemysłowych i kontroli jakości danych skorzystać można z oprogramowania Stonex Reconstructor Construction/Maining Special Edition. Kompleksową edycję chmury punktów zapewnia zaś Terrasolid. Przetwarzana chmura punktów pochodzić może ze skanowania naziemnego, lotniczego i mobilnego. Program znajduje zastosowanie w leśnictwie, budownictwie, przemyśle, zarządzaniu kryzysowym, modelowaniu miast 3D oraz projektowaniu i inwentaryzacji dróg. Warto też wspomnieć o działającym w chmurze systemie zarządzania chmurami punktów i ich modelowaniem 3D firmy Autodesk ReCap 360 Ultimate oraz darmowej przeglądarce chmury punktów LiMON Viewer Free firmy DEPHOS Software.

 

Modelowanie
Kolejnym etapem obróbki danych zarejestrowanych w chmurze punktów jest ich modelowanie, czyli tworzenie modeli 2D lub 3D zeskanowanych obiektów. Najczęściej podczas tego procesu chmurę wykorzystuje się jako tzw. kalkę, obrysowując charakterystyczne krawędzie i kształty. W ten sposób powstaje dokumentacja techniczna obiektu – metoda ta najczęściej wykorzystywana jest w budownictwie i zastosowaniach architektonicznych. Proces ten może być w znacznym stopniu zautomatyzowany. Inną metodą tworzenia dokumentacji jest korzystanie z chmury punktów jako zbioru wymiarów. Odczytując charakterystyczne wymiary, można również szybko sporządzić dokumentację obiektu.
W zastosowaniach architektonicznych (np. inwentaryzacja) często stosuje się algorytmy rozpoznające automatycznie charakterystyczne powierzchnie, dzięki czemu przyspiesza się odwzorowywanie detali. Programy wykorzystywane przez konserwatorów zabytków pozwalają też podłożyć pod chmurę punktów zdjęcia obiektu wykonane podczas skanowania.

Jednak do tworzenia dokumentacji instalacji przemysłowych najczęściej do modelowania wykorzystywane są katalogi obiektów. Konstruktorzy tworzą katalog znormalizowanych modeli 3D typowych części np. rur, zaworów, manometrów, kół, śród, łańcuchów, przekładni itp., a oprogramowanie je rozpoznanie i dopasowanie części katalogowe do chmury punktów. Niestety, technika ta wymaga sporego nakładu pracy na przygotowanie katalogu elementów, ale dzięki temu można przekształcić w błyskawiczny sposób chmurę punktów w model 3D.

 

MM KOMENTARZ

Tomasz Janas, business manager w firmie Faro Europe

 

Przy wyborze skanera laserowego należy kierować się przede wszystkim możliwością zastosowania do różnych aplikacji, czyli wszechstronnością urządzenia i oprogramowania. Ważne jest również, aby oprogramowanie było proste w obsłudze i wysoce zautomatyzowane. Skaner laserowy Faro Focus ma jeszcze dodatkowa przewagę nad konkurencją – jest bardzo poręczny (waży tylko 5 kg) i można wykonywać pomiary w dowolnej pozycji (nawet do góry nogami). Ważne parametry przy wyborze urządzenia to: szybkość skanowania (w przypadku Faro Focus jest to 976 000 punktów na sekundę), możliwość wykonywania zdjęć skanerem i oczywiście dokładność wykonania pomiaru. Wiele skanerów na rynku oferuje rozwiązania o podobnych parametrach, dlatego ważnym czynnikiem decydującym o wyborze urządzenia jest wszechstronne rozwiązanie software’owe dostosowane do potrzeb. Faro w swojej ofercie ma ponad 30 kompleksowych programów dla skanerów przeznaczonych dla różnych branż, w tym dla architektury i budownictwa, kontroli jakości oraz do rekonstrukcji miejsc zdarzeń wypadków samochodowych.

Udostępnij:

Drukuj



Marcin Bieńkowski




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również