三維激光掃描在水下錨鏈檢測中的應用研究

黃明泉，廖榮發(fā)，劉 彬，胡夢濤*

（1.哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.南方科技大學海洋科學與工程系，廣東 深圳518055；3.中海輝固地學服務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518067；4.無錫紅?？睖y科技有限公司，江蘇 無錫 214072）

海上浮式生產(chǎn)儲油卸油船（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）水下單點系泊的錨鏈是維持該船平衡、保障其安全作業(yè)的關(guān)鍵所在，受海洋水文、微生物腐蝕及錨鏈間的相互長期動態(tài)磨損，通常需要對系泊錨鏈的特定部分進行定期磨損檢測，獲得系泊錨鏈特征位置的尺寸，為評估系泊錨鏈的疲勞強度、系泊力等提供依據(jù)[1-3]。傳統(tǒng)檢測手段主要是以潛水員手持游標卡尺、水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）搭載特制卡尺的方法對系泊錨鏈特征部位的尺寸進行測量，此種方法經(jīng)濟性差、風險高、效率低，且人工量取磨損量的方法偶然誤差大，其準確性一直受到局限。

水下三維激光掃描儀是近年來為數(shù)不多的水下光學測量設(shè)備，相較于水聲學原理的設(shè)備而言，水下激光掃描儀掃測點云更密、精度更高，已廣泛應用于大壩、水電站、水下考古、海洋工程等相關(guān)領(lǐng)域的成像測量、沖刷坑、沉積物、裂縫檢測、應力應變分析等[4-19]。為提高系泊錨鏈磨損檢測效率、降低潛水員作業(yè)風險、豐富水下檢測技術(shù)手段，以ROV 為載體搭載水下三維激光掃描儀作業(yè)的方式應運而生。該方式對水下系泊錨鏈進行激光掃描，采用特定公共點拼接方法，還原錨鏈水下真實形狀，精確量取系泊錨鏈及其相鄰錨環(huán)咬合部位尺寸。同時，為對比檢測成果精度，本文利用水上多人量取樣本尺寸與水下三維激光掃描獲取樣本尺寸對比的方法，驗證三維激光掃描儀的準確度，此次研究根據(jù)實際應用數(shù)據(jù)驗證了水下三維激光數(shù)據(jù)精確性的可信度。

1 水下作業(yè)平臺及原理

1.1 水下三維激光掃描儀

水下三維激光掃描設(shè)備為加拿大2G Robotics公司ULS-200（圖1） 中距離激光掃描測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時生成3D 點云和可視化結(jié)果，采集高密度點云數(shù)據(jù)，生成真實比例的亞毫米級分辨率3D 點云，便于識別微小特征和缺陷。ULS-200 指標參數(shù)見表1。

圖1 激光掃描儀結(jié)構(gòu)圖

表1 ULS-200 指標參數(shù)

ULS-200 三維激光掃描儀通過三角測量技術(shù)計算距離，傳感器通過測量激光反射回光學傳感器的角度，計算到目標表面的距離。掃描儀可以覆蓋的區(qū)域取決于掃描儀與被掃描目標的距離。掃描儀在每個測量位置沿著激光線計算480 個點的位置，這些點分布在50°的激光視角掃寬范圍內(nèi)，掃描儀頭部可360°旋轉(zhuǎn)。

Z 方向掃描范圍的高度見式（1）。

式中，H 為掃描范圍Z 方向的高度；D 為掃描儀幾何中心到目標物表面的距離。

目標表面上相鄰測量點的測量精度在垂直方向和掃描方向上是不一樣的。

式中，Vd為垂直點間距。

水平點間距Hd由與目標的距離和測量步長決定，最小測量步長為0.018°。

1.2 水下機器人

作業(yè)過程中ROV 使用中海輝固地學服務（深圳） 有限公司的125 馬力CFUV1000 系列工作型ROV 系統(tǒng)[20]，它是一種浮游式無人纜控水下機器人，如圖2 所示。它配備有125 馬力電液壓動力單元、4 個水平和4 個垂直方向的液壓推進器、多視角攝像系統(tǒng)、最先進的Schilling Titan 4 七功能智能機械手和Schilling Rigmaster 五功能重型機械手，可滿足水下三維激光掃描儀的穩(wěn)固搭載及供電、通訊要求，可抗海流2.5 kn。該系統(tǒng)有良好的數(shù)據(jù)通訊和操控性能。

圖2 中海輝固CFUV1000 系列ROV 系統(tǒng)

2 水下三維激光掃測

水下三維激光實施測量前要進行設(shè)備標定，以保證設(shè)備掃測精度。明確掃測目標物特征點，根據(jù)系泊錨鏈位置和形態(tài)，提前設(shè)計好三維激光掃描儀的布站方式，以保證多站數(shù)據(jù)拼接后可全面真實反映出水下錨鏈的結(jié)構(gòu)（圖3），能夠在拼接后的點云數(shù)據(jù)中準確量取出錨鏈及錨環(huán)咬合處的尺寸。

圖3 三維激光掃測錨鏈作業(yè)示意圖

2.1 標定

為確保三維激光數(shù)據(jù)質(zhì)量，在正式開始作業(yè)之前需對三維激光掃描儀進行水上、水下試掃，對比檢驗設(shè)備精度，達到設(shè)備標定的目的。選用與目標物結(jié)構(gòu)相似的標定物，將人工游標卡尺測量結(jié)果與三維激光掃測結(jié)果作對比，如圖4 所示，精度滿足作業(yè)要求后方可將三維激光掃描儀投入使用。

圖4 設(shè)備標定對比

本次標定測量選擇的目標物與系泊錨鏈結(jié)構(gòu)相近，每種方式進行3 次，測量得到A、B、C 3 組數(shù)據(jù)，分別在ROV 布放母船甲板上使用游標卡尺測量標定物相鄰錨環(huán)咬合處尺寸平均值為68.827 mm。

使用三維激光掃描儀在甲板上多站位掃測標定物，采用ICP（Iterative Closest Point） 迭代最近點算法進行多站點云數(shù)據(jù)配準[21-23]，拼接后量取得到錨環(huán)咬合處尺寸平均值為68.707 mm。在水下掃測得到的點云數(shù)據(jù)經(jīng)ICP 迭代最近點算法配準拼接后，量取得到標定物相鄰錨環(huán)咬合部位的尺寸平均值為68.73 mm。三維激光掃測量取得到的結(jié)果與人工游標卡尺測量結(jié)果對比，測量誤差小于0.2 mm滿足作業(yè)要求。

表2 多組標定成果對比

2.2 錨鏈掃測

在使用水下三維激光掃描儀對系泊錨鏈開始掃描之前，ROV 機械手搭載液壓鋼刷對附著在鏈環(huán)上的海生物和鈣質(zhì)層進行清理，清理后待海水渾濁度降低后方可實施三維激光掃描工作。

水下系泊錨鏈在不同位置處有不同的姿態(tài)形態(tài)，要得到完整的系泊錨鏈點云數(shù)據(jù)進行建模，需在系泊錨鏈的不同方位布放三維激光掃描儀，且在掃測過程中嚴格固定三維激光掃描儀，防止其晃動以造成多個站位上點云數(shù)據(jù)無法拼接或拼接變形的后果，因此在掃描工作進行前提前設(shè)計好三維激光掃描儀的布放位置。

為保證三維激光掃描儀與錨鏈之間的相對位置保持相對靜止，研究人員專門設(shè)計了一個工裝用于固定安裝三維激光掃描儀，該工裝可夾緊在錨鏈上以保持三維激光掃描儀與錨鏈的相對位置關(guān)系是穩(wěn)定的。工裝可用ROV 機械手進行位置調(diào)整，將水下三維激光固定安裝在ROV 機械手上，通過電纜延長線與ROV 水下集控模塊連接，由ROV 水下集控模塊實時回傳點云數(shù)據(jù)到甲板采集單元，如圖5所示。

圖5 水下三維激光測量

ROV 入水后，根據(jù)設(shè)計好的水下三維激光掃描儀布放位置，調(diào)整ROV 與錨鏈的相對位置，布放工裝，確保錨鏈及水下三維激光的相對位置關(guān)系穩(wěn)定或相對靜止。通過調(diào)整用于固定三維激光掃描儀工裝的位置，使得水下三維激光掃測覆蓋范圍達到錨環(huán)咬合處的兩側(cè)弧頂，確保掃測范圍完全覆蓋到目標錨鏈及其錨環(huán)咬合處。激光掃描儀采集激光點云數(shù)據(jù)后，通過ROV 臍帶纜內(nèi)的光纖通道將RS485數(shù)據(jù)傳輸至水面接線盒，接線盒將RS485 信號轉(zhuǎn)換為USB 信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件再對數(shù)據(jù)信號進行呈現(xiàn)和處理。本文通過多個站位對錨環(huán)咬合部位進行掃測，獲得各個站位上的多組點云數(shù)據(jù)。

2.3 點云數(shù)據(jù)配準與拼接

2.3.1 ICP 迭代最近點算法

使用水下三維激光或其他方法在不同角度、不同位置獲取系泊錨鏈的三維點云，即使得到的是同一個物體的點云也會存在較大差異，其差異主要是旋轉(zhuǎn)或平移的變化。兩組或多組殘缺的錨鏈點云數(shù)據(jù)拼接成一組完整錨鏈點云即獲得其完整圖像，需要通過空間變換把一組點云映射到另一組點云，使得錨鏈同一位置的點一一對應起來，從而達到點云融合的目的。所以，需要對不同組點云數(shù)據(jù)集進行拼接。

假定已給兩個點云數(shù)據(jù)集P、Q，點pi∈P，點qi∈Q，給出兩個點集的空間變換關(guān)系f 使它們能進行空間匹配，f 為一未知函數(shù)，而且兩點集中的點數(shù)不一定相同。解決這個問題使用最多的方法是ICP 迭代最近點法，ICP 算法本質(zhì)上是基于最小二乘法的最優(yōu)配準方法。該算法重復進行選擇對應關(guān)系點對，計算最優(yōu)剛體變換，直到滿足正確配準的收斂精度要求，具體如圖6 所示。ICP 算法的目的是找到待配準點云數(shù)據(jù)與參考元數(shù)據(jù)之間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)R 和平移參數(shù)T，使得兩點數(shù)據(jù)之間滿足某種度量準則下的最優(yōu)匹配。

圖6 ICP 算法點云配準示例圖

假設(shè)給定兩組3D 點云數(shù)據(jù)集P 和Q，ICP 迭代最近點算法步驟可歸納如下。

（1） 計算Q 中的每一個點在P 中的對應最近點。

（2）求得使上述對應點對平均距離最小的剛體變換，求得平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

（3） 對Q 使用上一步中求得的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，得到新的變換點集。

（4）如果新的變換點集與參考點集滿足兩點集的平均距離小于某一給定閾值，則停止迭代計算，否則新的變換點集作為新的Q 繼續(xù)迭代，直到達到目標函數(shù)的要求。

2.3.2 點云數(shù)據(jù)拼接

通過ROV 水下集控模塊實時回傳到甲板上的點云數(shù)據(jù)可即時進行處理，數(shù)據(jù)處理過程包含有數(shù)據(jù)預處理、噪點消除、點云數(shù)據(jù)配準拼接，在拼接好的完整系泊錨鏈點云模型上量取相鄰錨環(huán)咬合長度、單環(huán)直徑。圖7 為點云拼接步驟示意圖。

圖7 點云數(shù)據(jù)拼接步驟

數(shù)據(jù)的拼接效果決定了目標物尺寸的精確性，參照標定物點云數(shù)據(jù)配準方法，同樣使用ICP 算法進行相鄰兩組點云數(shù)據(jù)的配準計算。計算得到各相鄰站位點云數(shù)據(jù)間的平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)，以及兩組點云數(shù)據(jù)重合點位的標準誤差，與標定目標物拼接過程中的參數(shù)對比，各誤差參數(shù)值更小，即拼接誤差更小。

3 成果對比分析

3.1 三維激光掃測成果

在拼接后的完整錨鏈圖上進行系泊錨鏈尺寸量?。簽楸苊忮^鏈尺寸量取過程中產(chǎn)生的偶然誤差，嵌入模型準確框選測量目標物的特征部位，僅放大需要精確量取尺寸的部位，該方法可避免不同人員對同一目標物量取得到不同結(jié)果的情況出現(xiàn)，提升了最終尺寸量取的精度。

如圖8 所示，對拼接后的錨鏈進行兩處系泊錨鏈咬合部位及兩處錨環(huán)單環(huán)尺寸的量取，各部位尺寸結(jié)果見表3。

圖8 水下錨鏈各部位尺寸量取示意圖

表3 三維激光掃測各部位尺寸結(jié)果

3.2 卡尺量取結(jié)果

作為首次將三維激光掃描儀投入到水下系泊錨鏈掃測項目的案例，為研究三維激光掃描儀測量成果的嚴謹程度，將以船級社認可的ROV 搭載特制卡尺測量系泊錨鏈手段，在同次作業(yè)中測得的錨鏈尺寸作為參照對比，卡尺某次作業(yè)示意圖如圖9 所示，數(shù)據(jù)如表4 所示。

圖9 各部位尺寸量取示意圖

表4 卡尺各部位尺寸結(jié)果

對比三維激光掃描得到的系泊錨鏈各部位尺寸與ROV 搭載特制卡尺的機械手段測得的系泊錨鏈尺寸發(fā)現(xiàn)：三維激光掃描儀的精度與標定過程中的精度相近，與ROV 操控人員手動操控機械手搭載的特制卡尺測量相比，三維激光掃描方法減少了偶然誤差，更加精確且可靠穩(wěn)定。

3.3 結(jié)果對比分析

在對某FPSO 水下系泊系統(tǒng)9 號錨鏈的抽樣測量中，三維激光與卡尺測量分別得出抽樣數(shù)據(jù)的單環(huán)錨鏈直徑和相鄰錨環(huán)咬合處的數(shù)據(jù)，其測量結(jié)果分組對比如表5 和表6 所示。

表5 卡尺/激光測得各部位單環(huán)直徑尺寸結(jié)果

表6 卡尺/激光測得各部位相鄰錨環(huán)咬合處尺寸結(jié)果

通過實際測量對比，發(fā)現(xiàn)三維激光在錨鏈磨損測量中相比于卡尺測量，精確程度更高，所獲得的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，相同測量方式下誤差更小。對比得出，在單環(huán)錨鏈直徑測量中，三維激光與卡尺測量的結(jié)果誤差范圍在1～4 mm；在相鄰錨環(huán)咬合處測量中，三維激光與卡尺測量的結(jié)果誤差范圍在4～10 mm。

4 結(jié)論與展望

本文使用三維激光進行標定測量和水下系泊錨鏈實物的測量，在保證測量精度及可靠性的基礎(chǔ)上，驗證了三維激光掃描儀在水下系泊錨鏈檢測領(lǐng)域的可行性。三維激光掃描儀掃測得到的三維點云數(shù)據(jù)，可從水下實時回傳到甲板工作室，即時對數(shù)據(jù)進行配準拼接得到錨鏈尺寸，反饋出系泊錨鏈的磨損程度，有效地解決了長期以來難以定量化測量錨環(huán)磨損程度的技術(shù)性難題。與傳統(tǒng)系泊錨鏈檢測方法相比，水下三維激光掃測的方法降低了潛水員水下作業(yè)的風險，避免了特制卡尺直接量取時的偶然誤差，提升了系泊錨鏈檢測數(shù)據(jù)的可靠性，豐富了水下結(jié)構(gòu)物檢測的技術(shù)手段。在腐蝕錨鏈疲勞損傷計算時，三維激光技術(shù)獲得的點云數(shù)據(jù)可以作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，校正和調(diào)整腐蝕模型，更好地建立錨鏈疲勞損傷與直徑之間的關(guān)系，為計算不同腐蝕模型下錨鏈的年疲勞損傷和累積損傷提供支撐。該技術(shù)可以在FPSO、海上浮式風電基礎(chǔ)和海洋牧場等海上設(shè)施的水下系泊錨鏈檢測中廣泛應用。

未來可以探索依據(jù)水下三維激光掃描技術(shù)采集的高精度豐富點云數(shù)據(jù)，采用有限元模型對錨鏈形狀變化進行識別和評估，并找出薄弱鏈環(huán)，再通過選擇合適的材料退化模型，將薄弱鏈環(huán)的三維點云轉(zhuǎn)化為固體有限元模型進行剩余強度估算，使該項技術(shù)逐步發(fā)展成FPSO 等各類海上設(shè)施水下系泊錨鏈的狀態(tài)監(jiān)測、疲勞強度估算、安全性分析和壽命評估的綜合檢測評估技術(shù)。