Προγραμματισμός σαρωτών λέιζερ για τον έλεγχο της κατάστασης εσωτερικών επιφανειών σηράγγων

Κοψιαύτης, Γεώργιος; Kopsiaftis, Georgios

dc.contributor.author	Κοψιαύτης, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Kopsiaftis, Georgios	en
dc.date.accessioned	2016-09-14T10:02:20Z
dc.date.available	2016-09-14T10:02:20Z
dc.date.issued	2016-09-14
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43514
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.13259
dc.rights	Default License
dc.subject	Σαρωτής λέιζερ	el
dc.subject	Έλεγχος σηράγγων	el
dc.subject	Προγραμματισμός σαρωτή	el
dc.subject	Ανίχνευση ακμών	el
dc.subject	Προσαρμογή επιφανειών	el
dc.subject	Laser scanner	en
dc.subject	Tunnel monitoring	en
dc.subject	FARO SDK	en
dc.subject	Edge detection	en
dc.subject	Surface fitting	en
dc.title	Προγραμματισμός σαρωτών λέιζερ για τον έλεγχο της κατάστασης εσωτερικών επιφανειών σηράγγων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Τοπογραφία	el
heal.classification	Φωτογραμμετρία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-22
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης του Faro Focus 3D στον έλεγχο της εσωτερικής επιφάνειας σηράγγων. Το Faro Focus 3D είναι ένας μεσαίου βεληνεκούς σαρωτής λέιζερ, που επιτρέπει πανοραμικές λήψεις και βασίζεται στην τεχνολογία Time-of-Flight για τη μέτρηση αποστάσεων. Ένα βασικό χαρακτηριστικό που διαθέτει είναι η μεταφορικότητά του, η οποία επιτρέπει τη σχετικά εύκολη ενσωμάτωσή του σε ολοκληρωμένα συστήματα ελέγχου σηράγγων. Αρχικά γίνεται μια προσπάθεια να προσδιοριστεί η ακρίβεια και ορθότητα των μετρήσεων του σαρωτή λέιζερ, με την πραγματοποίηση σειράς μετρήσεων σε αίθουσα του Εργαστηρίου Γενικής Γεωδαισίας και Φωτογραμμετρίας της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών που διαθέτει αριθμό σφαιρικών στόχων, επίπεδων κυκλικών στόχων και στόχων τύπου σκακιέρας. Για τους επίπεδους κυκλικούς στόχους ήταν διαθέσιμες μετρήσεις μεγάλης ακριβείας, άρα ήταν οι καταλληλότεροι για συγκρίσεις με τις μετρημένες τιμές. Από την άλλη πλευρά όμως, οι στόχοι αυτοί δεν ανιχνεύονται από το λογισμικό πρόγραμμα SCENE 5.4 που συνοδεύει το συγκεκριμένο σαρωτή λέιζερ. Επομένως, έπρεπε να χρησιμοποιηθούν μέθοδοι κατάλληλες για τον εντοπισμό των κυκλικών στόχων και τον υπολογισμό των κεντροειδών τους. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε μέθοδος ανίχνευσης ακμών και συγκεκριμένα ο αλγόριθμος Canny, με τον οποίο εντοπίστηκαν τα κυκλικά όρια των στόχων. Στη συνέχεια, προσαρμόστηκε στις ανάγκες του προβλήματος μέθοδος μη γραμμικών ελαχίστων τετραγώνων (trust-region-reflective method), προκειμένου να προσδιοριστούν τα στοιχεία των επίπεδων κυκλικών στόχων, δηλαδή οι συντεταγμένες των κεντροειδών τους και οι ακτίνες τους. Για να γίνει η σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα δεδομένα των γεωδαιτικών μετρήσεων έπρεπε να αναχθούν στο ίδιο σύστημα αναφοράς. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ο τρισδιάστατος μετασχηματισμός ομοιότητας, του οποίου οι εφτά άγνωστες παράμετροι υπολογίστηκαν με βάση τις συντεταγμένες είκοσι κοινών σημείων στα δύο συστήματα αναφοράς. Από την τελική σύγκριση των μετρημένων τιμών με τις μετρήσεις αναφοράς προέκυψε ότι ο σαρωτής λέιζερ πραγματοποιεί μετρήσεις ακριβείας, στα όρια της ονομαστικής ακρίβειας που δίνουν οι κατασκευαστές, για τις συνθήκες μετρήσεων του εργαστηρίου. Μετά τον έλεγχο της ακρίβειας του Faro Focus 3D ακολούθησε η ανάπτυξη εφαρμογής για την εξ αποστάσεως ενεργοποίηση και τον έλεγχο του σαρωτή λέιζερ. Η εφαρμογή αυτή αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού C++, χρησιμοποιώντας τις βιβλιοθήκες και τα εργαλεία που παρέχει η προγραμματιστική διεπαφή FARO LS SDK. Με την εφαρμογή αυτή ελέγχονται όλες οι βασικές λειτουργίες του σαρωτή, όπως είναι η εκκίνηση της σάρωσης, ο έλεγχος των παραμέτρων που αφορούν την ποιότητα και το βήμα της σάρωσης και ο καθορισμός του οπτικού πεδίου λήψης μετρήσεων. Η εφαρμογή αυτή έχει τρεις βασικές λειτουργίες: 1) σύνδεση με το σαρωτή λέιζερ, 2) εξ αποστάσεως εκκίνηση μιας σάρωσης και 3) μεταφορά των αρχείων των μετρήσεων από το αποθηκευτικό μέσο του οργάνου σε τοπικό αποθηκευτικό μέσο. Η εφαρμογή είναι δυνατόν να ελεγχθεί μέσω αρχείου batch. Στη συνέχεια, ο σαρωτής λέιζερ μαζί με την εφαρμογή που αναπτύχθηκε, εντάχθηκαν σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου σηράγγων, το οποίο σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος ROBO-SPECT. Η ενσωμάτωσή του σαρωτή επιτεύχθηκε μέσω της ρομποτικής πλατφόρμας YARP (Yet Another Robot Platform). Στη ρομποτική πλατφόρμα YARP ο σαρωτής λέιζερ δεσμεύει συγκεκριμένους διαύλους επικοινωνίας και ενεργοποιείται μόνο όταν λαμβάνει από την υπολογιστική μονάδα (CPU) ένα αυστηρά προκαθορισμένο μήνυμα ενεργοποίησης. Συγκεκριμένα, κάθε φορά που λαμβάνεται το σήμα ενεργοποίησης, εκτελείται το batch αρχείο, το οποίο περιέχει όλες τις παραμέτρους της σάρωσης που έχει προκαθορίσει ο χρήστης. Στο τελευταίο κομμάτι της διπλωματικής εργασίας εξετάστηκε το θέμα της χρήσης μιας μαθηματικής επιφάνειας για την προσέγγιση των μετρήσεων που έχουν ληφθεί από το εσωτερικό μιας σήραγγας. Όπως προέκυψε από το κεφάλαιο της ακρίβειας των μετρήσεων, ο σαρωτής λέιζερ Faro Focus 3D δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό μικρού μεγέθους ρωγμών. Είναι δυνατόν όμως να αξιοποιηθεί, τόσο για την ανίχνευση επιφανειακών χαρακτηριστικών που ξεπερνούν τα 2 mm, όσο και για τον εντοπισμό τυχόν παραμορφώσεων της διατομής της σήραγγας. Συνήθως, η διατομή των σηράγγων έχει τετραγωνική μορφή (π.χ. κύκλος ή παραβολή) ή αποτελεί συναρμογή απλούστερων, συνήθως κυκλικών τόξων. Στην παρούσα εργασία γίνεται η υπόθεση ότι η εσωτερική αυτή επιφάνεια έχει τη μορφή έλλειψης. Υπεισέρχεται επίσης και ένας μετασχηματισμός των μετρημένων σημείων σε ένα σύστημα αναφοράς με τον ένα άξονά του να ταυτίζεται με τον άξονα του ελλειψοειδούς κυλίνδρου. Τελικά, οι άγνωστες παράμετροι για τον υπολογισμό της επιφάνειας είναι συνολικά 8: οι δύο παράμετροι παραμέτρων της έλλειψης, οι τρεις παράμετροι στροφής και οι τρεις παράμετροι μετάθεσης. Ο υπολογισμός τους επιτυγχάνεται με χρήση μεθόδου μη γραμμικών ελαχίστων τετραγώνων. Γίνεται ένας αρχικός υπολογισμός των παραμέτρων για τον εντοπισμό των ακραίων σημείων (outliers), των σημείων δηλαδή που απέχουν σημαντικά από την υπολογισμένη γεωμετρική επιφάνεια. Μετά την εξαίρεσή τους επαναλαμβάνεται η διαδικασία και υπολογίζονται οι τελικές τιμές των παραμέτρων. Για τη δοκιμή της προτεινόμενης μεθόδου χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις από μικρή σήραγγα μήκους 60 m και ανοίγματος 10 m κατά προσέγγιση. Σημειώνεται ότι απαιτούνται δύο σαρώσεις για την κάλυψη μιας πλήρους διατομής της σήραγγας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι με τη χρήση μιας και μόνο γεωμετρικής επιφάνειας είναι δύσκολο να περιγραφτεί με λεπτομέρεια η εσωτερική επιφάνεια της σήραγγας, καθώς κατά θέσεις τα μετρημένα σημεία απέχουν αρκετά από την υπολογισμένη επιφάνεια.	el
heal.abstract	In the current diploma thesis the potential of the Faro Focus3D laser scanner in the tunnel inspection process was examined. Faro Focus3D is a compact mid-range instrument with panoramic architecture, which uses phase shift technology to measure distance. A useful feature of the specific device is its portability, which allows for easy integration with monitoring systems. In order to evaluate the accuracy and precision of the Faro Focus3D a number of experimental surveys was performed in the Laboratories of General Geodesy and Photogrammetry, in the School of Rural and Surveying Engineering. The Laboratories afford a specific room with object-targets, such as spheres, check boards and circular plane targets. High accuracy values were only available for the circular targets, which cannot be detected by the SCENE 5.4 software provided by the laser scanner manufacturers. In order calculate the target centres, an edge detection method, and specifically the Canny algorithm was utilized and the points located within the circles were determined. Then a nonlinear least squares method (e.g. the trustregion- reflective algorithm) was employed to calculate the circle parameters, i.e. the centre coordinates and the radius. Finally, the seven parameters of the 3D similarity transformation were calculated, based on an adequate number of point and the target coordinated derive from the point cloud data are transformed in the geodetic reference system. The results indicated high accuracy levels for the laser scanner measurements. An application was also developed, which aims to remotely activate and control the laser scanner in a tunnel. FARO LS SDK is the FARO application programming interface which allows to control the scanner’s main functionality, like starting a scan, changing scan resolution and quality parameters, or determine the scan area through the horizontal and vertical angles. For the current thesis the application was developed in C++ programming language. The developed application has three main functionalities: 1) connect to the scanner, 2) remotely perform a scan with the user specified parameter values and 3) transfer the scan file to local storage devices. The application can be controlled through a batch file. The laser scanner along with the developed application are integrated in the ROBO-SPECT tunnel monitoring system. The integration with the overall project is achieved through YARP (Yet Another Robot Platform). In the YARP interface the laser scanner allocates a particular message, assigned to a particular port. Each time YARP receives a message from one of the connected sensors, it sends a triggering signal to the CPU to execute the batch file. As can be concluded by the laser scanner accuracy values, the laser scanner is unsuitable for the detection of small-sized cracks. However, features that exceed the minimum value of 2 mm can be detected, e.g. thick cracks or displacements of the tunnel surface. Moreover, the laser scanner datasets are exploited to extract geometrical features of the tunnel cross-section, which is critical in the detection of possible deformations. The geometrical shape of a tunnel intrados usually has a quadratic form, e.g. circle, parabola, or an assembly of circular shaped arcs. A nonlinear least squares algorithm is utilized to calculate a total number of eight parameters: the parameters and of the ellipsis; the three rotation parameters and; the three translation parameters. An initial parameter calculation is performed to locate and eliminate outliers, i.e. the points whose distance from the calculated surface exceeds a user defined threshold. The procedure is repeated once again, in order to determine the final surface from the corrected point dataset. Temporal and spatial changes in the tunnel intrados could provide critical information regarding the location and extend of possible deformations. A small-sized tunnel is used for field measurements. The test tunnel is approximately 60 m long and 10 m wide. A number of scans is performed with different combinations of resolution and quality. It should be noted than two independent scans are required to collect data for a complete tunnel cross section. The use of different geometrical surface, or the assembly of several surfaces will be considered in future research for a more accurate representation of the tunnel inner surface.	en
heal.advisorName	Δουλάμης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Δουλάμης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Ιωαννίδης, Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Δουλάμης, Αναστάσιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών. Τομέας Τοπογραφίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	101 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true