Концепція системи цифрового сканування приміщень, що насичені обладнанням, з ціллю реверсного проектування для освітніх проєктів

Виявлення особливостей підходів при цифровому скануванні приміщень, що насичені обладнанням, з ціллю реінжинірингу.

РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ

1) архітектурні елементи (несущі конструкції, перекриття, огороджувальні конструкції, марші сходів та ліфтові шахти);

2) інженерно - технологічні комунікації (трубопроводи, кабелеві лотки, кабелі та інше);

3) обладнання технічного та виробничого призначення [15, с. 27].

Нас будуть особливо цікавити задачі обміру та генерації хмар точок не скільки для відносно пустих приміщень (житлові кімнати, учбові аудиторії, громадські та торгові простори), скільки виробничі приміщення з високою інтенсивністю заповнення обладнанням та комунікаціями [16; 21]. Такий підхід пов'язаний з високою інтенсивністю наповнення обладнанням та комунікаціями. Такий підхід пов'язаний з тим, що рішення задачі формування хмар точок для приміщень з високою наповненістю очевидним шляхом методично вирішує і задачу для більш простих об'єктів. При цьому практично в кожній споруді мається як мінімум декілька приміщень, укомплектованих забезпечуючими інженерними системами - насосна, вентиляційна, електрична, теплові пункти та інше. Тобто обмежитись обміром мало заповнених приміщень неможна навіть для звичайних споруд не виробничого призначення [20; 1, с. 70].

Також ми будемо розглядати задачу обміру приміщень з середини, оскільки зовнішні обміри краще автоматизувати дроном. Для поставленої задачі не дуже суттєво на час сканування в визначених розумних межах. Для отримання адекватної цифрової BIM-моделі важлива повнота сканування та його точність. На першому етапі, якому відповідає справжня робота, ми обмежимось з обговоренням формування хмари точок, не вдаючись поки в технологію та цифрові методи подальшої обробки цих даних та використаних програмних засобів для перетворення хмари точок в структуровані BIM - модель [2, с. 36]. Однак важливо розуміти, що для подальшої обробки необхідно забезпечити відносну рівномірність розповсюдження генеруючого в ході сканування хмари точок по всім поверхням зсередини приміщення. В якості базової технології ми обрали лазерне сканування на базі лідарів. Це найбільш пророблений та точний метод, добре підстроєний на апаратному рівні для генерації цифрових даних в форматі хмар точок. Однак він має ряд обмежень. Найбільш важливе з них породжено базовим фізичним принципом - виміри проводяться за рахунок відображення світлових променів від поверхні. Таким чином, у випадку високої наповненості приміщення зафіксованими об'єктами формується велика кількість тіньових зон [11, с. 19]. Більш близькі до вимірювальної системи предмети затіняють віддалені, а при скануванні об'ємного елементу хмара точок формується лише в зоні прямої видимості і відповідає лицьовій частині об'єкту. Відповідно, необхідно сканування приміщення з більшої кількості різних точок, в загальному випадку зі змінами всіх трьох координат вимірювальної системи - переміщення лідара як по площині підлоги приміщення, так і по висоті. Після цього необхідно забезпечити високоточну зшивку фрагментів сканування - локальних хмар точок, отриманих при вимірюванні з фіксованим положенням та орієнтацією вимірювальних систем [7, с. 67, 19]. Тільки тоді можна надіятись на достатньо низький рівень неправильності інтегральної хмари точок та отримати достатньо коректні просторові дані.

В принципі на світовому ринку представлені професійні вимірювальні системи на базі технології лідарного сканування, в яких описані проблеми вирішені як мінімум частково. Однак такі системи мають дуже високу вартість для масового використанні. Вони дуже дорогі для невеликих проектів чи будівельних компаній, високотехнологічних стартапів в сфері будівництва та будівельного контролю, а також для навчальних цілей [18; 6, с. 200]. Альтернативна бізнес - модель, оренда обладнання для разового вимірювання має обмеженням кваліфікаційні потреби до оператора системи. Оскільки технологія та програмне забезпечення поки не стандартизовані в достатній мірі, дане цифрове обладнання залишається в сфері використання підготовлених професіоналів, що безумовно знижує широту його використання. В даній роботі описується підходи до побудови точок для внутрішніх приміщень малого та середнього розміру з високим рівнем наповненості об'єму елементами обладнання та технологічними комунікаціями [4, с. 14]. Прикладом таких задач може бути реверсне проектування в житлових, суспільних та виробничих спорудах, а також малих виробничих приміщень.

Як слідує з приведеного вище розгляду, для реалізації адекватної системи лазерного (лідарного) сканування, що використовується для цілей реінжинірингу окремих приміщень з високим заповненням обладнанням, необхідні рішення двох різних задач. Перша задача - конструювання, виготовлення та налагодження безпосередньо тривимірного лідара з задовільними параметрами вимірювання та хорошою вартістю. Концептуальна ідея рішення полягає в використанні не спеціалізованих тривимірних систем сканування заводського виготовлення дизайну та виробництва зарубіжних фірм, а в використанні спрощених пристроїв - двовимірних лі- дарів [5, с. 202]. Цей клас обладнання набагато більш широко використовується для різних змінних в одній площині пристроїв, наприклад, автомобілів, обладнаних інтелектуальними асистентами водія або безпілотних автомобілів. Ще більш простою масовою сферою використанні являється серійні роботи - пилососи, як раз призначені для автономного переміщення по приміщенню з безперервним контролем положення пристрою в середині приміщення [13, с. 78]. Також подібні пристрої широко використовуються для навчальних цілей в складі комплектів - конструкторів інтелектуальних робото технічних пристроїв. Внаслідок великих тиражів випуску та необхідності вбудовування в побутову техніку, такі двовимірні системи позиціонування на технологічній базі двовимірних лідарів володіють тут дуже низькою вартістю (в межах 150-200 доларів). Відповідно для задачі тривимірного сканування необхідна добудова системи поворотної платформи, з покроково регульованим нахилом площини та синхронізацією з двовимірним скануванням по горизонту [14, с. 44]. Ця задача в механічній частині багатократно вирішена навіть для простих пристроїв та для будівельних інструментів. Генерація цифрових даних та управління такими системами на сучасному рівні легко виконується простими масовими контролерами. Саме ця концепція використання простих поворотних платформ в поєднанні з двовимірним лідаром являється перспективною, та дозволяє зменшити вартість (тривимірної лідарної вимірювальної системи для реверсивного проектування) на порядок і більш того, без втрати функціональних можливостей [15, с. 27]. Як згадувалось раніше необхідне проведення лазерного сканування з різних точок всередині приміщення для встановлення ефекту затінення значної частини контрольованого простору [17; 18]. Це необмежено приводить генерації багатьох хмар точок, достовірно позиціонованих лише відносно швидкого положення вимірювального пристрою. Для формування об'єднаної хмари точок, необхідно коректне поєднання даних локальних вимірювань в єдиному просторі приміщення. Оскільки для отримання достовірної моделі приміщення необхідна достатньо висока щільність покриття всіх поверхонь хмар точок, треба закладати автоматизовану процедуру програмної обробки та інтеграції локальних хмар в єдину цілісну хмару. Для цього треба коректно, з мінімальною участю оператора виміряти положення та орієнтацію пристроїв платформи зсередини замкнутих, в тому числі ізольованих приміщень відносно локальної системи координат [21]. На ринку готових вимірювальних систем таке рішення відсутнє. Підмітимо що це треба для широкого класу вихідних задач, в тому числі в ході комплексного дослідження організації робіт на об'єктах [22]. Однак концепція технічного рішення системи лазерного сканування приміщення в цілях реверсного цифрового проектування повинна мати апаратно - програмне рішення.

Концепція фізичної архітектури розроблюваної системи включає в себе такі компоненти:

1) двовимірний пристрій для сканування;

2) контролер контроля та управління орієнтацією виконуючого механізму. Отримує дані з акселерометра;

3) поворотний механізм для повертання платформи з скануючим пристроєм. Для коректної роботи системи в промисловому режимі потрібно повертання платформи як мінімум відносно двох осей (а для повної автоматизації вимірювань - відносно трьох осей);

4) датчики контроля кутів нахилу та повороту вимірювальної платформи (акселерометри);

5) пристрої передачі потоку даних з двомірного сканера та даних про орієнтацію вимірювальної платформи локального пристрою обробки даних системи;

6) локальний пристрій обробки інформації;

7) віддалений сервер, бажано запроектувати розгортання хмарного сервера зберігання та обробки даних, що отримуються з ноутбука при виході його в мережу інтернет. Сервер з кінцевою конфігурацією повинен забезпечити отримання даних з довільною кількістю вимірювальних систем.

Для створення системи по описаній концепції необхідно враховувати ряд технічних характеристик компонентів: потужність, номінальну напругу електричних пристроїв, їх інтерфейси, крутячий момент механізму що використовується та інше. Архітектуру системи можна умовно розділити на внутрішню та зовнішню [19]. До внутрішньої архітектури відносяться компоненти, котрі безпосередньо кріпляться до корпусу пристрою що розроблюється. До зовнішньої архітектури відносяться компоненти, котрі грають важливу роль в роботі системи але фізично від корпусу відділені. Таким чином до внутрішніх компонентів розроблюваної системи можна віднести такі елементи:

1) пристрій котрий має свій власний процесор та пам'ять;

2) пристрій котрий представляє з себе 2D - лазерний сканер, котрий може виконувати сканування 360 градусів.

Дослідження системи проводиться в приміщення в центрі якого встановлюється експериментальний стенд. Навколо сканера розставляються різні геометричні форми для оцінки точності та якості сканування. На перших вимірах головка лідара робить один оберт навколо своєї осі при положення платформи, але щільність сканування в такому випадку буде дуже низькою і об'єкти з важкістю можна розрізнити [17; 18]. Тоді треба збільшити кількість оборотів головки для сканування лідара до 5 оборотів. Отримані дані завантажуються в програмний комплекс Autodesk. Це десктопне положення котре допомагає користувачам працювати з результатом лазерного сканування - хмарою точок. Також програма надає можливість завантажувати фотографії та на їх основі створювати тривимірну тріангуляційну модель. Autodesk Recap представляє багато функцій для взаємодії з завантаженими даними від початкового зумінгу отриманої хмари точок до зміни окрасу точок по різним ознакам [2, с. 40, 16]. Також проект Autodesk Recap в подальшому можна експортувати в Autodesk Revit. При детальному розгляді отриманих результатів можна побачити обриси наприклад стола та розглянутих на ньому предметів, та приміщення в цілому. Подальший алгоритм обробки даних (координат хмари точок):

1) виділення базових паттернів точок у вигляді поверхонь;

2) співвідношення отриманих поверхонь з реальними об'єктами;

3) побудова просторової моделі, котра включає в себе 3D геометрію сканованих об'єктів.

В справжній час при аналізі даних в роботі таких систем можна виявити проблему геометричної похибки. Перетворення сферичного в декартову систему координат виконуються відносно статичного центру. Однак на притиці рух центру сканування складніший - рухається платформа та повертається головка лідару і відображення йде криволінійною поверхнею, хоча в реальності це буде плоскість. Також треба враховувати, рівень перекосу установки для сканування, так як вона може знаходитись на нерівній поверхні. Для практичного використання необхідне уточнення програм перерахунку координат кінцевої хмари точок.

ВИСНОВКИ