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探洞

这群人仅花"X"万 | 竟造出了上百万的“大玩具”

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发表于 2021-4-22 16:38 显示全部帖子 | 只看本帖大图

四川洞穴探险队测量组


研发新成果


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洞穴世界的旷古之美,令人无法拒绝。

因为洞穴探测,人终于可以抵达地理的另一个维度。

人凭借勇气毅力征服一切,自然并不用于征服,但是勇气不可少,探索发现的精神不可少。


我叫奈落,四川洞穴探险队测绘组组长,小组成员包括了我、炯叔、余老师、小郭耳朵、冒号,"德智体美劳"组合,话不多说上帅照!

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几个人来自不同的职业,环境,因为对户外探险的热爱,在不同的时间,加入了队伍,又在一次次洞穴探险活动中,找到了真正坚持这项运动的意义,那就是,

洞穴测绘。


今天要分享的,是我们测绘组目前的一点成绩。大家看完"不明觉厉"的,直接扫二维码详情咨询。



看看这是啥▼▼▼


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木有看懂?我尽量用普通话解释下,上述图片是采用3d扫描技术采集点云,经过处理形成的洞穴3d图,洞穴尺度,高宽约40m,长约100m

现在再看看?


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是不是很像一件艺术品?


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雄伟的轮廓,详细的细节,海量的数据,简直就是艺术品。


这个东西是怎么做到的?需要什么工具,需要什么技术?


话说我16年进入探险队,当时国内主流的洞穴测绘技术,是以莱卡distoX310改为硬件核心,topodroid为软件核心的。

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此项技术就是把采用指南针、倾角仪、皮尺的传统测量法使用电子设备替代,优点是相对简单直接,缺点是操作重复性高,虽然强度不大,但大量的重复性工作容易叫人疲惫。用一位圈内大佬的说法就是,枯燥,相当的枯燥!


测量草图及成图如下▼

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第一张是草图,第二张是成图的局部,这两张图里面一笔一划都是用写生一样的方法描摹出来的,费事费力!


为了搞一次测绘,小组成员需要在洞内待更长的时间,每一段分配两名队友,前测手和后测手互相配合,漆黑的洞穴,重复的人工点测,机械运动,不能随便乱跑,而且每次要尽可能详细地描述出每个点的环境特征,耗时费力!

所以在队里,测绘小组又叫中老年组,一手搞测量,一手拿个保温杯,边测边喝茶


20189月的一次测绘,我在洞里连续作业了5天,灰头土脸,身心俱疲。还有一次,两个人留在后头测,地震了,轰隆隆蹦迪一样的声音,数据还没测完,不能跑…


有没有更简单的方法呢?,有!就是geoslam!边走边扫描,边自行生成洞穴3d模型。


geoslam的基本原理是通过扫描头的旋转来收集单点全方向的3d数据,再通过惯导和软件算法来实现行进过程中3d数据拼合。

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猜一猜,这玩意儿要多少钱?70万!!就是平替也要至少40万!


所以勤俭持家的我考虑能不能自己研发一套,虽不能像geoslam那样先进,但也不像disto那样枯燥的设备。


有了"洞穴三维建模”这么高大上的梦想,没钱咋办呢?埃隆马斯克说:“我要去火星,但是火箭发射太贵了,咋办捏?降成本降下来!”如梦初醒,定下了一个小目标:“让洞穴三维建模平民化!”


我、余老师、炯叔,三个男神(理科男),一个学土木的、一个学机械的、一个视觉设计大学老师,开始了(打鸡血)研发之路。



开始我们论证了两条技术路线:一条是摄影测量,利用照片拼接建模的原理对洞穴进行扫描建模。经过多次在洞穴内拍摄和验证,发现洞穴内复杂的环境和浓重的阴影是个大问题,在洞穴中布设三维建模理想的光源需要大量灯光设备,以及大量配套的电池。这对于洞穴环境来说太奢侈了,干活前先要徒步一天,所有物资需要人力搬运,操作性太低!


我们优化了前景的目标,“平民化的洞穴三维测绘系统,轻便易携带的现场作业设备",

走向了第二条技术路线,激光扫描。


激光扫描头这个东西,贵,死贵,一般人玩不起,但皇天不负有心人,突然间我们又想到了另一个东东,可以用自动驾驶的激光雷达嘛!


相对廉价且功能齐全。为了论证可行性,我们把激光扫雷达的资料查了个遍,都是“洋货”为了梦想,“菜英文”硬着脑壳就上了,得到了结论是“激光雷达可以实现三维建模,虽然精度较百万级激光扫描仪差一些,对于洞穴测绘精度完全可以覆盖。”


于是几个大男人把私房钱一凑,正式开干!


入手了激光雷达,有了大宝贝,虽然不是几十万的尖儿货,也是价格不菲的精密仪器。小心翼翼伺候了几个月,研究说明书、看论文、查资料、研究案例,终于摸清了它的脾性,让它乖乖地听话了。


激光雷达可以操控自如了,但是有一个硬伤:视角固定,也就是无法完成360度扫描。于是我遇到第一个难题,怎么让它转起来。加上可控云台,是一个理想的方案。学机械设计的炯叔,开发一套云台在他的射程范围内,但是研究后发现,结构、控制、通信一套研发工作周期较长,而且制作定制件的成本也相当高,我们需要尽快实现建模,跑通我们的建模理论。十分狂热的我们决定曲线救国,先搞一个二手电动云台,尽快推进,云台的开发就放到下一阶段,完成建模后再杀回来。挑挑选选、拼拼凑凑,一番省吃简用,云台上线,我们的雷达转起来了!


终于“洞穴三维扫描仪”的雏形有了。接下来就要开始建模了。


有百万级激光扫描仪珠玉在前,我们的研发也有迹可循,第一个任务是仿照成熟的激光扫描仪,完成一个空间球状空间的扫描。


插播一段:我们也考虑过使用“惯性导航系统”,仿照SLAM。这个系统我们都很陌生,它的原理和算法都太专业了,且价格不菲。所以我们还是“平民”方针。


仿照成熟的激光扫描仪建模思路,完成球状空间的扫描,需要将多个雷达的扫描结果整合起来,形成一个球。算法小专家炯叔登场,用python 语言编写了一套算法,将多个扫描结果按照一定规律进行拼接,最后形成一个抽象球体的扫描结果。


这就成了?nonono


自此我们开启了:现场扫描、图像拼接、算法优化、建模软件优化、流程优化、机构优化的无限循环模式,听起来是不是头很昏?


周末数据采集和深夜电话会议成了主旋律,无数个不知所谓的数据、千奇百怪的模型、丰富多彩的故障,在一遍又一遍流程和算法的优化中,终于迎来了第一个有模样的模型——一段地下车库的点云模型。

当时的场景实在难忘,一脸傻笑,上窜下跳,奔走呼号。

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球有了,接下来就是把多个球拼接在一起。简单来说有点像切面团,一根面棍切成面团,相当于把洞穴切成若干阶段,然后把每个面团再拼回面棍。

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这就成了?no。洞穴不是直线,它有相当复杂的前进路线,多模型拼接可是业内的难题。还是那个熟悉的配方,熟悉的无限循环。结合了坐标拼接和重叠率拼接两套技术方案,终于消灭了这个拦路虎。这个阶段余老师尽显雷霆手段,在无数个深夜完成了模型的杂点过滤、拼接优化、空洞补缺、面片化生成。


数月过去,终于迎来了第二个有模样的模型——一段长一点的地下车库的点云模型。

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成年人的快乐,就是这么简单且枯燥。


终于,可以下洞了,离成功只差一步,想象我们的研发成果让业内震惊,随之开发产品大卖特卖,改变了行业格局,从此走上人生巅峰……


让我再陶醉一下下,再之后就是大家看到的开头的洞穴测绘成果。

总结一下:

1、
本套设备的优点?

价格相较于geoslam便宜数倍,略高于disto的价格,一般洞穴测量爱好者均可承担;数据量,精确度,出图效果接近geoslam,远高于disto2d绘图模式;自动化程度高,大幅降低测量者的劳动强度,大幅降低测量者的主观意识对于测绘结果的影响;

2、
本套设备的缺点?

设备较大较重,便携性较disto差;限于扫描头50cm的测距下限,宽高低于1m的狭窄洞道无法测量;单站扫描由设备自动完成,目前估算时间约为disto测量的2-3倍,等待时间约为15分钟,测量者无事可做容易着凉。

3、
目前进度及未来开发方向?

工程机1.0已经开发完成,可用于较大的洞道测量;扫描头采用外采,随自动驾驶激光扫描头的技术进步,不断提升,尤其是扫描视角范围的提升,可提高单站扫描速度;云台采用外采,未来将自研硬件及程序,降低自重,减少程序冗余,提高单站扫描速度;数据收集及处理采用笔记本电脑,未来将利用树莓派自研套件,并整合云台程控,降低成本,降低自重;仍需使用disto,未来探索其他替代工具。


再来欣赏一下洞穴3d模型▼

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发表于 2021-4-26 10:56 显示全部帖子
奈落在此,哈哈哈
发表于 2021-6-3 14:48 显示全部帖子



飞哥牛皮


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