利用 BIM 信息实现移动平台导航

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利用 BIM 信息实现移动平台导航

要使移动平台能够自动地载着激光扫描仪在待施工场地内扫描,首先要解决的是移动平台的导航问题。在一般情况下解决这一问题的方法是使用激光SLAM的方法,先遥控移动平台在待施工场内移动一遍以完成地图的构建,再基于所构建的地图进行定位及导航。但是,先前的方法所需的预先建图步骤费时费力,并且可能会受到工地中堆放的杂物(施工材料)影响。考虑到装修场景的特点,装修场景所在的建筑在设计阶段会生成建筑的BIM模型,我们计划利用建筑BIM中所提供的信息来帮助移动平台实现无需预先建图的定位、导航。


1.IFC文件中提取房屋的平面图

为了免去预先建图的步骤,本文从BIM模型中提取待施工区域的平面图,再将所提取的得到的平面图作为后续定位导航的地图。而由于BIM具有可交互的特性,符合标准的BIM文件均支持IFC
(Industry Foundation Class,工业标准类)格式。IFC是由Autodesk为首的产业联盟与1994年发起的,它定义了一种统一的建筑信息可扩展数据格式,它为不同BIM软件间的数据交互提供了统一的数据格式[36]。图2-5展示了IFC起到了沟通不同BIM软件的作用。


与一般三维软件表示三维图像方法不同,在IFC中,通过不同层次的语句来定义建筑中的各个元素,各个元素组合起来表示完整的建筑,支持IFC标准的BIM软件读取IFC文件后将语句解析从而展示建筑的三维模型。IFC标准中规定的信息描述分为4个层次,自底向上分别为资源层、核心层、共享层和领域层[35]46。领域层中定义了建筑中专业领域的信息,例如建筑机电工程领域中的电梯等。而在前三层中,主要定义了建筑的结构信息,是本文主要使用的部分。在资源层中记录了所有基础信息的定义,例如几何、材料信息等;在核心层中,基于上一层资源层中的息进一步描述了工程对象之间的关系、工程对象的位置和工程对象的几何形状;在共享层中,则更进一步地定义了门、窗、梁、柱和墙面的具体信息。图2-6所示为某住宅的BIM,图2-7所示为
IFC中各实体间的关系。


对于装修场景,在装修施工的大部分时间,内部的房门处于未安装的状态。因此,要绘制待施工场地的平面图,仅需要从IFC文件中提取墙和门的信息,门的部分为可通过状态,而墙除了门所在区域的部分为不可通过的状态。要从IFC文件中提取墙信息,只需首先在共享层语句中找到所有的代表墙的Ifc Wall语句,接着根据Ifc Wall语句中提供的编号,在核心层中找到组成墙的面信息,之后在资源层中找到组成面的点信息。获得上述信息后,由点到面即可获得墙面的信息。门信息的获取与墙面信息的获取方法相同。图2-8为所获得的房屋平面图。图2-9总结了从建筑BIM中提取平面图的过程。


2.利用地图定位导航

获得了待施工场地的平面图之后,观察平面图可以发现:代表墙的部分为黑色,表示被占据;而白色的其他部分为未被占据,可以直接将平面图用作导航所需要的占据栅格地图。在具体实现导航功能时,本文直接采用了ROS(Robot OperatingSystem,机器人操作系统)中提供的功能包来实现定位和路径规划。主要使用的是move_base与amcl两个功能包,amcl用于实现在二维地图上移动平台的定位,move_base则用于导航中的最优路径规划。图2-10展示的是所使用的的导航功能框架。其中的全局代价地图使用前述方法获得的待施工场地的平面图来代替预先SLAM建立的地图。在全局代价地图的配置文件中正确设置平面图与实际房屋的比例关系,即可实现利用房屋平面图完成导航任务。


出处:程万里,面向装修场景的自动点云获取与点云应用研究【D】,2020.





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