基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置

1.本技术属于三维测量领域，具体地涉及一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置。

背景技术：

2.随着科学技术和工业的发展，三维测量技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、逆向工程、cad/cam以及生物医学工程等方面的应用日益重要。三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。接触式测量受测量原理限制，虽然精度高，但速度慢，且因整体尺寸较大无法对空间较小的管状构件内腔进行测量。而基于光学原理的非接触式测量，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。
3.对于管状构件的内腔三维测量过程，主要难点在于如何实现对每个测量位置的精确定位，实现测量点云的高精度拼接。传统所用的定位一种是通过贴圆形标志点进行识别定位，但因为需要在待测表面均匀贴标志点，所以对于大型管状构件，贴标志点过程过于复杂；另外一种是通过对测量面的特征进行提取，然后对提取出的特征进行匹配拼接，但该方法对于纹理信息不明显的构件拼接精度会比较低。

技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明通过装备有激光扫描雷达和视觉定位系统的轮式小车在管状构件内部扫描，借助相似原理、矩阵变换完成了管状构件内腔形状的计算，为管状构件内部形状信息的获取提供了高效率的解决方案，提高了扫描获取管状件内腔形状的效率及精度。
5.为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：
6.一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，其包括以下步骤：
7.该方法借助于扫描装置实现，所述扫描装置包括视觉定位系统、激光扫描雷达、轮式移动小车、三球靶标；
8.步骤1：使用视觉定位系统获取三球靶标中每一个靶球的中心坐标，具体步骤如下：
9.利用视觉定位系统的相机拍摄安装于管状构件内壁顶部的三球靶标，得到二维图像中三个靶球的坐标，使用图像处理软件进行识别，获取的每个靶球的中心坐标如下所示：
10.pc＝[u,v]
t
[0011]
式中：pc表示靶球的中心坐标；u表示靶球的中心横坐标；v表示靶球的中心纵坐标；t 表示矩阵的转置；
[0012]
步骤2：对视觉定位系统进行定位，得到视觉定位系统的位姿，其具体包括以下子步骤；
[0013]
步骤21：建立靶球中心在相机坐标系中的坐标和把球中心成像点在相机成像平面上的坐标之间的关系；
[0014]
已知靶球中心在相机坐标系中的坐标p和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标pd；根据三角形相似原理，能够获得下式所示的关系：
[0015][0016]
式中：f表示成像平面到光心的距离，即为焦距；x、y和z分别表示靶球中心在相机坐标系中的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；xd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的横坐标；yd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的纵坐标；
[0017]
步骤22：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心在像素坐标系中坐标的映射关系；
[0018]
根据靶球中心在相机成像平面上的坐标pd和在像素坐标系上的坐标pc的关系；确定靶球中心在相机坐标系中的坐标p和靶球中心在像素坐标系中坐标pc的映射关系，如下式所示：
[0019][0020]
式中：k表示相机的内参数矩阵；c
x
和cy表示像素原点沿u和v轴平移的距离；f
x
和fy表示像素坐标沿u轴和v轴缩放的系数；p表示靶球中心在相机坐标系中的坐标；
[0021]
步骤23：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标p与靶球中心在世界坐标系中的坐标pw的映射关系；
[0022]
靶球中心在相机坐标系中的坐标为p和靶球中心在世界坐标系中的坐标pw的映射关系的获得方法如下所示：
[0023]
p＝rpw+t
[0024]
式中：r表示世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵；t表示世界坐标系相对相机坐标系的位移向量；pw表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；
[0025]
步骤24：确定视觉定位系统的位姿；
[0026]
结合步骤22与步骤23的计算结果，靶球中心在像素坐标系中的坐标pc和靶球中心在世界坐标系中的坐标pw的映射关系的获得方法如下所示：
[0027][0028]
式中：xw表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；yw表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；zw表示靶球中心在世界坐标系中的竖直方向坐标；t1、t2和t3分别表示世界坐标系相对相机坐标系在x、y和z方向的位移分量；r
ij
(i＝1,...,3,j＝1,...3)表示旋转矩阵r的9个元素；
[0029]
世界坐标系原点设置在为三个靶球中心组成的三角形的几何中心上，已知三球靶标上的三个靶球中心在世界坐标中的坐标pw，三个靶球中心在像素坐标系中的坐标pc经图
像处理后得到，将已知条件代入上式，能够解出世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t，能够得到视觉定位系统的位姿；
[0030]
步骤3：对移动小车和激光扫描雷达进行定位；
[0031]
根据视觉定位系统的位姿和激光扫描雷达的旋转角度，能够得到移动小车坐标系相对于相机坐标系的变换矩阵移动小车坐标系原点在相机坐标系内的坐标和激光扫描雷达坐标系原点在移动小车坐标系内的坐标为安装时确定的已知条件；因此，根据步骤 24中计算得到的世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t；能够求得移动小车坐标系原点和激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标和
[0032]
步骤4：根据每个时刻激光雷达旋转的角度和激光扫描雷达的坐标进行点云拼接，完成对管状构件内腔表面全部扫描，获取管状构件内腔形状；
[0033]
将激光雷达获得的形状数据中的每个点在世界坐标系上进行表达，则管状构件内腔形状的获取方式如下式所示：
[0034][0035]
式中：p
world
表示三维点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第1个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在移动小车坐标系中的坐标；表示第2个三球靶标坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于第2个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第2个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；表示第i 个三球靶标坐标系相对于第i-1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于i个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第i个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；i表示三球靶标序列数；n表示三球靶标总数。
[0036]
可优选的是，所述步骤21中的靶球中心在相机坐标系中的坐标p和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标pd具体如下所示：
[0037]
靶球中心在相机坐标系中的坐标如下式所示：
[0038]
p＝[x,y,z]
t
[0039]
式中：p表示靶球中心在相机坐标系中的坐标；
[0040]
靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标为：
[0041]
pd＝[xd,yd,zd]
t
[0042]
式中：pd表示靶球中心在相机成像平面上的成像点坐标；zd表示成像平面与相机光心间的距离。
[0043]
可优选的是，所述步骤22中的靶球中心在成像平面上的坐标pd和靶球中心在像素平面上的坐标pc的关系具体如下所示：
[0044]
靶球中心在像素平面上的坐标pc，像素坐标系的原点o”位于图像的左上角，u轴向
右与成像平面坐标系的x轴平行，v轴向下与成像平面坐标系的y轴平行；像素坐标系和成像平面坐标系之间存在缩放和平移转化关系，像素坐标系在u轴上缩放了α倍，像素坐标系在v 轴上缩放了β倍，像素原点平移的距离为[c
x
,cy]
t
；因此，靶球中心在成像平面上的坐标pd和靶球中心在像素平面上的坐标pc的映射关系如下式所示：
[0045][0046]
式中：α表示像素坐标在u轴上缩放的倍数；β表示像素在v轴上缩放的倍数；c
x
和cy表示像素原点沿u和v轴平移的距离；
[0047]
将上式转换成如下所示的计算关系：
[0048][0049]
式中：f
x
表示像素坐标系沿u轴缩放的系数，具体为f
x
＝αf；fy表示像素坐标系沿v 轴缩放的系数，具体为fy＝βf。
[0050]
可优选的是，所述步骤23中的靶球中心在世界坐标系中的坐标pw如下所示：
[0051]
pw＝(x
w y
w zw)
[0052]
式中：pw表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；xw表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；yw表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；zw表示靶球中心在世界坐标系中横坐标轴、纵坐标轴所在平面的法向量方向上的坐标。
[0053]
可优选的是，所述步骤23中的相机坐标系相对世界坐标系的旋转矩阵r具体如下所示；相机坐标系相对世界坐标系的旋转矩阵r获取方法如下所示：
[0054][0055]
式中：r
ij
(i＝1,...,3,j＝1,...3)表示旋转矩阵r的9个元素。
[0056]
可优选的是，所述步骤3中移动小车原点和激光扫描雷达原点相对世界坐标系的坐标获取方法如下所示：
[0057]
世界坐标系相对相机坐标系的变换矩阵的获取方法如下所示：
[0058][0059]
式中：表示世界坐标系相对相机坐标系的变换矩阵；
[0060]
相机坐标系相对世界坐标系的变换矩阵的获取方法如下所示：
[0061][0062]
式中：表示相机坐标系相对世界坐标系的变换矩阵；
[0063]
移动小车坐标系原点在世界坐标系中的坐标的获取方法如下所示：
[0064][0065]
式中：表示移动小车坐标系原点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系原点在相机坐标系中的坐标；
[0066]
激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标的获取方法如下所示：
[0067][0068]
式中：表示激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵；表示激光扫描雷达坐标系原点在小车坐标系中的坐标。
[0069]
本发明的第二方面提供一种能够实现上述的基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法的扫描装置，所述装置包括视觉定位系统、激光扫描雷达、轮式移动小车、三球靶标；
[0070]
所述视觉定位系统包括相机、第一电动转台、第二电动转台、第一安装架、第二安装架，所述第一电动转台与所述第一安装架的第一端固定连接，所述第一安装架的第二端与所述第二安装架第一端以转动副连接，并与所述第二电动转台的第一端固定连接，所述第二安装架第一端穿透第一安装架与所述第二电动转台第二端固定连接，所述第二安装架第二端与所述相机固定连接；所述激光扫描雷达包括激光扫描雷达旋转台和雷达底盘，所述激光扫描雷达旋转台与所述雷达底盘通过转动副连接，所述激光扫描雷达旋转台内设置有红外激光发射器；所述三球靶标包括三个颜不同的靶球、三个支撑杆和靶标底板，所述支撑杆的第一端与所述靶球固定连接，所述支撑杆的第二端与所述靶标底板固定连接，支撑杆呈正三角分布；
[0071]
所述激光扫描雷达和视觉定位系统均设在所述轮式移动小车的车体上；
[0072]
所述轮式移动小车包括车轮、车体和保护外壳；
[0073]
所述三球靶标呈线状布置于待测管状构件内壁顶部，三球靶标用于为辅助视觉系统进行轮式移动小车的定位，三球靶标上具有三个颜不同的靶球，从而能够为定位计算提供足够的参数；视觉定位系统安装于轮式移动小车的尾部，视觉定位系统用于拍摄安装于待测构件内的三球靶标进而实现轮式移动小车的定位，视觉定位系统具有回转和俯仰两个旋转自由度，通过改变自身姿态的方式使三球靶标处于拍摄范围之内；激光扫描雷达安装于轮式移动小车的首部，作用是扫描待测构件获得形状数据；轮式移动小车由电机驱动，远程控制，作用是搭载视觉定位系统和激光扫描雷达在待测构件内移动；
[0074]
所述三球靶标呈线状安装于待测管状构件内壁顶部。
[0075]
可优选的是，所述轮式移动小车的车体上安装有相机定位系统安装架、激光扫描雷达安装架、四个直流减速电机、锂电池和控制器。
[0076]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0077]
(1)本发明提供一种管状构件内腔形状的扫描方法，该方法通过装备激光扫描雷达和视觉定位系统的轮式小车在管状构件内部扫描，获取点云坐标数据，通过相似原理和矩阵变换进一步完成了管状构件内腔形状的计算方法。
[0078]
(2)本发明所使用的扫描装置能够进入狭小的管状构件内部，不会对待测管状构
件造成损伤，为管状构件内部形状信息的获取提供了高效率解决方案。
[0079]
(3)本发明提供的扫描装置具有轮式移动底盘，使得扫描装置能够在构件内腔中进行运动以适应长度不同的构件内腔的扫描工作。本发明提供的构件内腔扫描方案借助视觉系统和三球靶标对扫描装置进行自动定位，能够实时获得扫描装置的位置信息，运算速度快，现自动化程度高，操作简单，能够节省大量的人力、物力和时间成本。
附图说明
[0080]
图1为本发明实施例基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法的步骤框图；
[0081]
图2为本发明实施例的整体结构示意图；
[0082]
图3为本发明实施例的轮式移动小车外部结构示意图；
[0083]
图4为本发明实施例的轮式移动小车去除外壳后的轴测图；
[0084]
图5为本发明实施例的轮式移动小车去除外壳后的前视图；
[0085]
图6为本发明实施例的轮式移动小车去除外壳后的后视图；
[0086]
图7为本发明实施例的视觉定位系统的结构示意图；
[0087]
图8为本发明实施例的激光扫描雷达的结构示意图；
[0088]
图9为本发明实施例的三球靶标的结构示意图；
[0089]
图10为本发明实施例的轮式移动小车对第1个三球靶标进行定位的示意图；
[0090]
图11为本发明实施例的轮式移动小车切换不同三球靶标进行定位的示意图。
[0091]
附图标记：
[0092]
1-视觉定位系统；2-轮式移动小车；3-激光扫描雷达；4-三球靶标；5-车身外壳；6-底部外壳；7-首部外壳；8-顶部外壳；9-云台安装架；10-车体；11-雷达安装架；12-电池固定板； 13-锂电池；14-第三橡胶轮；15-第三直流减速电机；16-控制器；17-第四直流减速电机；18
‑ꢀ
第四橡胶轮；19-第一橡胶轮；20-第一直流减速电机；21-第二直流减速电机；22-第二橡胶轮；23-相机；24-第二安装架；25-激光瞄准器；26-第二电动转台；27-第一电动转台；28-第一安装架；29-激光扫描雷达旋转台；30-激光扫描雷达底座；31-红靶球；32-第一支撑杆；33
‑ꢀ
蓝靶球；34-第二支撑杆；35-靶标底座；36-第三支撑杆；37-黄靶球；38-待测管状构件。
具体实施方式
[0093]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本发明通过装备激光扫描雷达和视觉定位系统的轮式小车在管状构件内部扫描，获取管状构件内腔坐标数据，借助相似原理、矩阵变换完成了管状构件内腔形状的计算，为管状构件内部形状信息的获取提供了高效率解决方案，提高了管状件内腔计算精度。本发明实施例提供了一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，如图1所示为该方法的步骤框图，为了证明本方法的适用性，将其应用于实例，具体包含如下步骤：
[0094]
该方法借助于扫描装置实现，扫描装置包括视觉定位系统1、激光扫描雷达3、轮式移动小车2、三球靶标4；
[0095]
s1：使用视觉定位系统1获取三球靶标4每一个靶球的中心坐标，具体如下：
[0096]
利用视觉定位系统1的相机拍摄安装于管状构件内壁顶部的三球靶标4，得到二维
图像中的三个靶球的坐标，使用图像处理软件进行识别，获取的靶球中心在像素坐标系中的坐标如下所示：
[0097]
pc＝[u,v]
t
[0098]
式中：pc表示靶球的中心坐标；u表示靶球的中心横坐标；v表示靶球的中心纵坐标；t 表示矩阵的转置；
[0099]
s2：对视觉定位系统1进行定位，得到视觉定位系统1的位姿，其具体包括以下子步骤；
[0100]
s21：建立靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标之间的关系；
[0101]
靶球中心在相机坐标系中的坐标如下式所示：
[0102]
p＝[x,y,z]
t
[0103]
式中：p表示靶球中心在相机坐标系中的坐标；
[0104]
靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标为：
[0105]
pd＝[xd,yd,zd]
t
[0106]
式中：pd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标；zd表示成像平面与相机光心间的距离。
[0107]
已知靶球中心在相机坐标系中的坐标p和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标pd；根据三角形相似原理，能够获得下式所示的关系：
[0108][0109]
式中：f表示成像平面到光心的距离，即为焦距；x、y和z分别表示靶球中心在相机坐标系中的横坐标、纵坐标和竖直方向坐标；xd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的横坐标；yd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的纵坐标；
[0110]
s22：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心在像素坐标系中坐标的映射关系；
[0111]
靶球中心在像素平面上的坐标pc，像素坐标系的原点o”位于图像的左上角，u轴向右与成像平面坐标系的x轴平行，v轴向下与成像平面坐标系的y轴平行；像素坐标系和成像平面坐标系之间存在缩放和平移转化关系，像素坐标系在u轴上缩放了α倍，像素坐标系在v 轴上缩放了β倍，像素原点平移的距离为[c
x
,cy]
t
；因此，靶球中心在成像平面上的坐标pd和靶球中心在像素平面上的坐标pc的映射关系如下式所示：
[0112][0113]
式中：α表示像素坐标在u轴上缩放的倍数；β表示像素坐标在v轴上缩放的倍数；c
x
和 cy表示像素原点沿u和v轴平移的距离；
[0114]
将上式转换成如下所示的计算关系：
[0115][0116]
式中：f
x
表示像素坐标沿u轴缩放的系数，具体为f
x
＝αf；fy表示像素坐标沿v轴缩放的系数，具体为fy＝βf。
[0117]
根据靶球中心在相机成像平面上的坐标pd和在像素坐标系上的坐标pc的关系；确定靶球中心在相机坐标系中的坐标p和靶球中心在像素坐标系中坐标pc的映射关系，如下式所示：
[0118][0119]
式中：k表示相机的内参数矩阵；c
x
和cy表示像素原点沿u和v轴平移的距离；f
x
和fy表示像素坐标沿u轴和v轴缩放的系数；p表示靶球中心在相机坐标系中的坐标；
[0120]
s23：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标p与靶球中心在世界坐标系中的坐标pw的映射关系；
[0121]
靶球中心在世界坐标系中的坐标pw如下所示：
[0122]
pw＝(x
w y
w zw)
[0123]
式中：pw表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；xw表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；yw表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；zw表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标轴和纵坐标轴所在平面的法向量方向上的坐标。
[0124]
靶球中心在相机坐标系中的坐标为p和靶球中心在世界坐标系中的坐标pw的映射关系的获得方法如下所示：
[0125]
p＝rpw+t
[0126]
式中：r表示世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵；t表示世界坐标系相对相机坐标系的位移向量；pw表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；
[0127]
世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r如下所示：
[0128][0129]
式中：r
ij
(i＝1,...,3,j＝1,...3)表示旋转矩阵r的9个元素。
[0130]
r和t描述了世界坐标系在相机坐标系中的位姿，其中的元素在系统工作的过程中不断变化，是我们的求解目标。
[0131]
s24：确定视觉定位系统的位姿；
[0132]
结合s22与s23的计算结果，靶球中心在像素坐标系中坐标pc和靶球中心在世界坐标系中的坐标pw的映射关系的获得方法如下所示：
[0133][0134]
式中：xw表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；yw表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；zw表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标轴和纵坐标轴所在平面的法向量方向上的坐标；t1、t2和t3分别表示世界坐标系相对相机坐标系在x、y和z方向的位移分量； r
ij
(i＝1,...,3,j＝1,...3)表示旋转矩阵r的9个元素；
[0135]
世界坐标系原点设置在为三球靶标的三个靶球中心组成的三角形几何中心上，已知三球靶标上的三个靶球中心在世界坐标中的坐标pw，三个靶球中心在像素坐标系中的坐标pc经图像处理后得到，将已知条件代入上式，能够解出世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t，能够得到视觉定位系统的位姿；
[0136]
s3：对移动小车和激光扫描雷达进行定位；
[0137]
根据视觉定位系统的位姿和激光扫描雷达的旋转角度，能够得到移动小车坐标系相对于相机坐标系的变换矩阵移动小车坐标系原点在相机坐标系内的坐标和激光扫描雷达坐标系原点在移动小车坐标系内的坐标为安装时确定的已知条件；因此，根据s24 中计算得到的世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t；能够求得移动小车原点和激光扫描雷达原点相对世界坐标系的坐标和
[0138]
世界坐标系相对相机坐标系的变换矩阵的获取方法如下所示：
[0139][0140]
式中：表示世界坐标系相对相机坐标系的变换矩阵；
[0141]
相机坐标系相对世界坐标系的变换矩阵的获取方法如下所示：
[0142][0143]
式中：表示相机坐标系相对世界坐标系的变换矩阵；
[0144]
移动小车坐标系原点在世界坐标系中的坐标的获取方法如下所示：
[0145][0146]
式中：表示移动小车坐标系原点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系原点在相机坐标系中的坐标；
[0147]
激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标的获取方法如下所示：
[0148][0149]
式中：表示激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵；表示激光扫描雷达的坐标系原点在小车坐标系中的坐标。
[0150]
s4：根据每个时刻激光雷达旋转的角度和激光扫描雷达的坐标进行点云拼接，完成对管状构件内腔表面全部扫描，获取管状构件内腔形状；
[0151]
将激光雷达获得的形状数据中的所有点在同一坐标系上进行表达，则管状构件内腔形状的获取方式如下式所示：
[0152][0153]
式中：p
world
表示三维点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第1个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在移动小车坐标系中的坐标；表示第2个三球靶标坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于第2个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第2个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；表示第i 个三球靶标坐标系相对于第i-1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于i个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第i个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；i表示三球靶标序列数；n表示三球靶标总数。
[0154]
本发明的第二方面提供一种能够实现上述的基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法的扫描装置。检测方法基于扫描装置实现，图2为所示本发明实施例的整体结构示意图；其包括视觉定位系统1、激光扫描雷达3、轮式移动小车2和三球靶标4；如图7所示为本发明实施例的视觉定位系统1的结构示意图；如图8所示为本发明实施例的激光扫描雷达3的结构示意图；如图3所示为本发明实施例的轮式移动小车2外部结构示意图；如图9所示为本发明实施例的三球靶标4的结构示意图；三球靶标4呈线状布置于待测管状构件内壁顶部，其作用为辅助视觉系统进行扫描装置的定位，三球靶标4上具有三个颜不同的靶球，为定位计算提供足够的参数；如图10所示为本发明实施例的扫描装置借助第1个三球靶标4进行定位的示意图；如图11所示为本发明实施例的扫描装置切换不同三球靶标4进行定位的示意图。
[0155]
视觉定位系统1包括一个相机23、激光瞄准器25、第一电动转台27、第二电动转台26、第一安装架28和第二安装架24，第一电动转台27与第一安装架28的第一端固定连接，第一安装架28的第二端与第二安装架24第一端以转动副连接，并与第二电动转台26的第一端固定连接，第二安装架24第一端穿透第一安装架28与第二电动转台26第二端固定连接，第二安装架24第二端与相机23固定连接；激光扫描雷达3包括激光扫描雷达旋转台29和雷达底盘30，激光扫描雷达旋转台29与雷达底盘30通过转动副连接，激光扫描雷达旋转台内设置有红外激光发射器；三球靶标4包括三个颜不同的靶球31、33、37、三个支撑杆32、34、 36和靶标底板35，支撑杆32、34、36的第一端分别与靶球31、33、37固定连接，支撑杆 32、34、36的第二端与靶标底板35固定连接；支撑杆32、34、36分别包括第一支撑杆32、第二支撑杆34和第三支撑杆36；靶球31、33、37分别包括红靶球31、蓝靶球33、和黄靶球37，红靶球31借助于第一支撑杆32固定，蓝靶球33借助于第二支撑杆34固定，黄靶球37借助
于第三支撑杆36固定。第一支撑杆32、第二支撑杆34和第三支撑杆 36的底部固定安装在靶标底座35上，支撑杆呈正三角形分布。
[0156]
视觉定位系统1固定安装于轮式移动小车2的尾部，其作用是拍摄安装于待测构件内的三球靶标4进而实现轮式移动小车2的定位，视觉定位系统1具有回转和俯仰两个旋转自由度，通过改变自身姿态的方式使三球靶标4处于其拍摄范围之内；激光扫描雷达3安装于轮式移动小车2的首部，作用是扫描待测构件获得形状数据；轮式移动小车2由电机驱动，能够远程控制，其作用是搭载视觉定位系统1和激光扫描雷达3在待测构件内移动。
[0157]
激光扫描雷达3和视觉定位系统1均设在轮式移动小车2的车体上。轮式移动小车2包括车轮、车体10和保护外壳；如图4所示为本发明实施例的轮式移动小车2去除外壳后的轴测图；如图5所示为本发明实施例的轮式移动小车2去除外壳后的前视图；如图6所示为本发明实施例的轮式移动小车2去除外壳后的后视图。
[0158]
由图中可以看出，车轮包括第一橡胶轮19、第二橡胶轮22、第三橡胶轮14和第四橡胶轮18，第一橡胶轮19、第二橡胶轮22、第三橡胶轮14和第四橡胶轮18分部借助于第一直流减速电机20、第二直流减速电机21、第三直流减速电机15和第四直流减速电机17进行驱动，第一直流减速电机20、第二直流减速电机21、第三直流减速电机15和第四直流减速电机17都连接有控制器16并受控于控制器16。保护外壳分别包括顶部外壳8、车体外壳5、底部外壳6和首部外壳7。
[0159]
使用时，三球靶标4安装于待测管状构件内腔顶部；轮式移动小车2的车体上安装有相机定位系统的云台安装架9、激光扫描雷达安装架11、四个直流减速电机20、锂电池13和控制器16。
[0160]
综上，本实施例的预测结果证明了本发明提供的方法具有很好的效果。
[0161]
(1)本发明提供一种管状构件内腔形状的扫描方法，该方法通过装备激光扫描雷达和视觉定位系统的轮式小车在管状构件内部扫描，获取形状(点云)数据坐标，通过相似原理和矩阵变换进一步完成了管状构件内腔形状的计算；通过给出的结果数据说明本方法的计算精度较好，可以满足实际使用的需求；
[0162]
(2)本扫描装置能够进入狭小的管状构件内部，不会对待测管状构件造成损伤，为管状构件内部形状信息的获取提供了高效率解决方案。
[0163]
(3)本发明提供的扫描装置具有轮式移动底盘，这使得扫描装置能够在构件内腔中进行运动以适应长度不同的构件内腔的扫描工作。本发明提供的构件内腔扫描方案借助视觉系统和三球靶标对扫描装置进行自动定位，能够实时获得扫描装置的位置信息，运算速度快，自动化程度高，操作简单。
[0164]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，其特征在于，使用视觉系统采集三球靶标的图像以对在管状构件内部移动的扫描装置进行定位，使用激光雷达获取管状构件内腔的形状数据，其包括以下步骤：步骤1：使用视觉定位系统获取三个靶球中每一个靶球的中心坐标，具体如下：利用视觉定位系统的相机拍摄安装于管状构件内壁顶部的三球靶标，得到三球靶标的二维图像，使用图像处理软件进行识别，获取的靶球的中心坐标如下所示：p
c
＝[u,v]
t
式中：p
c
表示靶球的中心在像素坐标系内的坐标；u表示靶球中心在像素坐标系内的横坐标；v表示靶球中心在像素坐标系内的纵坐标；t表示矩阵的转置；步骤2：对视觉定位系统进行定位，得到视觉定位系统的位姿，其具体包括以下子步骤；步骤21：建立靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标之间的关系；已知靶球中心在相机坐标系中的坐标p＝(x,y,z)
t
和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标p
d
＝(x
d
,y
d
,f)
t
；根据三角形相似原理，能够获得下式所示的关系：式中：f表示相机成像平面到相机光心的距离，即为焦距；x、y和z分别表示靶球中心在相机坐标系中的横坐标、纵坐标和相机光轴方向上的坐标；x
d
表示靶球中心成像点在相机成像平面上的横坐标；y
d
表示靶球中心成像点在相机成像平面上的纵坐标；步骤22：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心在像素坐标系中坐标的映射关系；根据靶球中心在相机成像平面上的坐标p
d
和靶球中心在像素坐标系上的坐标p
c
的关系；确定靶球中心在相机坐标系中的坐标p和靶球中心在像素坐标系中坐标p
c
的映射关系，如下式所示：式中：k表示相机的内参数矩阵；c
x
和c
y
表示像素原点沿像素坐标系u轴和v轴平移的距离；f
x
和f
y
表示图像沿u轴和v轴缩放的系数；p表示靶球中心在相机坐标系中的坐标；步骤23：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标p与靶球中心在世界坐标系中的坐标p
w
的映射关系；靶球中心在相机坐标系中的坐标为p和靶球中心在世界坐标系中的坐标p
w
的映射关系的获得方法如下所示：p＝rp
w
+t式中：r表示世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵；t表示世界坐标系相对相机坐标系的位移向量；p
w
表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；步骤24：确定视觉定位系统的位姿；结合步骤22与步骤23的计算结果，靶球中心在像素坐标系中的坐标p
c
和靶球中心在世
界坐标系中的坐标p
w
的映射关系的获得方法如下所示：式中：x
w
表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；y
w
表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；z
w
表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标轴和纵坐标轴所在平面法向量方向上的坐标；t1、t2和t3分别表示世界坐标系相对相机坐标系在x、y和z方向的位移分量；r
ij
(i＝1,...,3,j＝1,...3)表示旋转矩阵r的9个元素；世界坐标系原点设置在三球靶标的三个靶球中心组成的三角形的几何中心上，已知三球靶标上的三个靶球中心在世界坐标中的坐标p
w
，每个靶球的中心在像素坐标系中的坐标p
c
经图像处理后得到，将已知条件代入上式，能够解出世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t，能够得到视觉定位系统的位姿；步骤3：对移动小车和激光扫描雷达进行定位；根据视觉定位系统的位姿和激光扫描雷达的旋转角度，能够得到移动小车坐标系相对于相机坐标系的变换矩阵移动小车坐标系原点在相机坐标系内的坐标和激光扫描雷达坐标系原点在移动小车坐标系内的坐标根据步骤24中计算得到的世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵r和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t；求得移动小车原点和激光扫描雷达原点相对世界坐标系的坐标和步骤4：根据每个时刻激光雷达旋转的角度和激光扫描雷达的坐标进行点云拼接，完成对管状构件内腔表面全部扫描，获取管状构件内腔形状；将激光雷达获得的形状数据中的每一个点在同一坐标系上进行表达，表达方式如下式所示：式中：p
world
表示激光扫描雷达获得的点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第1个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在移动小车坐标系中的坐标；表示第2个三球靶标坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于第2个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第2个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；表示第i个三球靶标坐标系相对于第i-1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于第i个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第i个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；i表示三球靶标序号；n表示三球靶标总数。2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，其特征在于，所述步骤22中的靶球中心在成像平面上的坐标p
d
和靶球中心在像素坐标系上的坐标p
c
的关系
具体如下所示：靶球中心在像素平面上的坐标为p
c
，像素坐标系的原点o”位于图像的左上角，u轴向右与成像平面坐标系的x轴平行，v轴向下与成像平面坐标系的y轴平行；像素坐标系和成像平面坐标系之间存在缩放和平移转化关系，像素坐标系在u轴上缩放了α倍，像素坐标系在v轴上缩放了β倍，像素原点平移的距离为[c
x
,c
y
]
t
；因此，靶球中心在成像平面上的坐标p
d
和靶球中心在像素平面上的坐标p
c
的映射关系如下式所示：式中：α表示像素坐标在u轴上缩放的倍数；β表示像素在v轴上缩放的倍数；c
x
和c
y
表示像素原点沿u和v轴平移的距离；将上式转换成如下所示的计算关系：式中：f
x
表示像素坐标沿u轴缩放的系数，具体为f
x
＝αf；f
y
表示像素原点沿v轴缩放的系数，具体为f
y
＝βf。3.根据权利要求1所述的基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，其特征在于，所述步骤23中的靶球中心在世界坐标系中的坐标p
w
如下所示：p
w
＝(x
w y
w z
w
)式中：p
w
表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；x
w
表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；y
w
表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；z
w
表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标轴和纵坐标轴所在平面的法向量方向上的坐标。4.根据权利要求1所述的基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，其特征在于，所述步骤3中移动小车原点和激光扫描雷达原点相对世界坐标系的坐标获取方法如下所示：世界坐标系相对相机坐标系的变换矩阵的获取方法如下所示：式中：表示世界坐标系相对相机坐标系的变换矩阵；相机坐标系相对世界坐标系的变换矩阵的获取方法如下所示：式中：表示相机坐标系相对世界坐标系的变换矩阵；移动小车坐标系原点在世界坐标系中的坐标的获取方法如下所示：式中：表示移动小车坐标系原点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐
标系原点在相机坐标系中的坐标；激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标的获取方法如下所示：式中：表示激光扫描雷达坐标系原点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵；表示激光扫描雷达获得的点云在小车坐标系中的坐标。5.一种用于实现根据权利要求1-4任一项所述的基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法的扫描装置，其特征在于，扫描装置能够在管状构件内部移动从而适用于不同长度管状构件，扫描装置包括视觉定位系统、激光扫描雷达、轮式移动小车和三球靶标；所述视觉定位系统包括相机、第一电动转台、第二电动转台、第一安装架、第二安装架，所述第一电动转台与所述第一安装架的第一端固定连接，所述第一安装架的第二端与所述第二安装架第一端以转动副联接，并穿透第一安装架与所述第二电动转台的第一端固定连接，所述第二安装架第一端与所述第二电动转台第二端固定连接，所述第二安装架第二端与所述相机固定连接；所述激光扫描雷达包括激光扫描雷达旋转台和雷达底盘，所述激光扫描雷达旋转台与所述雷达底盘通过转动副连接，所述激光扫描雷达旋转台内设置有红外激光发射器；所述三球靶标包括三个颜不同的靶球、三个支撑杆和靶标底板，所述三个支撑杆的第一端与靶球固定连接，所述三个支撑杆的第二端与所述靶标底板固定连接，三个支撑杆呈正三角分布；所述激光扫描雷达和视觉定位系统均设在所述轮式移动小车的车体上；所述轮式移动小车包括车轮、车体和保护外壳；所述三球靶标呈线状固定安装于待测管状构件内壁顶部，三球靶标用于为辅助视觉系统进行扫描装置的定位，三球靶标上具有三个颜不同的靶球，从而能够为定位计算提供足够的参数；视觉定位系统固定安装于轮式移动小车的尾部，视觉定位系统用于拍摄安装于待测构件内壁顶部的三球靶标进而实现扫描装置的定位，视觉定位系统具有回转和俯仰两个旋转自由度，通过改变自身姿态的方式使三球靶标处于拍摄范围之内；激光扫描雷达安装于轮式移动小车的首部，作用是扫描待测构件获得形状数据；轮式移动小车由电机驱动，远程控制，作用是搭载视觉定位系统和激光扫描雷达在待测构件内移动。6.根据权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述轮式移动小车的车体上固定安装有相机定位系统安装架、激光扫描雷达安装架、四个直流减速电机、锂电池和控制器。

技术总结

本发明涉及一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置，方法包括以下步骤，步骤一：使用视觉定位系统获取三球靶标中每个靶球的中心坐标；步骤二：对视觉定位系统进行定位，得到视觉定位系统的位姿；步骤三：对移动小车和激光扫描雷达进行定位；步骤四：根据每个时刻激光雷达旋转的角度及其坐标进行点云拼接，完成对管状构件内腔表面全部扫描，获取管状构件内腔形状。本发明通过相似原理和矩阵变换完成了管状构件内腔形状的拼接计算，提高了计算精度。本发明所使用的扫描装置能够进入狭小的管状构件内部，且不会对待测管状构件造成损伤，为管状构件内部形状信息的获取提供了高效率解决方案。获取提供了高效率解决方案。获取提供了高效率解决方案。