CN109916333A - 一种基于agv的大尺寸目标高精度三维重建***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***及方法，包括：数据采集模块、误差补偿模块、数据拼接模块；数据采集模块用于测量被测工件表面三维数据，包括线结构光传感器、AGV平台、机械臂，具有较好的灵活性和较大的延展性，可有效扩大测量视场；误差补偿模块包括激光跟踪仪和活动靶标，激光跟踪仪在世界坐标系中相对于被测工件位置固定，活动靶标安装在线结构光传感器侧面；通过活动靶标，实时追踪线结构光传感器的位姿，保证测量精度，实现了对大尺寸复杂物体表面进行高精度、高效率的三维重建。数据拼接模块用于为三维扫描测量数据拼接，将各时刻下线结构光传感器对应的局部坐标系，统一到同一坐标系，得到物体表面完整的三维数据。

Description

一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***及方法

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，具体而言，尤其涉及基于一种AGV的大尺寸目标高精度三维重建***及方法。

背景技术

随着中国高铁行业以及大飞机产业的不断发展，大尺寸复杂表面目标三维重建技术成为了工业领域重要的研究方向之一，如何设计一种高精度、高效率、高灵活度的测量***一直是亟待解决的问题。现今技术受限于高铁车身或飞机机身等大型物体的尺寸过大，难以精准高效的进行表面三维重建，从而限制了表面自动化打磨、自动化喷涂等后续的自动化操作。目前较为成熟的测量装置分为接触式与非接触式。接触式测量精度较高，但测量效率低；小视场、高精度的非接触式测量技术较为成熟，但欠缺一种高精度、大视场的测量技术。针对上述需求，目前提出了一种基于轨道的三维重建测量方法。但是轨道式三维重建方法有以下不足：需要铺设轨道、占地面积较大、成本较高并且测量精度严重依赖于轨道的精度，所以急需一种灵活便捷的高精度、大范围测量方法。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***及方法。本发明***设计有AGV平台，可搭载机械臂，按照预定最佳轨迹对大型目标进行扫描测量；搭载机械臂的AGV平台，由于其具有较好的灵活性和较大的延展性，可有效扩大测量视场；激光跟踪仪，通过活动靶标，实时追踪线结构光传感器的位姿，便于对其进行及时的位姿误差补偿，以保证测量精度，实现了对大尺寸复杂物体表面进行高精度、高效率的三维重建。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，包括：数据采集模块、误差补偿模块、数据拼接模块；

所述数据采集模块为物体表面数据测量机构，包括线结构光传感器、AGV平台、机械臂；用于测量被测工件表面三维数据；

所述误差补偿模块为测量误差补偿机构，包括激光跟踪仪和活动靶标，所述激光跟踪仪在世界坐标系中相对于被测工件位置固定，所述活动靶标安装在线结构光传感器侧面；

所述数据拼接模块，用于为三维扫描测量数据进行拼接，将各时刻下线结构光传感器对应的局部坐标系，统一到同一坐标系，并消除相邻时刻线结构光传感器测量的重叠部分，得到物体表面完整的三维数据。

进一步地，所述线结构光传感器的实际测量路径由AGV平台的移动路径和机械臂的运动路径复合而成，所述激光跟踪仪与被测工件的相对位置固定。

进一步地，所述激光跟踪仪实时捕捉活动靶标的姿态，对线结构光传感器测得的点云数据进行相应的补偿。

进一步地，所述数据采集模块根据被测工件大小合理规划AGV平台的行驶路径，所述AGV平台搭载机械臂，所述线结构光传感器安装在机械臂的末端，通过机械臂的大范围移动和线结构光传感器的扫描，测量被测工件表面三维数据。

进一步地，所述线结构光传感器也可以为三维扫描仪。

本发明还提供了一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建方法，包括以下步骤：

步骤S1：在AGV平台搭载的机械臂上安装线结构光传感器，形成固定结构的物体表面数据测量机构，采集被测工件的点云数据；

步骤S2：将激光跟踪仪固定在世界坐标系中相对于被测工件位置，活动靶标安装在线结构光传感器侧面，形成测量误差补偿机构，激光跟踪仪实时捕捉活动靶标的姿态，以此为依据对步骤S1中采集到的点云数据进行相应的补偿，得到补偿后的点云数据；

步骤S3：将经步骤S2补偿处理后的点云数据送至数据拼接模块，数据拼接模块对点云数据进行统一化测量原点处理；

步骤S4：对步骤S3中经过统一化测量原点处理后的点云数据进行拼接处理，得到被测工件的表面点云拼接数据

步骤S5：对步骤S4中经过拼接完成后的表面点云拼接数据通过点云处理算法，将表面点云拼接数据中的体外孤点、重合点以及其他多余点去除，得到最终的被测工件表面三维数据。

进一步地，所述步骤S3中的对点云数据进行统一化测量原点处理过程为将不同时刻下，线结构光传感器对应的局部坐标***一到同一坐标系。

进一步的，所述步骤S4的拼接处理过程为将不同时刻下，获得的点云数据全部转换到激光跟踪仪所在的坐标系下，实现不同时刻下线结构光传感器采集的点云数据的拼接。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，搭载机械臂的AGV平台，由于其具有较好的灵活性和较大的延展性，可有效扩大测量视场；针对待测物体不同，合理规划AGV平台的路径以及机械臂的运动轨迹，就能够完整高效地对大型物体表面进行测量。

2、本发明提供的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，通过误差补偿模块中的激光跟踪仪和活动靶标，实时追踪线结构光传感器的位姿，便于对其进行及时的位姿误差补偿，以保证测量精度，实现了对大尺寸复杂物体表面进行高精度、高效率的三维重建。

3、本发明提供的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，通过数据拼接模块将线结构光传感器测量得到的不同时刻的点云数据进行对应拼接，得到表面点云拼接数据，同时消除拼接点云重叠部分，最终得到被测工件表面完整的三维重建数据。

基于上述理由本发明可在三维重建等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明***功能模块图。

图2为本发明***结构图。

图中：1、被测工件；2、活动靶标；3、线结构光传感器；4、AGV平台；5、机械臂；6、激光跟踪仪。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

如图1-2所示，本发明提供了一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，包括：数据采集模块、误差补偿模块、数据拼接模块；

数据采集模块为物体表面数据测量机构，包括线结构光传感器3、AGV平台4(仿形阵列式传感器安装架以及横向平移滑轨)、机械臂5；数据采集模块根据被测工件大小、表面走势，合理规划AGV平台4的行驶路径和机械臂5的工作路径，AGV平台4搭载机械臂5，线结构光传感器3安装在机械臂5的末端，线结构光传感器3的实际测量路径由AGV平台4的移动路径和机械臂5的运动路径复合而成，通过机械臂5的大范围移动和线结构光传感器3的扫描，测量被测工件表面三维数据。作为本发明优选的实施方式，线结构光传感器3也可以为三维扫描仪。

误差补偿模块为测量误差补偿机构，包括激光跟踪仪6和活动靶标2，激光跟踪仪6在世界坐标系中相对于被测工件1位置固定，活动靶标2安装在线结构光传感器3侧面；激光跟踪仪6实时捕捉活动靶标2的姿态，对线结构光传感器3测得的点云数据进行相应的补偿。误差补偿模块可有效补偿整个测量***因机构振动所产生的测量误差，同时解决了当物体长度较长时，AGV平台4在长距离移动下产生路径偏差的问题。当线结构光传感器3随着机械臂5和AGV平台4运动的过程中，激光跟踪仪6实时追踪安装在线结构光传感器3侧面的活动靶标2，及时掌握线结构光传感器3的位姿，并进行相应的补偿；

数据拼接模块为三维扫描测量数据拼接，需要线结构光传感器3在对应的时间间隔里，对整个大尺寸复杂的被测工件1表面进行三维扫描测量，完成对大型目标指定区域的测量。为了保证最终点云数据的准确性和完整性，相邻时间间隔的测量区域需要有一定的重合，且需要将各个时刻测得的点云数据原点统一到指定坐标系下，以便于下一步点云数据的拼接。待点云数据拼接完成后，通过点云处理算法，将点云数据中的体外孤点以及重合点等其他多余点去除，最终得到被测工件1表面三维数据。

本发明还提供了一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建方法，包括以下步骤：

步骤S1：在AGV平台4搭载的机械臂5上安装线结构光传感器3，形成固定结构的物体表面数据测量机构，采集被测工件1的点云数据；

步骤S2：将激光跟踪仪6固定在世界坐标系中相对于被测工件1位置，活动靶标2安装在线结构光传感器3侧面，形成测量误差补偿机构，激光跟踪仪6实时捕捉活动靶标2的姿态，以此为依据对步骤S1中采集到的点云数据进行相应的补偿，得到补偿后的点云数据；

步骤S3：将经步骤S2补偿处理后的点云数据送至数据拼接模块，数据拼接模块对点云数据进行统一化测量原点处理；将不同时刻下，线结构光传感器对应的局部坐标***一到同一坐标系。

步骤S4：对步骤S3中经过统一化测量原点处理后的点云数据进行拼接处理，得到被测工件1的表面点云拼接数据；将不同时刻下，获得的点云数据全部转换到激光跟踪仪所在的坐标系下，实现不同时刻下线结构光传感器采集的点云数据的拼接。

步骤S5：对步骤S4中经过拼接完成后的表面点云拼接数据通过点云处理算法，将表面点云拼接数据中的体外孤点、重合点以及其他多余点去除，得到最终的被测工件表面三维数据。

本发明提供的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***及方法，其数据采集模块通过AGV平台4和机械臂5的协同配合，能够灵活的进行大面积测量，从而高效的完成测量工作；误差补偿模块以激光跟踪仪6为主，通过安装于线结构光传感器3侧面的活动靶标2实时监测线结构光传感器3的位姿并进行误差补偿；数据拼接模块可将各个时刻线结构光传感器3测量得到的点云数据完整地进行拼接处理，得到表面点云拼接数据，同时消除拼接点云重叠部分，最终得到物体表面完整的三维重建数据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，其特征在于，包括：数据采集模块、误差补偿模块、数据拼接模块；

所述数据采集模块为物体表面数据测量机构，包括线结构光传感器、AGV平台、机械臂；用于测量被测工件表面三维数据；

所述误差补偿模块为测量误差补偿机构，包括激光跟踪仪和活动靶标，所述激光跟踪仪在世界坐标系中相对于被测工件位置固定，所述活动靶标安装在线结构光传感器侧面；

所述数据拼接模块，用于为三维扫描测量数据进行拼接，将各时刻下线结构光传感器对应的局部坐标系，统一到同一坐标系，并消除相邻时刻线结构光传感器测量的重叠部分，得到物体表面完整的三维数据。

2.根据权利要求1所述的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，其特征在于，所述线结构光传感器的实际测量路径由AGV平台的移动路径和机械臂的运动路径复合而成，所述激光跟踪仪与被测工件的相对位置固定。

3.根据权利要求1或2所述的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，其特征在于，所述激光跟踪仪实时捕捉活动靶标的姿态，对线结构光传感器测得的点云数据进行相应的补偿。

4.根据权利要求1所述的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，其特征在于，所述数据采集模块根据被测工件大小合理规划AGV平台的行驶路径，所述AGV平台搭载机械臂，所述线结构光传感器安装在机械臂的末端，通过机械臂的大范围移动和线结构光传感器的扫描，测量被测工件表面三维数据。

5.根据权利要求1所述的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建***，其特征在于，所述线结构光传感器也可以为三维扫描仪。

6.一种基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在AGV平台搭载的机械臂上安装线结构光传感器，形成固定结构的物体表面数据测量机构，采集被测工件的点云数据；

步骤S2：将激光跟踪仪固定在世界坐标系中相对于被测工件位置，活动靶标安装在线结构光传感器侧面，形成测量误差补偿机构，激光跟踪仪实时捕捉活动靶标的姿态，以此为依据对步骤S1中采集到的点云数据进行相应的补偿，得到补偿后的点云数据；

步骤S3：将经步骤S2补偿处理后的点云数据送至数据拼接模块，数据拼接模块对点云数据进行统一化测量原点处理；

步骤S4：对步骤S3中经过统一化测量原点处理后的点云数据进行拼接处理，得到被测工件的表面点云拼接数据；

步骤S5：对步骤S4中经过拼接完成后的表面点云拼接数据通过点云处理算法，将表面点云拼接数据中的体外孤点、重合点以及其他多余点去除，得到最终的被测工件表面三维数据。

7.根据权利要求6所述的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建方法，其特征在于，所述步骤S3中的对点云数据进行统一化测量原点处理过程为将不同时刻下，线结构光传感器对应的局部坐标***一到同一坐标系。

8.根据权利要求6所述的基于AGV的大尺寸目标高精度三维重建方法，其特征在于，所述步骤S4的拼接处理过程为将不同时刻下，获得的点云数据全部转换到激光跟踪仪所在的坐标系下，实现不同时刻下线结构光传感器采集的点云数据的拼接。