CN113554614A - 一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，可解决应用于管道内表面测量***整环点云拼接的问题。通过高精度加工的固定内径的标定筒，旋转测量生成不同位姿点云；建立标定坐标转换模型，并通过所述坐标转换模型将管道测量***在不同位姿获取的点云变换至同一坐标系，完成管道内壁整环的点云拼接；同时结合优化算法建立误差补偿模型，实现不同位姿点云的精确拼接；该方法实现的点云拼接不通过特征点进行拼接，能够优化管道点云拼接精度，降低误差，并且该模型简洁明了，易于操作。
Description
技术领域
本发明属于光学管道检测技术，具体的说，涉及一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法。
背景技术
在进行管道内表面研究中，由于其内部结构限制，传统的测量方法精度较差，只能获取管道内部的个别参数，无法完成其内表面三维重构，光学检测技术因其精度高，测量速度快，自动化及无损检测的优点在管道内表面检测过程中得到广泛应用。光学检测技术能够直接获取管道内表面的点云特征，但在管道内表面检测时无法获取其内表面的全部周向三维信息，无法满足三维重建的需要。因此，如何对管道测量***不同位姿下的测量点云进行拼接，是实现管道内表面三维重建的重要研究方向。
在传统的点云拼接算法中，以Besl在1992年提出的最近点迭代法(ICP)应用最为广泛，但是该种算法在进行拼接时需要运用粗匹配获取初值进行迭代运算。在粗匹配算法中，往往通过标志点法，特征点法，转台位姿法进行初步求解，但是管道内表面的空间限制难以在被测内表面上粘贴标志点，也无法对转台位姿加以标定，尤其在内径为定值的光滑管道内表面中，不同位姿的图像获取的点云差异不大，更无法提取足够的特征点供ICP算法进行点云拼接。
发明内容
本发明提供一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，在没有足够的点云配准的特征点对的情况下，使管道内表面测量***仅通过***的旋转角度便能完成整个管道内表面的高精度点云拼接。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，包括如下步骤：
S1、建立管道测量***的坐标转换数学模型；
S2、使用管道测量***以预先设定角度步长测量整环固定内径圆筒，生成不同角度的相机坐标系管道内表面点云；
S3、通过圆柱拟合将相机坐标系下点云变换到点云圆柱坐标系中；
S4、求取不同角度下的点云在全局圆柱坐标系中的表示，并建立圆柱坐标系的误差补偿模型；
S5、求取点云在相机坐标系和全局坐标系之间的转换矩阵，通过优化算法迭代求取相应的误差参数，完成标定。
进一步的，所述坐标转换数学模型包括相机坐标系、点云旋转坐标系，全局旋转坐标系、点云圆柱坐标系及全局圆柱坐标系；所述坐标转换数学模型为：
其中，(xCCF,yCCF,zCCF)为不同角度测量点云在相机坐标系中的坐标值，(xCyCF,yCyCF,zCyCF)为点云在全局圆柱坐标系中的坐标值，r11,r12,…,r19为旋转坐标系与全局圆柱坐标系的位置转换矩阵系数，r21,r22,…,r29为相机坐标系坐标系与点云旋转坐标系的位置转换矩阵系数。
进一步的，所述相机坐标系的建立，相机坐标系为CCF，坐标原点在镜头中心，z轴为相机光轴，固定在相机上。
进一步的，所述点云旋转坐标系的建立，点云旋转坐标系为RCFi，原点建立在旋转轴上某个定点，在旋转测量过程中与CCF拥有固定的位置关系，其z轴与旋转轴重合，空间位置随***测量姿态旋转变化，i为不同测量位置的点云旋转坐标系。
进一步的，所述全局旋转坐标系的建立，全局旋转坐标系为RCF，原点建立在RCFi原点上，z轴与旋转轴重合，与RCFi存在固定的旋转关系，在旋转测量过程中空间位置固定改变。
进一步的，所述全局圆柱坐标系的建立，全局圆柱坐标系为CyCF，原点建立在深孔类零件内表面中心轴线上一定点，其z轴与身管中心轴线重合，在旋转测量过程中空间位置固定不变。
进一步的，所述相机坐标系建立在相机相平面上，点云旋转坐标系建立在旋转轴上，相机坐标系与点云旋转坐标系有固定的位置变换关系，全局旋转坐标系建立在坐标轴上，在***旋转时位姿相对于测量零件不变，点云圆柱坐标系为不同测量点云通过圆柱拟合建立的圆柱坐标系，全局圆柱坐标系建立在测量零件轴线上，在整环测量时也不发生变化，全局旋转坐标系与全局圆柱坐标系有着固定位置变换关系。
进一步的，于步骤S5中建立的误差补偿模型，该误差补偿模型为：
(xCyCF,yCyCF,zCyCF)为点云在全局圆柱坐标系中的坐标值，(xCyCFi,yCyCFi,zCyCFi)为不同角度测量得到的点云在点云圆柱坐标系中的坐标，θ为标定过程中转角仪测定的旋转角度，α(θ)＝θ+A1 sin(θ+φ1)，Δz(θ)＝A2sin(θ+φ2)，其中A1，A2，φ1，φ2为正弦函数的幅值和相位。
进一步的，所述步骤S5中通过误差补偿模型求取坐标转换参数公式为：
ti(θ)＝aisin(θ)+bicos(θ)+ci，其中i＝1,2,…,12为从CCF到CyCF的旋转平移矩阵，通过不断调整A1，A2，φ1，φ2求取不同的转换参数，根据全局转换参数并求解，将其累积最小二乘误差作为损失函数进行参数最优化。
进一步的，所述步骤S2中管道测量***以固定步长旋转采集固定内径圆筒整周的点云信息。
本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明首先用于姿态标定的内部没有特征点的管道最容易加工，没有多余的处理步骤；其次，建立的旋转平移模型仅使用测量***的旋转角度便能够实现管道内表面的高精度拼接，不需要对采集的点云数据进行特征提取；最后，本发明的旋转平移模型适用于大部分管道内表面测量点云的拼接，能够提高管道内表面检测的精度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例的标定管道测量***位姿实现点云高精度拼接的方法步骤图；
图2为本发明实施例管道测量***坐标转换的数学模型；
图3为本发明实施例管道测量***所测点云；
图4为本发明实施例点云拼接结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、建立管道测量***的坐标转换数学模型；
S2、使用管道测量***以预先设定角度步长测量整环固定内径圆筒，生成不同角度的相机坐标系管道内表面点云；
S3、通过圆柱拟合将相机坐标系下点云变换到点云圆柱坐标系中；
S4、求取不同角度下的点云在全局圆柱坐标系中的表示，即求解点云从相机坐标系到统一坐标系中的坐标转换矩阵，并据此标定与***设计装配相关的参数，建立圆柱坐标系的误差补偿模型；
S5、求取点云在相机坐标系和全局坐标系之间的转换矩阵，通过优化算法迭代求取相应的误差参数，完成标定。
具体的，根据应用场景加工固定半径的光滑圆筒，要求圆筒中有着固定半径的内表面且成像清晰。使用管道内壁测量装置以固定步长Δθ采集光滑圆筒的整周图像，求取每个角度对应的测量点云；利用每个测量角度对应的点云拟合圆柱方程并进行坐标变换，求取点云在
的坐标表示；建立
到
的误差补偿模型，初始值设幅值和相位均为
并求取与
的旋转平移矩阵的
系数，对多个角度的旋转平移矩阵进行求解；将
系数求解的累积最小二乘误差作为损失函数，不断求取最小值时的
并求取
系数作为点云拼接的标定位姿结果。
如图3所示，上述步骤S2中获取的点云模型为描述管道内表面三维特征的坐标点，由于测量***视场的限制，一次测量并不能获取管道内表面的全部三维信息，通过坐标变换将不同角度采集的点云数据转换到一个坐标系中，才能完成管道内表面测量数据的点云拼接。
如图4所示，上述步骤S5中实现不同角度获取点云拼接的结果。通过本发明所述的位姿标定结果，获取了不同角度下的坐标转换关系，最终将处于不同角度获取的管道内表面点云数据经过坐标变换转换到同一坐标系中。
本发明的优势在于：本发明首先用于姿态标定的内部没有特征点的管道最容易加工，没有多余的处理步骤；其次，建立的旋转平移模型仅使用测量***的旋转角度便能够实现管道内表面的高精度拼接，不需要对采集的点云数据进行特征提取；最后，本发明的旋转平移模型适用于大部分管道内表面测量点云的拼接，能够提高管道内表面检测的精度。
作为本发明一个优选的实施例，如图2所示，所述坐标转换数学模型包括相机坐标系、点云旋转坐标系，全局旋转坐标系、点云圆柱坐标系及全局圆柱坐标系。检测***旋转轴与被测管道内表面中线轴线为处在一般位置的空间直线，相机坐标系(CCF)建立在相机相平面上，点云旋转坐标系(RCFi)建立在旋转轴上，CCF与RCFi有固定的位置变换关系，全局旋转坐标系(RCF)建立在坐标轴上，在***旋转时相对于测量零件不变，点云圆柱坐标系(CyCFi)为不同测量点云通过圆柱拟合建立的圆柱坐标系，全局圆柱坐标系(CyCF)建立在测量零件轴线上，在***测量时也不发生变化，RCF与CyCF有着固定位置变换关系。
具体的，o-xCCFyCCFzCCF：相机坐标系(CCF)，坐标原点在镜头中心，z轴为相机光轴，固定在相机上。
o-xRCFiyRCFizRCFi：点云旋转坐标系(RCFi)，原点建立在旋转轴上某个定点，在旋转测量过程中与CCF拥有固定的位置关系，其z轴与旋转轴重合，空间位置随***测量姿态旋转变化，i为不同测量位置的点云旋转坐标系。
o-xRCFyRCFzRCF：全局旋转坐标系(RCF)，原点建立在RCFi原点上，z轴与旋转轴重合，与RCFi存在固定的旋转关系，在旋转测量过程中空间位置固定改变。
o-xCyCFyCyCFzCyCF：全局圆柱坐标系(CyCF)，原点建立在深孔类零件内表面中心轴线上一定点，其z轴与身管中心轴线重合，在旋转测量过程中空间位置固定不变。
上述的坐标转换数学模型为：
其中，(xCCF,yCCF,zCCF)为不同角度测量点云在相机坐标系中的坐标值，(xCyCF,yCyCF,zCyCF)为点云在全局圆柱坐标系中的坐标值，r11,r12,…,r19为旋转坐标系与全局圆柱坐标系的位置转换矩阵系数，r21,r22,…,r29为相机坐标系坐标系与点云旋转坐标系的位置转换矩阵系数。
作为本发明一个优选的实施例，步骤S5中建立的误差补偿模型，该误差补偿模型为：
(xCyCF,yCyCF,zCyCF)为点云在全局圆柱坐标系中的坐标值，(xCyCFi,yCyCFi,zCyCFi)为不同角度测量得到的点云在点云圆柱坐标系中的坐标，θ为标定过程中转角仪测定的旋转角度，α(θ)＝θ+A1 sin(θ+φ1)，Δz(θ)＝A2sin(θ+φ2)，其中A1，A2，φ1，φ2为正弦函数的幅值和相位。所述步骤S5中通过误差补偿模型求取坐标转换参数公式为：
ti(θ)＝aisin(θ)+bicos(θ)+ci，其中i＝1,2,…,12为从CCF到CyCF的旋转平移矩阵，通过不断调整A1，A2，φ1，φ2求取不同的转换参数，根据全局转换参数并求解，将其累积最小二乘误差作为损失函数进行参数最优化。
作为本发明一个优选的实施例，上述步骤S2中管道测量***以固定步长旋转采集固定内径圆筒整周的点云信息。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立管道测量***的坐标转换数学模型；
S2、使用管道测量***以预先设定角度步长测量整环固定内径圆筒，生成不同角度的相机坐标系管道内表面点云；
S3、通过圆柱拟合将相机坐标系下点云变换到点云圆柱坐标系中；
S4、求取不同角度下的点云在全局圆柱坐标系中的表示，并建立圆柱坐标系的误差补偿模型；
S5、求取点云在相机坐标系和全局坐标系之间的转换矩阵，通过优化算法迭代求取相应的误差参数，完成标定。
2.根据权利要求1所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述坐标转换数学模型包括相机坐标系、点云旋转坐标系，全局旋转坐标系、点云圆柱坐标系及全局圆柱坐标系；所述坐标转换数学模型为：
其中，(xCCF,yCCF,zCCF)为不同角度测量点云在相机坐标系中的坐标值，(xCyCF,yCyCF,zCyCF)为点云在全局圆柱坐标系中的坐标值，r11,r12,…,r19为旋转坐标系与全局圆柱坐标系的位置转换矩阵系数，r21,r22,…,r29为相机坐标系坐标系与点云旋转坐标系的位置转换矩阵系数。
3.根据权利要求2所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述相机坐标系的建立，相机坐标系为CCF，坐标原点在镜头中心，z轴为相机光轴，固定在相机上。
4.根据权利要求3所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述点云旋转坐标系的建立，点云旋转坐标系为RCFi，原点建立在旋转轴上某个定点，在旋转测量过程中与CCF拥有固定的位置关系，其z轴与旋转轴重合，空间位置随***测量姿态旋转变化，i为不同测量位置的点云旋转坐标系。
5.根据权利要求4所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述全局旋转坐标系的建立，全局旋转坐标系为RCF，原点建立在RCFi原点上，z轴与旋转轴重合，与RCFi存在固定的旋转关系，在旋转测量过程中空间位置固定改变。
6.根据权利要求2所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述全局圆柱坐标系的建立，全局圆柱坐标系为CyCF，原点建立在深孔类零件内表面中心轴线上一定点，其z轴与身管中心轴线重合，在旋转测量过程中空间位置固定不变。
7.根据权利要求2所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述相机坐标系建立在相机相平面上，点云旋转坐标系建立在旋转轴上，相机坐标系与点云旋转坐标系有固定的位置变换关系，全局旋转坐标系建立在坐标轴上，在***旋转时位姿相对于测量零件不变，点云圆柱坐标系为不同测量点云通过圆柱拟合建立的圆柱坐标系，全局圆柱坐标系建立在测量零件轴线上，在整环测量时也不发生变化，全局旋转坐标系与全局圆柱坐标系有着固定位置变换关系。
8.根据权利要求2所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：于步骤S5中建立的误差补偿模型，该误差补偿模型为：
(xCyCF,yCyCF,zCyCF)为点云在全局圆柱坐标系中的坐标值，(xCyCFi,yCyCFi,zCyCFi)为不同角度测量得到的点云在点云圆柱坐标系中的坐标，θ为标定过程中转角仪测定的旋转角度，α(θ)＝θ+A1sin(θ+φ1)，Δz(θ)＝A2sin(θ+φ2)，其中A1，A2，φ1，φ2为正弦函数的幅值和相位。
9.根据权利要求8所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述步骤S5中通过误差补偿模型求取坐标转换参数公式为：
ti(θ)＝aisin(θ)+bicos(θ)+ci，其中i＝1,2,…,12为从CCF到CyCF的旋转平移矩阵，通过不断调整A1，A2，φ1，φ2求取不同的转换参数，根据全局转换参数并求解，将其累积最小二乘误差作为损失函数进行参数最优化。
10.根据权利要求1所述的一种用于点云拼接的管道测量***位姿标定方法，其特征在于：所述步骤S2中管道测量***以固定步长旋转采集固定内径圆筒整周的点云信息。
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