[发明专利]一种用于点云拼接的管道测量系统位姿标定方法

说明书

本发明公开了一种用于点云拼接的管道测量系统位姿标定方法，可解决应用于管道内表面测量系统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系统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。

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系统位姿标定方法。

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，如何对管道测量系统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系统位姿标定方法，在没有足够的点云配准的特征点对的情况下，使管道内表面测量系统仅通过系统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系统位姿标定方法，包括如下步骤：

S1、建立管道测量系统的坐标转换数学模型；

S2、使用管道测量系统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RCF_i，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，空间位置随系统测量姿态旋转变化，i为不同测量位置的点云旋转坐标系。