一种适用于复杂层间模块的整体匹配对接方法

技术领域

本发明涉及钢结构模块整体拼接方法，属于机械工程技术领域，尤其涉及一种适用于复杂层间模块的整体匹配对接方法。

背景技术

大型钢结构平台搭建正趋于模块化发展，相较于整体式一体化建造，模块化建造方式可以充分利用场地优势进行各模块部分建造，整体工程周期大幅度缩减，效率提高。但模块拼接的最大问题就是由于各模块实际制造差异造成拼接后的立柱重心点偏移误差，造成搭建后的平台稳定性较差。所以基于实际模块的最佳搭建方式，从而保证整体对接误差最小，是控制搭建式整体平台稳定性的一大关键。

申请号为201910538168.0中国专利公开了发明名称为“一种基于点云数据分析的建筑检测方法及装置”的发明专利，该专利采用建立基准点云库、获取扫描点云、建立本地坐标系、识别点云目标、采用最小二乘法拟合各识别面、计算角度差的流程进行平面与关键点的建筑检测。该方法更适用于单一建筑结构的检测，对于包含有多个待拼接结构的层间模块，采用最小二乘法等方式的计算量会十分庞大。对于建筑中整体式拼接，目前更多使用于借助工具或特殊方法进行实地测量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种适用于复杂层间模块的整体匹配对接方法。

本发明的一种适用于复杂层间模块的整体匹配对接方法，包括以下步骤：

步骤一、处理两个层间模块的图像，具体步骤为：

第一步，采用点云相机拍摄两个待对接整体钢结构模块图像，其中一个钢结构模块为底层模块，位置固定，记作固定底层模块，另一个层间模块可移动，记作可移动层间模块，所述的固定底层模块与可移动层间模块上部分为一长方体平台结构，下侧分别垂直焊接有n个立柱。所述的可移动层间模块需调节位置使得可移动层间模块的立柱底层端面与固定底层模块上层平台平面达到两层各对接结构重心偏移量整体最小设置。

第二步，将固定底层模块和可移动层间模块的点云图像分别导入计算机并采用PCL点云库进行文件格式转换与降噪处理得到两个层间模块的点云数据；

第三步，在Matlab图像处理模块里建立O-XYZ三维空间坐标系，建立准则为原点O为固定底层模块平台平面中心，XOY平面平行于固定底层模块的平面平台结构目标对接端面，Z轴垂直于XOY平面；

第四步，将可移动层间模块在Matlab图像处理模块里进行三维变换，使可移动层间模块的立柱待对接端面与固定底层模块的目标对接端面重合，并记录此时可移动层间模块在O-XYZ三维空间坐标系的初始位置；

步骤二、在Matlab图像处理模块里对两层间模块的各立柱点云分别进行点云段的截取(截取长度约为对接立柱高度的十分之一并包含立柱下端面)，由固定底层模块中截取的所有立柱段点云集合记作固定模块点集，由可移动层间模块中截取的所有立柱段点云的集合记作可移动模块点集；

步骤三、依次对固定模块点集与可移动模块点集进行各立柱进行重心点的提取并进行二维投影，分别记为固定模块重心点集与可移动模块重心点集：

第一步，对固定模块点集与可移动模块点集中的所有立柱点云段进行区域生长的聚类分割，提取出各立柱的待对接端面点云；

第二步，计算所有立柱待对接端面在XOY平面的投影重心点；

第三步，将固定模块点集中n个立柱对接端面计算出的重心点集记为固定模块重心点集，将可移动模块点集中n个立柱待对接端面计算出的重心点集记为可移动模块重心点集；

步骤四、使用ICP配准算法计算层间立柱模块整体变换矩阵：

第一步，将固定模块重心点集与可移动模块重心点集的每个二维投影重心点去重心化并表示为矩阵；

第二步，求解变换过程中的最优旋转矩阵；

第三步，求解变换过程中的最优平移矩阵矩阵；

步骤四、进行实地吊装，首先将可移动层间模块吊装至步骤一初始位置，再依据步骤三计算所得变换矩阵进行实地吊装即可保证吊装后整体匹配最优，各待对接结构的总体重心误差最小。

本发明适用于复杂层间模块的整体匹配对接，此方法通用性强、精度较高，可以通过选取待对接结构端面的点云点集，从而计算出各对接端面的重心点进行最优变换矩阵的计算。

具体实施方式

下面对本发明的一种适用于复杂层间模块的整体匹配对接方法技术方案做进一步详细说明，包括以下步骤：

本发明的一种适用于复杂层间模块的整体匹配对接方法，包括以下步骤：

步骤一、处理两个层间模块的图像，具体步骤为：

第一步，采用点云相机拍摄两个待对接整体钢结构模块图像，其中一个钢结构模块为底层模块，位置固定，记作固定底层模块，另一个层间模块可移动，记作可移动层间模块，所述的固定底层模块与可移动层间模块上部分为一长方体平台结构，下侧分别垂直焊接有n个立柱。所述的可移动层间模块需调节位置使得可移动层间模块的立柱底层端面与固定底层模块上层平台平面达到两层各对接结构重心偏移量整体最小设置。

第二步，将固定底层模块和可移动层间模块的点云图像分别导入计算机并采用PCL点云库进行文件格式转换与降噪处理得到两个层间模块的点云数据；

第三步，在Matlab图像处理模块里建立O-XYZ三维空间坐标系，建立准则为原点O为固定底层模块平台平面中心，XOY平面平行于固定底层模块的平面平台结构目标对接端面，Z轴垂直于XOY平面；

第四步，将可移动层间模块在Matlab图像处理模块里进行三维移动，使可移动层间模块的立柱待对接端面与固定底层模块的目标对接端面重合，并记录此时可移动层间模块在O-XYZ三维空间坐标系的初始位置；

步骤二、在Matlab图像处理模块里对两层间模块的各立柱点云分别进行点云段的截取(截取长度约为对接立柱高度的十分之一并包含立柱下端面)，由固定底层模块中截取的所有立柱段点云的集合记作固定模块点集，由可移动层间模块中截取的所有立柱段点云的集合记作可移动模块点集；

步骤三、依次对固定模块点集与可移动模块点集进行各立柱进行重心点的提取并进行二维投影，分别记为固定模块重心点集M

第一步，对固定模块点集与可移动模块点集中的所有立柱点云段进行区域生长的聚类分割，提取出各立柱的下端面点云；

第二步，计算所有立柱待对接端面在XOY平面的投影重心点，记作(x

式中，x

第三步，将固定模块点集中n个立柱对接端面计算出的重心点集记为固定模块重心点集M

步骤四、使用ICP配准算法计算层间立柱模块整体变换矩阵，其中平移矩阵为T，旋转矩阵为R，最优变换矩阵满足下式：

其中f(R,T)为变换后可移动模块重心点集与固定模块重心点集的平方误差函数，变换矩阵具体计算推导过程如下：

第一步，将点集M

M'＝[M′

N'＝[N′

式中M′

第二步，求解变换过程中的最优旋转矩阵R，令

Q＝N'

并对矩阵Q进行奇异值分解如下：

Q＝U∑V

式中U为矩阵Q奇异值分解后的左特征向量，∑为分解后的特征值对角矩阵，V为分解后的右特征向量，依据基于正交Procrustes分析的直接解法可得从N'至M'的旋转矩阵为

R＝VU

第三步，求解变换过程中的最优平移矩阵矩阵T，计算过程如下：

步骤四、进行实地吊装，首先将可移动层间模块吊装至步骤一初始位置，再依据步骤三计算所得变换矩阵进行实地吊装即可保证吊装后整体匹配最优，各待对接结构的总体重心误差最小。

本发明方法适应性强，计算速度快、精度高。