一种用于筒状结构件内部三维重建的系统及方法

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，特别涉及一种用于筒状结构件内部三维重建的系统及其方法。

背景技术

三维重建是对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。常见的三维重建方式是利用相机或激光雷达获取对象的深度信息，建立对象点云。

筒状结构是工业生产及工程中一种常见的结构形式，如管道、隧道、航天舱以及列车车厢等。无论是管道内部的缺陷检测、隧道的变形监测，还是航天舱内仪器的高精度装配，都需要获取筒状结构件内部三维模型。但由于筒状普遍存在纵深长开口小的结构件特点，其内部点云难以获取。因此亟需开发一种适用筒状结构件内部三维重建的系统及方法。

发明内容

本发明提供一种用于筒状结构件内部三维重建的系统及方法，以用于解决现有的三维重建方法无法满足筒状结构件内部三维重建需求的技术问题。

本发明一方面实施例提出了一种用于筒状结构件内部三维重建的系统，包括：

两侧支撑座、两轴平台和二维激光雷达，其中，

所述两侧支撑座分别设置在待重建筒状结构件的轴向两侧；

所述两轴平台包括直线平台和旋转平台，其中，所述直线平台的导轨两侧分别固定在所述两侧支撑座上，所述旋转平台固定所述直线平台上，随所述直线平台沿所述待重建筒状结构件的轴向运动；

所述二维激光雷达固定在所述旋转平台上，以绕所述待重建筒状结构件的轴线做轴线旋转运动或沿所述待重建筒状结构件的轴向移动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：电机、直线导轨、丝杠螺母、轴承、轴承座和齿轮组，

所述电机安装在所述直线平台的上方；

所述直线导轨设置在所述直线平台的下方；

所述丝杠螺母固定在所述直线平台的底部，一端通过联轴器与所述电机的输出轴相连，另一端固定在所述轴承座上；

所述齿轮组包括内齿轮和外齿轮，所述内齿轮通过联轴器与所述电机的输出轴相连，所述外齿轮固定在所述轴承的外圈上，所述轴承的内圈与所述直线平台固连。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述直线平台选择所述丝杠螺母传动，所述电机带动所述丝杠螺母移动，所述丝杠螺母带动所述直线平台在所述直线导轨上沿所述待重建筒状结构件的轴向移动，其中，所述直线导轨上分布滑块，以限制所述直线平台沿其直线导轨运动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述旋转平台选择齿轮传动，所述旋转平台固定在所述轴承的外圈上，所述轴承的外圈与所述内齿轮连接，所述电机与所述外齿轮连接，两齿轮相互啮合，以带动所述轴承的外圈及所述旋转平台绕所述待重建筒状结构件的轴线旋转。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述直线平台的导轨长度比所述待重建筒状结构件长，通过调整所述两侧支撑座的高度和位置使导轨在所述待重建筒状结构件的中轴线处。

本发明另一方面实施例提出了一种用于筒状结构件内部三维重建的方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据所述二维激光雷达的扫描范围和所述待重建筒状结构件的半径计算单个扫描区长度，并根据所述单个扫描区长度将所述待重建筒状结构件划分为若干个扫描区，并确定每个扫描区对应所述二维激光雷达的驻足点位置；

步骤S2，依次控制所述二维激光雷达移动到每个驻足点位置处进行扫描，获取多个点云数据，并记录所述二维激光雷达的实际位置；

步骤S3，将所述多个点云数据从驻足点坐标系转换至全局坐标系中，并合并所有转换后的点云数据，得到的初始筒状结构件内部点云；

步骤S4，对所述初始筒状结构件内部点云进行滤波、下采样和泊松重建处理，得到最终筒状结构件内部点云。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S1中单个扫描区长度的计算公式为：

L＝2R·tan(θ/2)

其中，L为扫描区长度，R为待重建筒状结构件的半径，θ为二维激光雷达的扫描范围。

进一步地，在本发明的一个实施例中，相邻扫描区必须有充足的重叠部分。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中在获得多个点云数据后，需要根据所述二维激光雷达对应旋转角度进行校正，所述校正的方法为根据所述二维激光雷达的旋转角度以及旋转半径计算转换矩阵，利用所述转换矩阵将点云坐标转换到所述驻足点坐标系中。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过所述电机控制所述二维激光雷达沿所述待重建筒状结构件的中轴线移动，依次到达各驻足点，读取所述电机的编码器数据换算得出所述二维激光雷达的实际位置。

本发明的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：

(1)采用直线导轨贯穿筒状结构件的方式，有效解决了由于筒状结构件纵深长开口小带来的内部点云难以采集的问题；

(2)直线平台和旋转平台配备携带高精度编码器的电机，能够准确获取各扫描区点云与全局坐标系的转换矩阵，采用转换矩阵拼接多个点云的方式比使用特征匹配的方式效率更高、失误率更低；

(3)无需在测量现场放置靶球和靶标实现筒状结构件内部点云自动拼接，降低了数据采集的工作量，为无人化数据采集提供了关键的技术支持。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的用于筒状结构件内部三维重建的系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的二维平台结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的用于筒状结构件内部三维重建的方法的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的扫描区划分示意图。

附图标记说明：

100-用于筒状结构件内部三维重建的系统、1和5-两侧支撑座、2-两轴平台、2-1-直线平台、2-2-旋转平台、2-3-电机、2-4-直线导轨、2-5-丝杠螺母、2-6-齿轮组、2-6-1-内齿轮、2-6-2-外齿轮、2-7-轴承的内圈、2-8-轴承的外圈、2-9-滚珠丝杠、2-10-滑块、3-二维激光雷达、4-待重建筒状结构件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种用于筒状结构件内部三维重建的系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种用于筒状结构件内部三维重建的系统。

图1是本发明一个实施例的用于筒状结构件内部三维重建的系统的结构示意图。

如图2所示，该系统100包括：两侧支撑座1和5、两轴平台2和二维激光雷达3。

其中，两侧支撑座1和5分别设置在待重建筒状结构件4的轴向两侧。两轴平台2包括直线平台2-1和旋转平台2-2，其中，直线平台2-1的导轨两侧分别固定在两侧支撑座1和5上，旋转平台2-2固定直线平台2-1上，随直线平台2-1沿待重建筒状结构件4的轴向运动。二维激光雷达3为单线束扫描方式，视场角为90°，其固定在旋转平台2-2上，以绕待重建筒状结构件4的轴线做轴线旋转运动或沿待重建筒状结构件4的轴向移动。

进一步地，如图2所示，还包括：电机2-3、直线导轨2-4、丝杠螺母2-5、轴承、轴承座、齿轮组2-6和滚珠丝杠2-9，电机2-3为携带高精度编码器的电机，编码器精度需要高于±5″，其安装在直线平台2-1的上方，对直线平台2-1和旋转平台2-2进行驱动，直线导轨2-4设置在直线平台2-1的下方；丝杠螺母2-5固定在直线平台2-1的底部，一端通过联轴器与电机2-3的输出轴相连，另一端固定在轴承座上，丝杠螺母2-5上设有滚珠丝杠2-9，滚珠丝杠2-9与电机2-3连接；齿轮组2-6包括内齿轮2-6-1和外齿轮2-6-2，内齿轮2-6-1通过联轴器与电机2-3的输出轴相连，外齿轮2-5-6固定在轴承的外圈2-8上，齿轮组2-6将电机2-3的转动转换为轴承的外圈2-8转动，轴承的内圈2-7与直线平台2-1固连，轴承的内圈2-7带动直线平台2-1沿待重建筒状结构件4的轴向移动。

进一步地，直线平台2-1选择丝杠螺母传动，电机2-3带动丝杠螺母2-5移动，丝杠螺母2-5带动直线平台2-1在直线导轨2-1上沿待重建筒状结构件4的轴向移动，其中，直线导轨2-4上两侧均分布滑块2-10，以限制直线平台沿其直线导轨2-4运动。旋转平台2-2选择齿轮传动，旋转平台2-3固定在轴承的外圈2-8上，轴承的外圈2-8与内齿轮2-6-1连接，电机2-3与外齿轮2-6-2连接，两齿轮相互啮合，以带动轴承的外圈2-8及旋转平台绕2-2待重建筒状结构件4的轴线旋转。

进一步地，直线平台2-1的导轨长度比待重建筒状结构件4长，通过调整两侧支撑座1和5的高度和位置使导轨在待重建筒状结构件4的中轴线处。

本发明实例的具体工作原理为：

电机2-3运行时，其输出端通过联轴器带动内齿轮2-6-1转动，外齿轮2-6-2与内齿轮2-6-1相互啮合，一同带动轴承的外圈2-8转动，轴承的外圈2-8带动其上的旋转平台2-2，绕待重建筒状结构件4的轴线做轴线旋转运动；同时，电机一端通过联轴器与丝杠螺母2-5相连，电机2-3带动丝杠螺母2-5和滚珠丝杠2-9移动，丝杠螺母2-5和滚珠丝杠2-9通过轴承的内圈2-7带动直线平台2-1沿待重建筒状结构件4的轴向移动，另外，直线平台2-1两侧设置了两个滑块2-10，可以根据实际工况调整滑块位置，限制直线平台2-1的运动。

综上，根据本发明实施例提出的一种用于筒状结构件内部三维重建的系统，采用直线导轨贯穿筒状结构件的方式，有效解决了由于筒状结构件纵深长开口小带来的内部点云难以采集的问题；直线平台和旋转平台配备携带高精度编码器的电机，能够准确获取各扫描区点云与全局坐标系的转换矩阵，采用转换矩阵拼接多个点云的方式比使用特征匹配的方式效率更高、失误率更低；无需在测量现场放置靶球和靶标实现筒状结构件内部点云自动拼接，降低了数据采集的工作量，为无人化数据采集提供了关键的技术支持。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的一种用于筒状结构件内部三维重建的方法。

图3是本发明一个实施例的一种用于筒状结构件内部三维重建的方法的流程图。

如图3所示，该方法包括以下步骤：

在步骤S1中，根据二维激光雷达3的扫描范围和待重建筒状结构件4的半径计算单个扫描区长度，并根据单个扫描区长度将待重建筒状结构件4划分为若干个扫描区，并确定每个扫描区对应二维激光雷达3的驻足点位置。

其中，单个扫描区长度的计算公式为：

L＝2R·tan(θ/2)

式中，L为扫描区长度，R为待重建筒状结构件的半径，θ为二维激光雷达的扫描范围。

需要说明的是，本发明实施例中相邻扫描区必须有充足的重叠部分。

也就是说，如图4所示，根据二维激光雷达3的扫描范围θ和待重建筒状结构件4的半径R计算单个扫描区长度L，计算公式为L＝2R·tan(θ/2)。具体地，根据单个扫描区长度L和筒状结构件轴向长度D划分出n个扫描区；为保证相邻扫描区必须有充足的重叠部分，设定相邻扫描区重叠部分大于单个扫描区长度的15％，扫描区的个数n的计算公式为：

在步骤S2中，依次控制二维激光雷达3移动到每个驻足点位置处进行扫描，获取多个点云数据，并记录二维激光雷达3的实际位置。其中，通过二维激光雷达3绕待重建筒状结构件4的轴线旋转360°获取扫描区中的多个点云数据。

进一步地，步骤S2中在获得多个点云数据后，需要根据二维激光雷达3对应旋转角度进行校正，校正的方法为根据二维激光雷达3的旋转角度以及旋转半径计算转换矩阵，利用转换矩阵将点云坐标转换到驻足点坐标系中。

进一步地，通过电机2-3控制二维激光雷达3沿待重建筒状结构件4的中轴线移动，依次到达各驻足点，读取电机的编码器数据换算得出二维激光雷达3的实际位置。

具体地，根据步骤S1中驻足点位置，控制直线平台2-1携带二维激光雷3达依次达到各驻足点进行扫描，在各驻足点处，控制旋转平台2-2带动二维激光雷达3绕待重建筒状结构件4的轴向旋转360°获取扫描区的点云数据，同时读取旋转平台2-2驱动电机2-3的编码器数据，计算二维激光雷达3对应旋转角度，根据旋转角度以及旋转半径计算转换矩阵，利用转换矩阵将点云数据转换到驻足点坐标系中；在各驻足点的扫描结束后，读取直线平台2-1驱动电机的编码器数据，换算得到驻足点的实际位置。

在步骤S3中，将多个点云数据从驻足点坐标系转换至全局坐标系中，并合并所有转换后的点云数据，得到的初始筒状结构件内部点云。

进一步地，将各驻足点采集的点云转换到全局坐标系是利用转换矩阵完成坐标变换，转换矩阵由驻足点和全局坐标系的相对位置计算得出。

具体地，根据步骤S2得到各驻足点的实际位置，分别计算各驻足点坐标系O

在步骤S4中，对初始筒状结构件内部点云进行滤波、下采样和泊松重建处理，得到最终筒状结构件内部点云。

具体地，首先对步骤S3获取的初始筒状结构件内部点云进行滤波去除点云中噪声点与离群点；然后对点云进行下采样处理，压缩点云数据量；最后对点云进行泊松重建将存在着缺失、空洞、点云局部过于稀疏的扫描点云重建为密闭的三角网格模型，并从三角网格中提取出点云，得到筒状结构件内部的最终点云，从而完成了筒状结构件内部的三维重建，得到最终筒状结构件内部点云。

需要说明的是，前述对装置实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的用于筒状结构件内部三维重建的方法，采用直线导轨贯穿筒状结构件的方式，有效解决了由于筒状结构件纵深长开口小带来的内部点云难以采集的问题；直线平台和旋转平台配备携带高精度编码器的电机，能够准确获取各扫描区点云与全局坐标系的转换矩阵，采用转换矩阵拼接多个点云的方式比使用特征匹配的方式效率更高、失误率更低；无需在测量现场放置靶球和靶标实现筒状结构件内部点云自动拼接，降低了数据采集的工作量，为无人化数据采集提供了关键的技术支持。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。