CN111551126A - 非规则管道内壁移动测量机器人及三维重建方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非规则管道内壁移动测量机器人及三维重建方法和系统，属于管道内部三维重建技术领域，包括：移动机器人、电机驱动器、驱动器过度板、横向移动装置、纵向移动装置、旋转电机、光标装置、激光传感器、前相机、相机连接片、相机座和后相机，利用外部相机对移动机器人装置进行定位，将移动机器人在不同位置时所获取的管道信息能够在高精度的条件下进行数据拼接并在显示器上输出结果。通过横向移动装置、纵向移动装置来移动光标装置与旋转电机，能够灵活地测量到不规则管道内壁各处的点云信息，具有较高精度与效率的特性。

Description

非规则管道内壁移动测量机器人及三维重建方法和系统

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，特别涉及一种非规则管道内壁移动测量机器人及三维重建方法和系统。

背景技术

随着计算器视觉应用技术的发展，使得计算器视觉能够广泛地应用于各个行业，管道的测量与定位便是其中一种应用例，该技术能够通过视觉检测系统测量被测物体形貌信息，得到二维或三维空间中的坐标信息，以此来还原被测物体的三维形貌。

现有的检测技术多采用高精度距离传感器来进行移动机器人的定位，但此类传感器成本高、不易维修，且针对数米或数十米的较长管道来说其误差会逐渐累积导致精度随着时间下降，不符合现有的需求；现有的检测技术也有少部分像本申请一样，利用计算器视觉技术来辅助移动机器人定位的例子，例如申请公布号CN 107063119 A的装置和方法，但其中使用了三个激光器对称放置在靶面、导致定位时需要计算全部的欧拉角，当中包含了大量的三角函数运算，导致效率不高且测量结果存在较大误差。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种非规则管道内壁移动测量机器人，该机器人成本低、维修方便且提高了测量精度。

本发明的另一个目的在于提出一种利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的方法。

本发明的再一个目的在于提出一种利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的系统，

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种非规则管道内壁移动测量机器人，包括：移动机器人(1)、电机驱动器(2)、驱动器过度板(3)、横向移动装置(4)、纵向移动装置(5)、旋转电机(6)、光标装置(7)、激光传感器(8)、前相机(9)、相机连接片(10)、相机座(11)、后相机(12)；

所述驱动器过度板(3)与所述移动机器人(1)连接，所述电机驱动器(2)与所述驱动器过度板(3)连接；

所述横向移动装置(4)与所述移动机器人(1)连接，由导轨(41)、导轨过渡板(42)、导轨端盖(43)、拖链(44)、锁紧滑块(45)组成；所述导轨(41)通过所述导轨过渡板(42)与所述移动机器人(1)连接，所述导轨端盖(43)与所述导轨(41)连接，所述锁紧滑块(45)安装于所述导轨(41)与拖链(44)上表面；

所述纵向移动装置(5)与所述横向移动装置(4)连接，所述纵向移动装置(5)能够在所述横向移动装置(4)上移动，由调整板(51)、加强筋板(52)、旋转固定板(53)、支撑旋转板(54)、支撑筋板(55)、垂直支撑立板(56)、竖直升降导轨(57)、纵锁紧滑块(58)、电机固定板(59)组成；所述加强筋板(52)与所述调整板(51)螺纹连接，所述旋转固定板(53)与所述加强筋板(52)螺纹连接，所述垂直支撑立板(56)通过所述支撑筋板(55)与所述支撑旋转板(54)连接，所述竖直升降导轨(57)与所述垂直支撑立板(56)连接，所述纵锁紧滑块(58)与所述竖直升降导轨(57)连接，所述电机固定板(59)分别与所述纵锁紧滑块(58)和所述旋转电机(6)相连接；

所述旋转电机(6)与所述光标装置(7)连接；

所述光标装置(7)由前定标板(71)、后定标板(72)、激光固定板(73)、固定架(74)、扫描镜头过渡板(75)组成，所述扫描镜头过渡板(75)与所述旋转电机(6)螺纹连接，所述固定架(74)连接所述前定标板(71)与后所述定标板(72)，所述激光固定板(73)分别与所述固定架(74)和所述扫描镜头过渡板(75)相连接；

所述激光传感器与所述激光固定板(73)连接；

所述前相机(9)和所述后相机(12)通过所述相机连接片(10)固定在相机座(11)上。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的方法，包括以下步骤：

S1，将移动测量机器人移动到管道内部，通过位姿测量模块对所述移动测量机器人进行定位，得到所述移动测量机器人在基坐标系的坐标以及基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系；

S2，通过旋转电机带动激光传感器进行旋转扫描，完成一个圆周内其回转中心到管道内壁之间的测量，得到激光坐标系下管道内壁的点云数据；

S3，在管道内部移动所述移动测量机器人，重复步骤S1-S2，得到管道不同位置的激光坐标系下管道内壁的点云数据；

S4，通过所述基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系，将得到的所述激光坐标系下管道内壁的点云数据转换至基坐标系下并进行数据拼接；

S5，通过上位机将拼接后的数据进行显示，得到管道的三维重建结果。

为达到上述目的，本发明再一方面实施例提出了一种利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的系统，包括：位姿测量模块、点云测量模块、驱动模块、上位机、下位机和显示模块；

所述驱动模块包括驱动电机，通过所述下位机对所述驱动模块进行驱动；

所述位姿测量模块包括前相机、后相机、前标定板和后标定板，用于对移动测量机器人进行定位，得到所述移动测量机器人在基坐标系的坐标以及基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系；

所述点云测量模块包括激光传感器，用于通过所述旋转电机带动所述激光传感器进行旋转扫描，得到管道内壁的点云数据；

所述下位机用于将所述旋转电机的角度信息发送给上位机；

所述上位机用于通过接口对所述位姿控制模块、所述点云测量模块、所述下位机和所述显示模块进行控制，并获取所述位姿控制模块、所述点云测量模块、所述下位机得到的数据，对获取的数据进行处理得到管道的三维模型；

所述显示模块用于显示所述管道的三维模型。

本发明的有益效果是：结构上设有横向与纵向移动装置，与光标装置相连接，从而可以根据实际测量情况调整激光传感器的位置以补足数据，并透过外部相机对移动机器人进行定位与数据拼接，减少其他三维重建方法上拼接误差较大的问题，成本低、维修方便且提高了测量精度，符合现有的需求。

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非规则管道内壁移动测量机器人整体结构示意图；

图2为根据本发明又一个实施例的非规则管道内壁移动测量机器人结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的横向移动装置结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的纵向移动装置结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的光标装置结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的方法流程图；

图7为根据本发明一个实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的系统结构示意图；

图8为根据本发明又一个实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的方法流程图。

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非规则管道内壁移动测量机器人及重建方法和系统。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的非规则管道内壁移动测量机器人。

图1为根据本发明一个实施例的非规则管道内壁移动测量机器人整体结构示意图。

如图1和图2所示，该非规则管道内壁移动测量机器人包括：移动机器人1、电机驱动器2、驱动器过度板3、横向移动装置4、纵向移动装置5、旋转电机6、光标装置7、激光传感器8、前相机9、相机连接片10、相机座11、后相机12、管道13，旋转电机6采用步进电机。

驱动器过度板3与移动机器人1连接，电机驱动器2与驱动器过度板3连接。

如图3所示，横向移动装置4由导轨41、导轨过渡板42、导轨端盖43、拖链44、锁紧滑块45组成；导轨41通过导轨过渡板42与移动机器人1相连接，导轨端盖43与导轨41相连接，锁紧滑块45安装于导轨41与拖链44上表面。

如图4所示，纵向移动装置5由调整板51、加强筋板52、旋转固定板53、支撑旋转板54、支撑筋板55、垂直支撑立板56、竖直升降导轨57、纵锁紧滑块58、电机固定板59组成；加强筋板52与调整板51螺纹连接，旋转固定板53与加强筋板52螺纹连接，垂直支撑立板56通过支撑筋板55与支撑旋转板54相连接，竖直升降导轨57与垂直支撑立板56相连接，纵锁紧滑块58与竖直升降导轨57相连接，电机固定板59分别与与纵锁紧滑块58和旋转电机6相连接，纵向移动装置5能够在横向移动装置4上移动，支撑旋转板54上有弧形轨道，能使纵向移动装置5改变侧滚角。

旋转电机6与光标装置7连接。

如图5所示，光标装置7，由前定标板71、后定标板72、激光固定板73、固定架74、扫描镜头过渡板75组成，扫描镜头过渡板75与旋转电机6螺纹连接，固定架74连接前定标板71与后定标板72，激光固定板73分别与固定架74和扫描镜头过渡板75相连接。

在正式开始使用以前，需要在前定标板71与后定标板72上，由上到下分别贴上不超过20个的n个标记点，给予每个标记点编号，并且标定得到每个标记点在基坐标系下的标准坐标值，供之后相机拍照时用于匹配照片中的标记点。

根据本发明实施例提出的非规则管道内壁移动测量机器人，与重建方法的互相组合，使得整个系统能够对管道内壁进行三维重建，且成本低、维修方便、精度较高，符合现有的需求。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的利用非规则管道内壁移动测量机器人对管道进行三维重建的方法。

图6为根据本发明一个实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的方法流程图。

如图6所示，该三维重建方法包括：

S1，将移动测量机器人移动到管道内部，通过位姿测量模块对移动测量机器人进行定位，得到移动测量机器人在基坐标系的坐标以及基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系；

S2，通过旋转电机带动激光传感器进行旋转扫描，完成一个圆周内其回转中心到管道内壁之间的测量，得到激光坐标系下管道内壁的点云数据；

S3，在管道内部移动移动测量机器人，重复步骤S1-S2，得到管道不同位置的激光坐标系下管道内壁的点云数据；

S4，通过基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系，将得到的激光坐标系下管道内壁的点云数据转换至基坐标系下并进行数据拼接；

S5，通过上位机将拼接后的数据进行显示，得到管道的三维重建结果。

进一步地，在步骤S1之前包括：

在光标装置的前定标板和后定标板进行标记点的预标定，得到标记点的标准坐标值，将标准坐标点与位姿测量模块采集到的图片中的标记点进行匹配。

进一步地，将移动测量机器人移动到管道内部，通过位姿测量模块对移动测量机器人进行定位，包括：

建立相机坐标系与基坐标系，设定三个坐标轴彼此平行，设前光标板上贴有n个标记点，则有

其中，

与

分别为第i个标记点在相机坐标系与基坐标系下的坐标，R为3×3的旋转矩阵，T为3×1的平移向量，通过单目视觉定位原理求解R与T，完成定位。

本发明实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的方法，可以根据实际测量情况调整激光传感器的位置以补足数据，并透过外部相机对移动机器人进行定位与数据拼接，减少其他三维重建方法上拼接误差较大的问题，成本低、维修方便且提高了测量精度，符合现有的需求。

参照附图描述根据本发明实施例提出的利用非规则管道内壁移动测量机器人对管道进行三维重建的系统。

图7为根据本发明一个实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的系统结构示意图。

如图7所示，该系统包括：位姿测量模块、点云测量模块、驱动模块、上位机、下位机和显示模块；

驱动模块包括驱动电机，通过下位机对驱动模块进行驱动；

位姿测量模块包括前相机、后相机、前标定板和后标定板，用于对移动测量机器人进行定位，得到移动测量机器人在基坐标系的坐标以及基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系；

点云测量模块包括激光传感器，用于通过旋转电机带动激光传感器进行旋转扫描，得到管道内壁的点云数据；

下位机用于将旋转电机的角度信息发送给上位机；

上位机用于通过接口对位姿控制模块、点云测量模块、下位机和显示模块进行控制，并获取位姿控制模块、点云测量模块、下位机得到的数据，对获取的数据进行处理得到管道的三维模型；

显示模块用于显示管道的三维模型。

如图7所示，整体测量系统包括了位姿测量模块、点云测量模块、驱动模块，分别由上位机通过USB接口给予端口指令并个别进行控制，其中旋转电机经由下位机来驱动，上位机在获取到图像信息、点云信息与电机角度信息后进行数据处理，产生被测管道的三维模型，并于显示器上显示结果。

整体的测量流程如图8所示，测量开始时先将系统初始化，主要设定基坐标系的参考原点、前后光标板上标记点的标准坐标位置、相机的内部参数、激光传感器的采样频率与密度。

待完成初始化后，便可通过上位机操控移动机器人移动至管道内部一处停下，让相机拍照，相机的图像信息会通过USB接口传送到上位机内，在获得的图像中，会拍摄到光标装置7上经过旋转与平移的m个标记点，接着需要识别这m个标记点，将其与基坐标系下标记点的标准坐标位置进行匹配。

待完成标记点的匹配之后，继续由上位机进行数据处理，以前光标板为例，此时有

其中

与

分别为第i个标记点在相机坐标系与基坐标系下的坐标，R为3×3的旋转矩阵，T为3×1的平移向量，通过单目视觉定位原理即可求得R与T，完成移动机器人的定位，且此种定位方法能够达到较高的测量精度。

完成移动机器人的定位后，同样利用上位机对下位机发送指令，控制电机旋转以及激光传感器，获得一组管道点云数据，重复此动作直到电机旋转完一圈，获得了此时管道截面上足够的点云数据，之后再改变移动机器人位姿重复上述步骤直到完成测量，由于每次改变移动机器人后都会由相机进行定位，因此不同位置时刻获得的点云信息能够在有较高精度的条件下进行数据拼接，完成管道的三维重建。

需要说明的是，前述对机器人和方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。

本发明实施例的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行管道三维重建的系统，可以根据实际测量情况调整激光传感器的位置以补足数据，并透过外部相机对移动机器人进行定位与数据拼接，减少其他三维重建方法上拼接误差较大的问题，成本低、维修方便且提高了测量精度，符合现有的需求。

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。

Claims (7)

1.一种非规则管道内壁移动测量机器人，其特征在于，包括：

移动机器人(1)、电机驱动器(2)、驱动器过度板(3)、横向移动装置(4)、纵向移动装置(5)、旋转电机(6)、光标装置(7)、激光传感器(8)、前相机(9)、相机连接片(10)、相机座(11)、后相机(12)；

所述驱动器过度板(3)与所述移动机器人(1)连接，所述电机驱动器(2)与所述驱动器过度板(3)连接；

所述横向移动装置(4)与所述移动机器人(1)连接，由导轨(41)、导轨过渡板(42)、导轨端盖(43)、拖链(44)、锁紧滑块(45)组成；所述导轨(41)通过所述导轨过渡板(42)与所述移动机器人(1)连接，所述导轨端盖(43)与所述导轨(41)连接，所述锁紧滑块(45)安装于所述导轨(41)与拖链(44)上表面；

所述纵向移动装置(5)与所述横向移动装置(4)连接，所述纵向移动装置(5)能够在所述横向移动装置(4)上移动，由调整板(51)、加强筋板(52)、旋转固定板(53)、支撑旋转板(54)、支撑筋板(55)、垂直支撑立板(56)、竖直升降导轨(57)、纵锁紧滑块(58)、电机固定板(59)组成；所述加强筋板(52)与所述调整板(51)螺纹连接，所述旋转固定板(53)与所述加强筋板(52)螺纹连接，所述垂直支撑立板(56)通过所述支撑筋板(55)与所述支撑旋转板(54)连接，所述竖直升降导轨(57)与所述垂直支撑立板(56)连接，所述纵锁紧滑块(58)与所述竖直升降导轨(57)连接，所述电机固定板(59)分别与所述纵锁紧滑块(58)和所述旋转电机(6)相连接；

所述旋转电机(6)与所述光标装置(7)连接；

所述光标装置(7)由前定标板(71)、后定标板(72)、激光固定板(73)、固定架(74)、扫描镜头过渡板(75)组成，所述扫描镜头过渡板(75)与所述旋转电机(6)螺纹连接，所述固定架(74)连接所述前定标板(71)与后所述定标板(72)，所述激光固定板(73)分别与所述固定架(74)和所述扫描镜头过渡板(75)相连接；

所述激光传感器与所述激光固定板(73)连接；

所述前相机(9)和所述后相机(12)通过所述相机连接片(10)固定在相机座(11)上。

2.根据权利要求1所述的非规则管道内壁移动测量机器人，其特征在于，

所述支撑旋转板(54)上有弧形轨道以改变所述纵向移动装置(5)侧滚角。

3.根据权利要求1所述的非规则管道内壁移动测量机器人，其特征在于，

所述前定标板(71)与后定标板(72)上贴有标记点，分别通过所述前相机(9)与所述后相机(12)识别，且与所述旋转电机(6)同轴旋转。

4.一种利用非规则管道内壁移动测量机器人进行非规则管道三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将移动测量机器人移动到管道内部，通过位姿测量模块对所述移动测量机器人进行定位，得到所述移动测量机器人在基坐标系的坐标以及基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系；

S2，通过旋转电机带动激光传感器进行旋转扫描，完成一个圆周内其回转中心到管道内壁之间的测量，得到激光坐标系下管道内壁的点云数据；

S3，在管道内部移动所述移动测量机器人，重复步骤S1-S2，得到管道不同位置的激光坐标系下管道内壁的点云数据；

S4，通过所述基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系，将得到的所述激光坐标系下管道内壁的点云数据转换至基坐标系下并进行数据拼接；

S5，通过上位机将拼接后的数据进行显示，得到管道的三维重建结果。

5.根据权利要求1所述的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行非规则管道三维重建的方法，其特征在于，在步骤S1之前包括：

在光标装置的前定标板和后定标板进行标记点的预标定，得到标记点的标准坐标值，将标准坐标点与所述位姿测量模块采集到的图片中的标记点进行匹配。

6.根据权利要求1所述的利用非规则管道内壁移动测量机器人进行非规则管道三维重建的方法，其特征在于，所述将移动测量机器人移动到管道内部，通过位姿测量模块对所述移动测量机器人进行定位，包括：

建立相机坐标系与基坐标系，设定三个坐标轴彼此平行，设前光标板上贴有n个标记点，则有

其中，

与

分别为第i个标记点在相机坐标系与基坐标系下的坐标，R为3×3的旋转矩阵，T为3×1的平移向量，通过单目视觉定位原理求解R与T，完成定位。

7.一种利用非规则管道内壁移动测量机器人进行非规则管道三维重建的系统，其特征在于，包括：位姿测量模块、点云测量模块、驱动模块、上位机、下位机和显示模块；

所述驱动模块包括驱动电机，通过所述下位机对所述驱动模块进行驱动；

所述位姿测量模块包括前相机、后相机、前标定板和后标定板，用于对移动测量机器人进行定位，得到所述移动测量机器人在基坐标系的坐标以及基坐标系与激光坐标系的齐次变换关系；

所述点云测量模块包括激光传感器，用于通过所述旋转电机带动所述激光传感器进行旋转扫描，得到管道内壁的点云数据；

所述下位机用于将所述旋转电机的角度信息发送给上位机；

所述上位机用于通过接口对所述位姿控制模块、所述点云测量模块、所述下位机和所述显示模块进行控制，并获取所述位姿控制模块、所述点云测量模块、所述下位机得到的数据，对获取的数据进行处理得到管道的三维模型；

所述显示模块用于显示所述管道的三维模型。

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