CN114964213A - 基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统及方法 - Google Patents

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CN114964213A CN202210882638.7A CN202210882638A CN114964213A CN 114964213 A CN114964213 A CN 114964213A CN 202210882638 A CN202210882638 A CN 202210882638A CN 114964213 A CN114964213 A CN 114964213A
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Abstract

本发明提供了一种基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统及方法，包括视觉扫描单元、姿态感知单元、移动平台、控制单元、指示单元，控制单元又包括姿态感知控制模块、视觉扫描控制模块、指示模块、BIM模型模块、路径规划模块、交互模块、数据库模块。本发明能够在施工对象的BIM模型上标记施工点位，自动控制定位系统到达指定位置，并准确定位施工点位，指引执行机构进行施工工作，自动化程度高，有效提高了作业质量和效率；另外，施工完成后，本发明还能够记录施工完成情况，并进行评估，便于及时修复以及事后追溯。

Description

基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统及方法
技术领域
本发明属于施工定位技术领域，尤其涉及一种基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统及方法。
背景技术
随着建筑工程规模量越来越大，建筑构型越来越复杂，对建筑工程施工过程中的施工定位要求也越来越高，需要施工定位的数量也越来越多；例如机电安装领域，需要钻大量的安装孔，每个安装孔在开钻前都需要进行精确定位。目前主要采用的施工定位方法是由操作人员采用全站仪、经纬仪等测量设备进行测量，测量人员根据测量的结果标记定位点；当建筑结构较为复杂时，定位点的数量较多，这种传统的测量标记方法操作起来比较困难，操作繁琐，施工效率低，自动化程度低，不能满足现代化建筑施工需求。因此，有必要设计一种智能化的施工定位系统及方法。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统及方法，基于姿态感知和视觉扫描实现对目标点的准确定位，自动化程度高、测量定位精度高、施工效率高，满足了现代化建筑施工需求。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，包括移动平台、控制单元，还包括与控制单元信号连接的视觉扫描单元、姿态感知单元、指示单元；视觉扫描单元用于扫描周围施工环境、目标点位置，包括安装在视觉运动机构上的高精度面结构光相机，视觉运动机构安装在移动平台上，带动高精度面结构光相机做旋转运动以及水平运动；姿态感知单元用于感知移动平台的位姿，包括安装在移动平台上的测速电机以及六轴倾角传感器；指示单元包括安装在指示运动机构上的激光指示器，指示运动机构固定在移动平台上，带动激光指示器做旋转运动以及水平运动；控制单元软件安装在一台工业级服务器上，控制单元包括姿态感知控制模块、视觉扫描控制模块、指示模块、BIM模型模块、路径规划模块、交互模块、数据库模块。
进一步地，所述姿态感知控制模块用于接收六轴倾角传感器发送的移动平台的角度信号、测速电机发送的移动平台的速度信号，计算获取移动平台相对于初始位置的三维位移信息；BIM模型模块用于从外部导入施工对象的BIM模型，并且在BIM模型上标记出施工点位信息；视觉扫描控制模块接收高精度面结构光相机发出的三维扫描信号，生成三维点云数据，并对其进行排序、分段、去噪、精简处理，然后与BIM模型进行匹配；指示模块用于根据BIM模型上的施工点位信息以及移动平台的位姿计算出指示运动机构的运动角度和位移，据此控制指示运动机构带动激光指示器运动；路径规划模块包含有以BIM模型作为数据源的路径规划算法、机器导航地图，用于完成对目标点的动态识别定位；数据库模块中存储有已知的合格的施工完成情况数据作为比对用的标准值。
进一步地，所述交互模块用于将控制单元与外部其他设备的控制系统进行连接，传递数据，所述移动平台为自带控制系统且能够自主行走的平台、需人力推动的平台中的一种；当移动平台为自带控制系统且能够自主行走的平台时，交互模块将控制单元与该移动平台对应的控制系统建立连接，将路径规划和定位数据发送给该移动平台对应的控制系统，控制该移动平台向着目标点位置移动。
进一步地，当所述移动平台上安装有执行机构时，交互模块将控制单元与执行机构对应的控制系统建立连接，将视觉扫描控制模块分析处理后的数据传递至执行机构对应的控制系统，控制执行机构动作，在定位好的目标点处进行施工。
进一步地，所述视觉运动机构包括电推杆A、导轨A、转台体A、旋转电机A，旋转电机A安装在转台体A上，旋转电机A输出端与高精度面结构光相机连接，转台体A滑动安装在导轨A上，导轨A安装在移动平台上；导轨A一端固定安装有电推杆A，电推杆A伸缩端与转台体A连接；控制单元与电推杆A、旋转电机A以及高精度面结构光相机信号连接。
进一步地，所述指示运动机构包括转台体B、旋转电机B、旋转电机C、电推杆B、导轨B；旋转电机B安装在转台体B上，转台体B滑动安装在导轨B上，导轨B安装在移动平台上，且导轨B一端固定安装有电推杆B，电推杆B的伸缩端与转台体B连接；旋转电机C的壳体与旋转电机B输出端连接，旋转电机C的输出端与激光指示器连接；控制单元与旋转电机、旋转电机C、电推杆B以及激光指示器信号连接。
利用上述基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统的定位方法，包括两种施工模式，具体如下：
第一种施工模式：移动平台上未安装有执行机构，由激光指示器指示出目标点位置，而后操作人员操作其他施工设备在目标点位置处进行施工作业，具体过程如下：
步骤1：对六轴倾角传感器、高精度面结构光相机进行标定；
步骤2：在移动平台上安装视觉扫描单元、姿态感知单元、控制单元、指示单元；
步骤3：将施工对象的BIM模型导入控制单元，并在BIM模型上标记出施工点位；
步骤4：将移动平台移动到一个既定的初始位置，视觉扫描单元扫描移动平台当前位置并传递至视觉扫描控制模块，生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简处理后与BIM模型数据匹配，确定移动平台位于BIM模型上的位置；
步骤5：移动平台向着第一个目标点位置运动，姿态感知控制模块实时接收六轴倾角传感器发出的移动平台的角度信号、测速电机发送的移动平台的速度信号，计算获得移动平台相对于初始位置的三维位移信息，并发送到BIM模型模块，实时更新移动平台在BIM模型上的位置；
步骤6：移动平台运动到第一个目标点附近指定位置处后，视觉扫描控制模块根据视觉扫描单元实时扫描数据生成三维点云数据，分析确定出BIM模型上的第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息，并将其转换为指示运动机构的转角和位移数据，指示模块控制指示运动机构带动激光指示器移动并且转动相应角度，接着控制激光指示器打开，激光指示器照射的点位即为第一个目标点位置；现场操作人员操作其他施工设备针对确定好的目标点进行施工作业；
步骤7：第一个目标点施工作业完成后，视觉扫描单元扫描施工完成后的目标点完成情况，通过视觉扫描控制模块生成三维点云数据，并发送到数据库模块，与数据库模块中的标准值比对，达到标准要求记为合格，否则记为不合格，并将不合格结果显示在工业级服务器的显示屏上，由现场操作人员决定是否重新施工；
步骤8：重复步骤4至7，进行其余目标点的定位施工操作；
第二种施工模式：移动平台上安装有执行机构，利用执行机构确定目标点并在目标点位置处进行施工作业；
步骤1：对六轴倾角传感器、高精度面结构光相机进行标定；
步骤2：在移动平台上安装视觉扫描单元、姿态感知单元、控制单元、执行机构，执行机构为能够实现自动控制的机械臂结构；然后在执行机构的执行器上粘贴信标点；
步骤3：将施工对象的BIM模型导入控制单元，并在BIM模型上标记出施工点位；将信标点的BIM模型导入控制单元的BIM模型模块中；
步骤4：按照第一种施工模式中步骤4的方法确定移动平台位于BIM模型上的位置；
步骤5：按照第一种施工模式中步骤5的方法实时更新移动平台在BIM模型上的位置；
步骤6：按照第一种施工模式中步骤6的方法确定出BIM模型上的第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息；然后，视觉扫描控制模块根据视觉扫描单元传递的数据生成三维点云数据，判断执行机构是否在视觉扫描单元的扫描范围内，若不在则根据三维点云数据控制视觉运动机构的转动角度和水平移动距离；
视觉扫描单元扫描执行机构的信标点，视觉扫描控制模块生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简处理后与信标点模型数据匹配，计算出执行机构的执行器在施工环境中的三维位置信息；姿态感知单元测量出移动平台位姿并传递至视觉扫描控制模块，视觉扫描控制模块结合六轴倾角传感器与执行机构底座之间的位置关系，计算出执行机构底座的位姿；
步骤7：交互模块将执行机构的执行器在施工环境中的三维位置信息、第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息以及执行机构底座的位姿数据发送给执行机构对应的控制系统，控制执行机构的执行器到达第一个目标点位置并进行施工作业；施工作业完成后，执行机构回到初始位置；
步骤8：按照第一种施工模式中步骤7的方法判断第一个目标点施工是否合格；
步骤9：重复步骤4至8，进行其余目标点的定位施工操作。
进一步地，所述第一种施工模式的步骤4中，移动平台为需人力推动的平台时，由操作人员推动移动平台向着第一个目标点位置运动；移动平台为自带控制系统且能够自主行走的平台时，控制单元根据BIM模型中第一个目标点的施工点位信息以及移动平台位于BIM模型上的位置，基于路径规划模块规划出移动平台的行走路径，并将运动数据发送至移动平台的控制系统，控制移动平台向着第一个目标点位置运动，移动过程中，视觉扫描单元实时扫描周围施工环境并反馈给控制单元的路径规划模块，进而控制移动平台实时进行路径修正和避障。
进一步地，所述第一种施工模式的步骤4中，对三维点云数据的具体处理过程如下：
点云排序：对原始点云数据沿着空间内的三个维度方向进行一次排序，并将所有数据点进行编号；
点云分段：将原始点云数据沿着空间内的三个维度方向分割成有限个长宽高分别为
Figure 709302DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 969382DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 313775DEST_PATH_IMAGE006
的长方体；
点云去噪：利用下式计算出长方体内的所有原始点
Figure DEST_PATH_IMAGE007
对应的中值点
Figure 608490DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 409831DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 157207DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 570871DEST_PATH_IMAGE014
表示长方体内的所有原始点的坐标值；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 454513DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 928220DEST_PATH_IMAGE018
表示中值点的坐标值；
Figure 631734DEST_PATH_IMAGE020
表示原始点云数据中点的数量；
Figure 317930DEST_PATH_IMAGE007
到
Figure 321658DEST_PATH_IMAGE008
Figure 435108DEST_PATH_IMAGE009
的距离为
Figure 625917DEST_PATH_IMAGE022
、平均距离
Figure 882849DEST_PATH_IMAGE024
、方差
Figure DEST_PATH_IMAGE025
分别为：
Figure 6663DEST_PATH_IMAGE026
Figure DEST_PATH_IMAGE027
Figure 87751DEST_PATH_IMAGE028
取阈值区间为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，针对长方体内的所有原始点，距离
Figure 31436DEST_PATH_IMAGE022
位于阈值区间内则保留，否则视为噪点，删除，得到的点云数据称为点云A；
采用k-d树搜索算法，搜索出点云A内任意一点
Figure DEST_PATH_IMAGE031
的8个邻域点
Figure 590594DEST_PATH_IMAGE032
，利用最小二乘法，根据
Figure 37755DEST_PATH_IMAGE031
和8个邻域点
Figure 758587DEST_PATH_IMAGE032
的坐标，拟合出一个平面P，平面P的方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，其中，A、B、C、D均为最小二乘法下的平面参数，
Figure 947823DEST_PATH_IMAGE034
均表示坐标值，将点
Figure 779513DEST_PATH_IMAGE031
向平面P投影，得到投影点
Figure 81181DEST_PATH_IMAGE036
，利用
Figure 238493DEST_PATH_IMAGE036
代替
Figure 891191DEST_PATH_IMAGE031
；重复上述过程，将点云A内所有的点都替换成相应的投影点，生成新的点云B，将点云B作为去噪处理后的点云数据；
点云精简：采用最小二乘法计算去噪处理后的点云数据中每个点的高斯曲率，设置曲率阈值，当高斯曲率大于曲率阈值时保留此点，反之则删除此点。
进一步地，所述第一种施工模式的步骤5中，计算获得移动平台相对于初始位置的三维位移信息的具体过程如下：
姿态感知控制模块实时接收六轴倾角传感器发送的移动平台的角度信号，根据角度信号计算出移动平台在x、y、z三个方向上的转动角度；同时，姿态感知控制模块还实时接收测速电机发送的移动平台的速度信号，结合移动平台在x、y、z三个方向上的转动角度，将速度信号沿x、y、z三个方向分解，得到移动平台在x、y、z三个方向上的速度，利用下式将分解得到的速度进行积分，获得移动平台相对于初始位置的三维位移信息：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 526572DEST_PATH_IMAGE038
表示移动平台在x方向的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
表示移动平台在y方向的位移，
Figure 479484DEST_PATH_IMAGE040
表示移动平台在z方向的位移，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
表示测速电机测得的移动平台的速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
表示六轴倾角传感器测得的移动平台在x方向的转角，
Figure 604435DEST_PATH_IMAGE044
表示六轴倾角传感器测得的移动平台在y方向的转角，
Figure 980315DEST_PATH_IMAGE046
表示六轴倾角传感器测得的移动平台在z方向的转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
表示运行时间。
本发明具有如下有益效果：
本发明利用高精度面结构光相机实时扫描周围环境数据，利用测速电机以及六轴倾角传感器实时监测移动平台的速度和转动角度，利用控制单元在施工对象的BIM模型上标记出施工点位，能够实时感知移动平台在BIM模型上的位置，辅助移动平台运动至指定施工位置，并通过激光指示器或者执行机构准确定位出目标点位置，提高了作业质量和效率，提高了定位施工的自动化程度；并且，本发明在目标点施工完成后还能够扫描记录施工完成情况，并进行质量评估，便于及时修复以及事后追溯。
附图说明
图1为本发明所述定位系统正面结构示意图；
图2为本发明所述定位系统顶面结构示意图；
图3为本发明所述视觉运动机构内部结构示意图；
图4为本发明所述视觉运动机构顶面结构示意图；
图5为本发明所述指示运动机构内部结构示意图；
图6为本发明所述指示运动机构顶面结构示意图；
图7为第二种施工模式下定位系统正面结构示意图；
图8为第二种施工模式下定位系统顶面结构示意图。
图中：1-视觉扫描单元；101-高精度面结构光相机；1021-电推杆A；1022-导轨A；1023-转台体A；1024-旋转电机A；2-姿态感知单元；201-测速电机；202-六轴倾角传感器；3-移动平台；4-控制单元；5-指示单元；501-激光指示器；5021-转台体B；5022-旋转电机B；5023-旋转电机C；5024-电推杆B；5025-导轨B；6-执行机构。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；英文字母“A”、“B”、“C”的使用均是为了便于区分各名称相同的部件，不能理解为对本发明的限制；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、2所示，本发明所述的基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，包括视觉扫描单元1、姿态感知单元2、移动平台3、控制单元4、指示单元5，视觉扫描单元1、姿态感知单元2、指示单元5均与控制单元4信号连接，受控制单元4的控制；移动平台3可以是不能自动行走的平台（即依靠外力推动的平台）或能够自动行走的平台。
视觉扫描单元1用于扫描周围的施工环境、目标点位置，便于生成三维点云数据；视觉扫描单元1还能够记录目标点施工完成情况，便于实现后续的质量分析与数据存档。如图3、4所示，视觉扫描单元1包括高精度面结构光相机101和视觉运动机构，高精度面结构光相机101安装在视觉运动机构上，视觉运动机构安装在移动平台3上。视觉运动机构包括电推杆A1021、导轨A1022、转台体A1023、旋转电机A1024，旋转电机A1024通过螺栓连接到转台体A1023上，旋转电机A1024输出端与高精度面结构光相机101连接，转台体A1023滑动安装在导轨A1022上，导轨A1022通过螺栓固定安装在移动平台3上；导轨A1022一端固定安装有电推杆A1021，电推杆A1021伸缩端与转台体A1023连接。控制单元4与电推杆A1021、旋转电机A1024信号连接，在控制单元4的控制下，电推杆A1021能够推动转台体A1023沿着导轨A1022做水平运动，进而带动高精度面结构光相机101沿y轴做水平运动，旋转电机A1024能够带动高精度面结构光相机101绕z轴360度旋转；控制单元4还与高精度面结构光相机101信号连接，接收扫描数据。
如图1、2所示，姿态感知单元2用于感知移动平台3的位姿；姿态感知单元2包括通过螺栓安装在移动平台3上的测速电机201以及六轴倾角传感器202，六轴倾角传感器202用于测量移动平台3的转动角度，测速电机201用于测量移动平台3的速度；测速电机201以及六轴倾角传感器202均与控制单元4信号连接，传递监测数据供控制单元4进行计算分析。
指示单元5包括激光指示器501、指示运动机构；激光指示器501安装在指示运动机构上，指示运动机构固定在移动平台3上。如图5、6所示，指示运动机构包括转台体B5021、旋转电机B5022、旋转电机C5023、电推杆B5024、导轨B5025；旋转电机B5022通过螺栓连接到转台体B5021上，转台体B5021滑动安装在导轨B5025上，导轨B5025通过螺栓固定安装在移动平台3上，且导轨B5025一端固定安装有电推杆B5024，电推杆B5024的伸缩端与转台体B5021连接；旋转电机C5023的壳体与旋转电机B5022输出端连接，旋转电机C5023的输出端与激光指示器501连接。控制单元4与旋转电机5022、旋转电机C 5023、电推杆B5024信号连接，在控制单元4的控制下，激光指示器501能够绕x轴方向和z轴方向做360度旋转运动，并且能够在一定范围内沿y轴方向做水平移动。
控制单元4软件安装在一台工业级服务器上，控制单元4包括姿态感知控制模块、视觉扫描控制模块、指示模块、BIM模型模块、路径规划模块、交互模块、数据库模块。
姿态感知控制模块实时接收六轴倾角传感器202发出的角度信号，根据角度信号计算出移动平台3在x、y、z三个方向上的转动角度；同时，姿态感知控制模块还实时接收测速电机201发送的移动平台3速度信号，结合移动平台3在x、y、z三个方向上的转动角度，将速度信号沿x、y、z三个方向分解，得到移动平台3在x、y、z三个方向上的速度，利用下式将分解得到的速度进行积分，即可获得移动平台3相对于初始位置的三维位移信息：
Figure 950545DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 226806DEST_PATH_IMAGE038
表示移动平台3在x方向的位移，
Figure 725920DEST_PATH_IMAGE039
表示移动平台3在y方向的位移，
Figure 87632DEST_PATH_IMAGE040
表示移动平台3在z方向的位移，
Figure 799236DEST_PATH_IMAGE041
表示测速电机201测得的移动平台3的速度，
Figure 195582DEST_PATH_IMAGE043
表示六轴倾角传感器202测得的移动平台3在x方向的转角，
Figure 600018DEST_PATH_IMAGE044
表示六轴倾角传感器202测得的移动平台3在y方向的转角，
Figure 449026DEST_PATH_IMAGE046
表示六轴倾角传感器202测得的移动平台3在z方向的转角，
Figure 229900DEST_PATH_IMAGE047
表示运行时间。
BIM模型模块，用于从外部导入施工对象的BIM模型，并且在BIM模型上标记出施工点位信息。
视觉扫描控制模块接收高精度面结构光相机101发出的三维扫描信号，生成三维点云数据，并对其进行相应处理，然后与BIM模型进行匹配，具体过程如下：
点云排序：对原始点云数据沿着空间内的三个维度方向进行一次排序，并将所有数据点进行编号；
点云分段：将原始点云数据沿着空间内的三个维度方向分割成有限个长宽高分别为
Figure 480753DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 820205DEST_PATH_IMAGE050
的长方体；
点云去噪：利用下式计算出长方体内的所有原始点
Figure 422087DEST_PATH_IMAGE007
对应的中值点
Figure 741073DEST_PATH_IMAGE008
Figure 846433DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 592672DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 150692DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 538948DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 498814DEST_PATH_IMAGE014
表示长方体内的所有原始点的坐标值；
Figure 415954DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 726850DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 387638DEST_PATH_IMAGE018
表示中值点的坐标值；
Figure 202011DEST_PATH_IMAGE020
表示原始点云数据中点的数量。
Figure 555632DEST_PATH_IMAGE007
到
Figure 855288DEST_PATH_IMAGE008
Figure 54188DEST_PATH_IMAGE009
的距离为
Figure 988646DEST_PATH_IMAGE022
、平均距离
Figure DEST_PATH_IMAGE051
、方差
Figure 44327DEST_PATH_IMAGE025
分别为：
Figure 798656DEST_PATH_IMAGE026
Figure 332406DEST_PATH_IMAGE027
Figure 121370DEST_PATH_IMAGE028
取阈值区间为
Figure 551215DEST_PATH_IMAGE029
，针对长方体内的所有原始点，距离
Figure 58419DEST_PATH_IMAGE022
位于阈值区间内，则保留，否则视为噪点，删除，得到的点云数据称为点云A。
采用k-d树搜索算法，搜索出点云A内任意一点
Figure 864701DEST_PATH_IMAGE031
的8个邻域点
Figure 508172DEST_PATH_IMAGE032
，利用最小二乘法，根据
Figure 640076DEST_PATH_IMAGE031
和8个邻域点
Figure 873392DEST_PATH_IMAGE032
的坐标，拟合出一个平面P，平面P的方程为
Figure 483365DEST_PATH_IMAGE033
，其中，A、B、C、D均为最小二乘法下的平面参数，
Figure 246922DEST_PATH_IMAGE034
均表示坐标值，将点
Figure 18569DEST_PATH_IMAGE031
向平面P投影，得到投影点
Figure 500366DEST_PATH_IMAGE036
，利用
Figure 914030DEST_PATH_IMAGE036
代替
Figure 532093DEST_PATH_IMAGE031
；重复上述过程，将点云A内所有的点都替换成相应的投影点，生成新的点云B，将点云B作为去噪处理后的点云数据。
点云精简：采用最小二乘法计算去噪处理后的点云数据中每个点的高斯曲率，设置曲率阈值，当高斯曲率大于曲率阈值时，表明此处弯曲程度不可忽视，保留此点，反之则删除此点。
点云数据与BIM模型数据匹配：采用扩展高斯图像算法，分别计算出BIM模型和点云模型在高斯球上的密度分布，采用核密度估计函数计算出BIM模型和点云模型的密度矩阵和带宽参数，通过比较不同的密度矩阵和带宽参数之间的欧式距离，若欧式距离在设定的阈值范围内，可以认为是同一对象，进而完成BIM模型和点云模型的之间的对应关系，BIM模型上的施工点位坐标对应到相应的点云数据坐标，根据高精度面结构光相机101的点云坐标与世界坐标之间的数学关系，将施工点位的点云数据坐标转换为世界坐标，最终实现将BIM模型的点位坐标转换为施工现场世界坐标。
当移动平台3上安装有执行机构6时，匹配完成后，视觉扫描控制模块根据三维点云数据，判断执行机构6是否位于视觉扫描单元的扫描范围内，若不在扫描范围内，则根据三维点云数据控制视觉运动机构的转动角度和水平移动距离，使得执行机构6位于视觉扫描单元的扫描范围内。
指示模块根据BIM模型上的施工点位信息以及移动平台3的位姿，计算出指示运动机构的运动角度和位移，控制指示运动机构运动，使得激光指示器501发出的激光能够准确射在施工点位上。
路径规划模块包含有以BIM模型作为数据源的路径规划算法、机器导航地图，用于完成对目标点的动态识别定位。
交互模块用于将控制单元4与外部其他设备的控制系统进行连接，传递数据。
当移动平台3为能够自动行走的平台时，交互模块将控制单元4与该移动平台3对应的控制系统建立连接，将路径规划和定位等数据发送给该移动平台3的控制系统，该控制系统执行相应的操作，控制该移动平台3向着目标点位置移动。
当移动平台3上安装有执行机构6时，交互模块将控制单元4与执行机构6对应的控制系统建立连接，将视觉扫描控制模块分析处理后的数据传递至执行机构6对应的控制系统，该控制系统执行相应的操作，控制执行机构6动作。
数据库模块中存储有已知的合格的施工完成情况数据作为标准值，视觉扫描单元1实时扫描已完成施工的目标点数据，存储在数据库模块中，并与标准值比对，达到标准要求记为合格，否则记为不合格，并将不合格结果显示在控制单元4软件所安装的工业级服务器的显示屏上，由操作人员决定是否重新施工；施工人员也能够通过数据库模块实时查询所有的施工完成情况。
利用上述基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统的定位方法，包括两种施工模式，相应施工模式对应的施工步骤如下：
第一种施工模式：如图1、2所示的定位系统应用在不能自动控制执行机构6的设备上，由激光指示器501指示出目标点位置，而后操作人员操作其他设备在目标点位置处进行施工作业；
步骤1：传感器标定；六轴倾角传感器202标定：采用标准角度仪等标定出六轴倾角传感器202的角度与输出电压之间的关系；高精度面结构光相机101标定：采用通用的标定方法进行高精度面结构光相机101标定，标定出高精度面结构光相机101的参数，得到扫描的点云与现实世界点之间的数学关系矩阵；
步骤2：在移动平台3外表面寻找一处平整的位置，在该位置处安装姿态感知单元2；在移动平台3外表面寻找一处平整的位置，保证该位置视野开阔，在该位置上安装视觉扫描单元1；在移动平台3外表面寻找另一处平整的位置，保证该位置在视觉扫描单元1附近，在该位置上安装指示单元5，标定指示单元5的指示运动机构的转角和位移与视觉扫描单元1之间的关系；继续在移动平台3外表面安装控制单元4；
步骤3：将施工对象的BIM模型导入控制单元4，并在BIM模型上标记出施工点位；
步骤4：将移动平台3移动到一个既定的初始位置，视觉扫描单元1扫描移动平台3当前位置并传递至控制单元4的视觉扫描控制模块，生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简、与BIM模型数据匹配处理，确定移动平台3位于BIM模型上的位置；
步骤5：移动平台3为不能自动行走的平台时，由操作人员推动移动平台3向着第一个目标点位置运动；移动平台3为能自动行走的平台时，控制单元4根据BIM模型中第一个目标点的施工点位信息以及移动平台3位于BIM模型上的位置，基于路径规划模块规划出移动平台3的行走路径，并将运动数据发送至移动平台3的控制系统，由控制系统控制该移动平台3向着第一个目标点位置运动，移动平台3移动过程中，视觉扫描单元1实时扫描周围施工环境并反馈给控制单元4的路径规划模块，进而控制移动平台3实时进行路径修正和避障；
步骤6：控制单元4中的姿态感知控制模块实时接收六轴倾角传感器202发出的角度信号、测速电机201发送的移动平台3速度信号，根据角度信号计算出移动平台3在x、y、z三个方向上的转动角度，将速度信号沿三个方向分解，得到移动平台3在三个方向上的速度，将分解得到的速度进行积分，获得移动平台3相对于初始位置的三维位移信息，并将此三维位移信息发送到控制单元4中的BIM模型模块，实时更新移动平台3在BIM模型上的位置；
步骤7：移动平台3运动到第一个目标点附近指定位置处后，视觉扫描单元1扫描目标点附近位置，控制单元4的视觉扫描控制模块生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简、与BIM模型数据匹配处理，然后确定出BIM模型上的第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息，并将其转换为指示单元5的转角和位移数据，控制单元4中的指示模块控制指示运动机构移动并且转动相应角度，指示运动机构到位后接着控制激光指示器501打开，激光指示器501照射的点位即为第一个目标点位置；现场操作人员操作其他施工设备针对确定好的目标点进行施工作业；
步骤8：施工作业完成后，视觉扫描单元1扫描施工完成后的目标点完成情况，控制单元4的视觉扫描控制模块生成三维点云数据，并发送到控制单元4的数据库模块，与数据库模块中的标准值比对，达到标准要求记为合格，否则记为不合格，并将不合格结果显示在软件所安装的工业级服务器的显示屏上，由操作人员决定是否重新施工；
步骤9：重复步骤4至8，进行其余目标点的定位施工操作。
第二种施工模式：定位系统应用在能够自动控制执行机构6的设备上，利用执行机构6确定目标点并在目标点处施工作业；
步骤1：传感器标定；该步骤与第一种模式相同；
步骤2：在移动平台3上找一处平整的位置，该位置与执行机构底座处于同一平面，在该位置处安装姿态感知单元2，测量姿态感知单元2中的六轴倾角传感器202与执行机构底座之间的位置关系；按照第一种模式中的方法，继续在移动平台3上安装视觉扫描单元1、控制单元4；
然后如图7、8所示，在移动平台3上表面安装执行机构6，保证执行机构6的运动范围位于视觉扫描单元1的拍摄范围内；执行机构6为能够实现自动控制的机械臂结构，用于执行定位后的施工工作；在执行机构6的执行器上粘贴信标点，测量出信标点在执行器上的位置尺寸信息；
步骤3：将施工对象的BIM模型导入控制单元4，并在BIM模型上标记出施工点位；将信标点的BIM模型导入控制单元4的BIM模型模块中；
步骤4：按照第一种模式中步骤4提供的方法，确定移动平台3位于BIM模型上的位置；
步骤5：按照第一种模式中步骤5提供的方法，针对不同类型的移动平台3，采用不同的方式使得移动平台3向着第一个目标点位置运动，并实时进行路径修正和避障；
步骤6：按照第一种模式中步骤6提供的方法，实时更新移动平台3在BIM模型上的位置；
步骤7：移动平台3运动到第一个目标点附近指定位置处后，视觉扫描单元1扫描目标点附近位置，控制单元4的视觉扫描控制模块生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简、与BIM模型数据匹配处理，然后确定出BIM模型上的第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息；
视觉扫描控制模块根据三维点云数据，判断执行机构6是否在视觉扫描单元1的扫描范围内，若不在则根据三维点云数据控制视觉运动机构的转动角度和水平移动距离，使得执行机构6位于视觉扫描单元的扫描范围内；
视觉扫描单元1扫描执行机构6的信标点，视觉扫描控制模块生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简、与信标点模型数据匹配处理，计算出执行机构6的执行器在施工环境中的三维位置信息；姿态感知单元2测量出移动平台3位姿并传递至视觉扫描控制模块，结合六轴倾角传感器202与执行机构底座之间的位置关系，计算出当前位置执行机构底座在三个方向上的位姿；
步骤8：交互模块将执行机构6的执行器在施工环境中的三维位置信息、第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息以及执行机构底座在三个方向上的位姿数据发送给执行机构6对应的控制系统，该控制系统计算出执行机构6各个单元的转角、速度等信息，指导执行机构6的执行器到达第一个目标点位置，进行施工作业；施工作业完成后，执行机构6回到初始位置；
步骤9：按照第一种模式中步骤8所提供的方法，判断施工是否合格；
步骤10：重复步骤5至9，进行其余目标点的定位施工操作。
所述移动平台3、执行机构6均采用的是现有的设备结构，本发明不再对其进行赘述。所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，其特征在于，包括移动平台（3）、控制单元（4），还包括与控制单元（4）信号连接的视觉扫描单元（1）、姿态感知单元（2）、指示单元（5）；视觉扫描单元（1）用于扫描周围施工环境、目标点位置，包括安装在视觉运动机构上的高精度面结构光相机（101），视觉运动机构安装在移动平台（3）上，带动高精度面结构光相机（101）做旋转运动以及水平运动；姿态感知单元（2）用于感知移动平台（3）的位姿，包括安装在移动平台（3）上的测速电机（201）以及六轴倾角传感器（202）；指示单元（5）包括安装在指示运动机构上的激光指示器（501），指示运动机构固定在移动平台（3）上，带动激光指示器（501）做旋转运动以及水平运动；控制单元（4）软件安装在一台工业级服务器上，控制单元（4）包括姿态感知控制模块、视觉扫描控制模块、指示模块、BIM模型模块、路径规划模块、交互模块、数据库模块。
2.根据权利要求1所述的基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，其特征在于，所述姿态感知控制模块用于接收六轴倾角传感器（202）发送的移动平台（3）的角度信号、测速电机（201）发送的移动平台（3）的速度信号，计算获取移动平台（3）相对于初始位置的三维位移信息；BIM模型模块用于从外部导入施工对象的BIM模型，并且在BIM模型上标记出施工点位信息；视觉扫描控制模块接收高精度面结构光相机（101）发出的三维扫描信号，生成三维点云数据，并对其进行排序、分段、去噪、精简处理，然后与BIM模型进行匹配；指示模块用于根据BIM模型上的施工点位信息以及移动平台（3）的位姿计算出指示运动机构的运动角度和位移，据此控制指示运动机构带动激光指示器（501）运动；路径规划模块包含有以BIM模型作为数据源的路径规划算法、机器导航地图，用于完成对目标点的动态识别定位；数据库模块中存储有已知的合格的施工完成情况数据作为比对用的标准值。
3.根据权利要求2所述的基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，其特征在于，所述交互模块用于将控制单元（4）与外部其他设备的控制系统进行连接，传递数据，所述移动平台（3）为自带控制系统且能够自主行走的平台、需人力推动的平台中的一种；当移动平台（3）为自带控制系统且能够自主行走的平台时，交互模块将控制单元（4）与该移动平台（3）对应的控制系统建立连接，将路径规划和定位数据发送给该移动平台（3）对应的控制系统，控制该移动平台（3）向着目标点位置移动。
4.根据权利要求3所述的基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，其特征在于，当所述移动平台（3）上安装有执行机构（6）时，交互模块将控制单元（4）与执行机构（6）对应的控制系统建立连接，将视觉扫描控制模块分析处理后的数据传递至执行机构（6）对应的控制系统，控制执行机构（6）动作，在定位好的目标点处进行施工。
5.根据权利要求1所述的基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，其特征在于，所述视觉运动机构包括电推杆A（1021）、导轨A（1022）、转台体A（1023）、旋转电机A（1024），旋转电机A（1024）安装在转台体A（1023）上，旋转电机A（1024）输出端与高精度面结构光相机（101）连接，转台体A（1023）滑动安装在导轨A（1022）上，导轨A（1022）安装在移动平台（3）上；导轨A（1022）一端固定安装有电推杆A（1021），电推杆A（1021）伸缩端与转台体A（1023）连接；控制单元（4）与电推杆A（1021）、旋转电机A（1024）以及高精度面结构光相机（101）信号连接。
6.根据权利要求1所述的基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统，其特征在于，所述指示运动机构包括转台体B（5021）、旋转电机B（5022）、旋转电机C（5023）、电推杆B（5024）、导轨B（5025）；旋转电机B（5022）安装在转台体B（5021）上，转台体B（5021）滑动安装在导轨B（5025）上，导轨B（5025）安装在移动平台（3）上，且导轨B（5025）一端固定安装有电推杆B（5024），电推杆B（5024）的伸缩端与转台体B（5021）连接；旋转电机C（5023）的壳体与旋转电机B（5022）输出端连接，旋转电机C（5023）的输出端与激光指示器（501）连接；控制单元（4）与旋转电机（5022）、旋转电机C （5023）、电推杆B（5024）以及激光指示器（501）信号连接。
7.一种利用权利要求4所述基于姿态感知和视觉扫描的建筑工程施工定位系统的定位方法，其特征在于，包括两种施工模式，具体如下：
第一种施工模式：移动平台（3）上未安装有执行机构（6），由激光指示器（501）指示出目标点位置，而后操作人员操作其他施工设备在目标点位置处进行施工作业，具体过程如下：
步骤1：对六轴倾角传感器（202）、高精度面结构光相机（101）进行标定；
步骤2：在移动平台（3）上安装视觉扫描单元（1）、姿态感知单元（2）、控制单元（4）、指示单元（5）；
步骤3：将施工对象的BIM模型导入控制单元（4），并在BIM模型上标记出施工点位；
步骤4：将移动平台（3）移动到一个既定的初始位置，视觉扫描单元（1）扫描移动平台（3）当前位置并传递至视觉扫描控制模块，生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简处理后与BIM模型数据匹配，确定移动平台（3）位于BIM模型上的位置；
步骤5：移动平台（3）向着第一个目标点位置运动，姿态感知控制模块实时接收六轴倾角传感器（202）发出的移动平台（3）的角度信号、测速电机（201）发出的移动平台（3）的速度信号，计算获得移动平台（3）相对于初始位置的三维位移信息，并发送到BIM模型模块，实时更新移动平台（3）在BIM模型上的位置；
步骤6：移动平台（3）运动到第一个目标点附近指定位置处后，视觉扫描控制模块根据视觉扫描单元（1）实时扫描数据生成三维点云数据，分析确定出BIM模型上的第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息，并将其转换为指示运动机构的转角和位移数据，指示模块控制指示运动机构带动激光指示器（501）移动并且转动相应角度，接着控制激光指示器（501）打开，激光指示器（501）照射的点位即为第一个目标点位置；现场操作人员操作其他施工设备针对确定好的目标点位置进行施工作业；
步骤7：第一个目标点施工作业完成后，视觉扫描单元（1）扫描施工完成后的目标点完成情况，通过视觉扫描控制模块生成三维点云数据，并发送到数据库模块，与数据库模块中的标准值比对，达到标准要求记为合格，否则记为不合格，并将不合格结果显示在工业级服务器的显示屏上，由现场操作人员决定是否重新施工；
步骤8：重复步骤4至7，进行其余目标点的定位施工操作；
第二种施工模式：移动平台（3）上安装有执行机构（6），利用执行机构（6）确定目标点并在目标点位置处进行施工作业；
步骤1：对六轴倾角传感器（202）、高精度面结构光相机（101）进行标定；
步骤2：在移动平台（3）上安装视觉扫描单元（1）、姿态感知单元（2）、控制单元（4）、执行机构（6），执行机构（6）为能够实现自动控制的机械臂结构；然后在执行机构（6）的执行器上粘贴信标点；
步骤3：将施工对象的BIM模型导入控制单元（4），并在BIM模型上标记出施工点位；将信标点的BIM模型导入控制单元（4）的BIM模型模块中；
步骤4：按照第一种施工模式中步骤4的方法确定移动平台（3）位于BIM模型上的位置；
步骤5：按照第一种施工模式中步骤5的方法实时更新移动平台（3）在BIM模型上的位置；
步骤6：按照第一种施工模式中步骤6的方法确定出BIM模型上的第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息；然后，视觉扫描控制模块根据视觉扫描单元（1）传递的数据生成三维点云数据，判断执行机构（6）是否在视觉扫描单元（1）的扫描范围内，若不在则根据三维点云数据控制视觉运动机构的转动角度和水平移动距离；
视觉扫描单元（1）扫描执行机构（6）的信标点，视觉扫描控制模块生成三维点云数据，对三维点云数据依次进行排序、分段、去噪、精简处理后与信标点模型数据匹配，计算出执行机构（6）的执行器在施工环境中的三维位置信息；姿态感知单元（2）测量出移动平台（3）位姿并传递至视觉扫描控制模块，视觉扫描控制模块结合六轴倾角传感器（202）与执行机构底座之间的位置关系，计算出执行机构底座的位姿；
步骤7：交互模块将执行机构（6）的执行器在施工环境中的三维位置信息、第一个施工点位在实际施工环境中的三维位置信息以及执行机构底座的位姿数据发送给执行机构（6）对应的控制系统，控制执行机构（6）的执行器到达第一个目标点位置并进行施工作业；施工作业完成后，执行机构（6）回到初始位置；
步骤8：按照第一种施工模式中步骤7的方法判断第一个目标点施工是否合格；
步骤9：重复步骤4至8，进行其余目标点的定位施工操作。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述第一种施工模式的步骤4中，移动平台（3）为需人力推动的平台时，由操作人员推动移动平台（3）向着第一个目标点位置运动；移动平台（3）为自带控制系统且能够自主行走的平台时，控制单元（4）根据BIM模型中第一个目标点的施工点位信息以及移动平台（3）位于BIM模型上的位置，基于路径规划模块规划出移动平台（3）的行走路径，并将运动数据发送至移动平台（3）的控制系统，控制移动平台（3）向着第一个目标点位置运动，移动过程中，视觉扫描单元（1）实时扫描周围施工环境并反馈给控制单元（4）的路径规划模块，进而控制移动平台（3）实时进行路径修正和避障。
9.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述第一种施工模式的步骤4中，对三维点云数据的具体处理过程如下：
点云排序：对原始点云数据沿着空间内的三个维度方向进行一次排序，并将所有数据点进行编号；
点云分段：将原始点云数据沿着空间内的三个维度方向分割成有限个长宽高分别为
Figure 87170DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 473152DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 472463DEST_PATH_IMAGE003
的长方体；
点云去噪：利用下式计算出长方体内的所有原始点
Figure 336514DEST_PATH_IMAGE004
对应的中值点
Figure 619728DEST_PATH_IMAGE005
Figure 707769DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 443644DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 95074DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 232794DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 491737DEST_PATH_IMAGE010
表示长方体内的所有原始点的坐标值；
Figure 714908DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 655183DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 395212DEST_PATH_IMAGE013
表示中值点的坐标值；
Figure 90636DEST_PATH_IMAGE014
表示原始点云数据中点的数量；
Figure 801103DEST_PATH_IMAGE004
到
Figure 545068DEST_PATH_IMAGE005
Figure 391801DEST_PATH_IMAGE006
的距离为
Figure 992547DEST_PATH_IMAGE015
、平均距离
Figure 173998DEST_PATH_IMAGE016
、方差
Figure 518392DEST_PATH_IMAGE017
分别为：
Figure 219632DEST_PATH_IMAGE018
Figure 460120DEST_PATH_IMAGE019
Figure 879600DEST_PATH_IMAGE020
取阈值区间为
Figure 27685DEST_PATH_IMAGE021
，针对长方体内的所有原始点，距离
Figure 334163DEST_PATH_IMAGE022
位于阈值区间内则保留，否则视为噪点，删除，得到的点云数据称为点云A；
采用k-d树搜索算法，搜索出点云A内任意一点
Figure 745553DEST_PATH_IMAGE023
的8个邻域点
Figure 449067DEST_PATH_IMAGE024
，利用最小二乘法，根据
Figure 338526DEST_PATH_IMAGE023
和8个邻域点
Figure 14358DEST_PATH_IMAGE024
的坐标，拟合出一个平面P，平面P的方程为
Figure 393386DEST_PATH_IMAGE025
，其中，A、B、C、D均为最小二乘法下的平面参数，
Figure 36726DEST_PATH_IMAGE026
均表示坐标值，将点
Figure 729876DEST_PATH_IMAGE023
向平面P投影，得到投影点
Figure 994635DEST_PATH_IMAGE027
，利用
Figure 747827DEST_PATH_IMAGE027
代替
Figure 425933DEST_PATH_IMAGE023
；重复上述过程，将点云A内所有的点都替换成相应的投影点，生成新的点云B，将点云B作为去噪处理后的点云数据；
点云精简：采用最小二乘法计算去噪处理后的点云数据中每个点的高斯曲率，设置曲率阈值，当高斯曲率大于曲率阈值时保留此点，反之则删除此点。
10.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述第一种施工模式的步骤5中，计算获得移动平台（3）相对于初始位置的三维位移信息的具体过程如下：
姿态感知控制模块实时接收六轴倾角传感器（202）发送的移动平台（3）的角度信号，根据角度信号计算出移动平台（3）在x、y、z三个方向上的转动角度；同时，姿态感知控制模块还实时接收测速电机（201）发送的移动平台（3）的速度信号，结合移动平台（3）在x、y、z三个方向上的转动角度，将速度信号沿x、y、z三个方向分解，得到移动平台（3）在x、y、z三个方向上的速度，利用下式将分解得到的速度进行积分，获得移动平台（3）相对于初始位置的三维位移信息：
Figure 404997DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 55421DEST_PATH_IMAGE029
表示移动平台（3）在x方向的位移，
Figure 510673DEST_PATH_IMAGE030
表示移动平台（3）在y方向的位移，
Figure 613759DEST_PATH_IMAGE031
表示移动平台（3）在z方向的位移，
Figure 648711DEST_PATH_IMAGE032
表示测速电机（201）测得的移动平台（3）的速度，
Figure 215958DEST_PATH_IMAGE033
表示六轴倾角传感器（202）测得的移动平台（3）在x方向的转角，
Figure 294642DEST_PATH_IMAGE034
表示六轴倾角传感器（202）测得的移动平台（3）在y方向的转角，
Figure 885023DEST_PATH_IMAGE035
表示六轴倾角传感器（202）测得的移动平台（3）在z方向的转角，
Figure 723666DEST_PATH_IMAGE036
表示运行时间。
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