基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法制造技术

一种基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其包括：步骤一：形成测量面的激光点云数据集Q1，同时将目标扫描构件的扫描边界点数据放入边界点数据集Q0；步骤二：从集合中选取特征点；步骤三：将测量面校正到X轴Y轴确定的xy

Spatial pose inversion and correction algorithm of prefabricated components based on laser scanning point cloud

【技术实现步骤摘要】
基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法


[0001]本专利技术涉及预制装配构件空间姿态校正的
，尤其涉及一种基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法。

技术介绍

[0002]装配式结构在绿色低碳的建造环境下，应用日益广泛，预制装配构件的质量决定着装配式结构的质量，因此，预制装配构件出厂前需进行质量检测，为提高检测效率和精度，可采用智能扫描检测方式。大量预制装配构件扫描过程中，目标扫描构件与智能扫描装备之间是无接触式扫描，智能扫描装备行走在固定轨道上，目标扫描构件人为快速随机放置在智能扫描装备行走范围内的测量区域内。因此，无法将目标扫描构件摆放在完全理想的位置，即目标扫描构件和理想位置相比，在由智能扫描装备水平行走方向、竖直行走方向和激光测距仪测量方向搭建起来的基准坐标系的x、y、z三个坐标轴方向都可能产生夹角，无法确定其摆放位置以及摆放姿态。
[0003]大型预制构件拼装面少数情况下会出现因制作误差导致的拼装面鼓包的情况。构件拼装面鼓包将影响装配式结构拼装精度，进而影响装配式结构整体质量。因此，在预制构件出厂前需要对构件拼装面平整度进行检测，常规人工检测精确度和效率较低，而采用智能扫描检测方式因摆放姿态不确定导致测量点数据和构件理论模型无法对应，从而难以计算构件拼装面的制作精度。
[0004]为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，以克服上述缺陷。r/>
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其能克服现有技术的缺陷，解决了任意摆放姿态下构件测量结果和构件理论模型的关联对比，最终实现对任意形状的预制构件空间姿态的反演校正。
[0006]为实现上述目的，本专利技术公开了一种基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其特征在于包含如下步骤：
[0007]步骤一：形成测量面的激光点云数据集Q1，同时将目标扫描构件的扫描边界点数据放入边界点数据集Q0；
[0008]目标扫描构件的一底角点为坐标原点，以扫描龙门水平前进方向为x轴正方向，以激光测距仪扫描竖直向上方向为y轴正方向，以激光测距仪测量值为z轴坐标值，建立xyz坐标系；
[0009]步骤二：将测量面调整到xyz坐标系的xy
‑
平面，先确定当前测量面所在的平面方程，从边界点数据集Q0中选取特征点确定当前测量面所在的平面方程，具体步骤如下：
[0010]步骤2.1：提取不位于同一直线上的三个点作为特征点；
[0011]步骤2.2：根据目标扫描构件的理论模型特点，从边界点数据集Q0中提取坐标原点、x轴上距离原点最远的点、y轴上距离原点最远的点三个点，分别记为点A、B、C；
[0012]步骤2.3：三个特征点的坐标分别是A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)；由三点确定的平面ABC即特征点面的方程为式1：
[0013][0014]步骤三：姿态校正首先将测量面校正到xy
‑
平面，即式2：
[0015]z＝0；2)
[0016]结合步骤二中特征点面的方程，得到特征点面和xy
‑
平面之间的交线L为式3：
[0017]ax+by+d＝0；
ꢀꢀꢀ
3)
[0018]其中：a、b、c为函数常量；
[0019]由特征点面、xy
‑
平面、平面交线L可得到两个平面夹角α；
[0020]其中：平面ABC上取三个特征点中不位于交线L上的任意一点向平面交线L做垂线，垂足为点P
⊥
，以点P
⊥
为垂足，在xy
‑
平面上做平面交线L的垂线，两垂线之间的夹角即为平面夹角α；
[0021]步骤四：将激光点云数据集Q1和边界点数据集Q0中所有测量点校正到xy
‑
平面，校正后平面记为平面ABC
′
；
[0022]步骤五：将平面ABC
′
平移，使左底角点与坐标原点重合；
[0023]步骤六：将平移后的平面ABC
′
沿Z轴方向旋转使目标扫描构件底面与xz
‑
平面重合。
[0024]其中：步骤一中通过扫描龙门带动激光测距仪在水平行走轨道和竖向行走轨道方向上移动，并不断采集激光测距仪测量值，同时搜索目标扫描构件的测量面边界，形成边界点数据集Q0。
[0025]其中：以捕获到的边界点为基础对目标扫描构件的整个测量面进行扫描，形成激光点云数据集Q1。
[0026]其中：步骤四中从激光点云数据集Q1和边界点数据集Q0中依次取测量点数据并记为测量点P
i
，P
i
向交线L做垂线，然后以交线L为旋转轴，以垂足为旋转圆心，以α为旋转角向xy
‑
平面旋转，最终P
i
点旋转到xy
‑
平面上的新点P
i
′
即为P
i
点校正后的位置。
[0027]其中：直至激光点云数据集Q1和边界点数据集Q0中所有的测量点全部完成校正形成校正后的激光点云数据集Q
1_1
和边界点数据集Q
0_1
，校正后的特征点面为平面ABC
′
，且平面ABC
′
已经与xy
‑
平面重合。
[0028]其中：步骤五中取校正后边界点数据集Q
0_1
中两个底角点坐标，分别记为点P
角l
(x
l
，y
l
，z
l
)和P
角r
(x
r
，y
r
，z
r
)，先将左角点P
角l
平移到坐标原点，即x轴平移x
l
、y轴平移y
l
，依此同样将校正后的激光点云数据集Q
1_1
和边界点数据集Q
0_1
中所有点均沿x轴平移x
l
，沿y轴平移y
l
，至此，较正后的测量面已经与理想摆放姿态下的测量面处于同一平面，并且两个测量面的左底角点重合，平移后的激光点云数据集Q
1_1
和边界点数据集Q
0_1
分别记为Q
1_2
和Q
0_2
。
[0029]其中：步骤六中包含：计算目标扫描构件测量面上底部触地点所在直线与水平摆放时对应直线的夹角β：
[0030]通过式4计算两底角点所在直线相对于x轴的斜率K1：
[0031][0032]目标扫描构件理想摆放时两个底角点所在直线相对于x轴的斜率K2＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其特征在于包含如下步骤：步骤一：形成测量面的激光点云数据集Q1，同时将目标扫描构件的扫描边界点数据放入边界点数据集Q0；目标扫描构件的一底角点为坐标原点，以扫描龙门水平前进方向为x轴正方向，以激光测距仪扫描竖直向上方向为y轴正方向，以激光测距仪测量值为z轴坐标值，建立xyz坐标系；步骤二：将测量面调整到xyz坐标系的xy
‑
平面，先确定当前测量面所在的平面方程，从边界点数据集Q0中选取特征点确定当前测量面所在的平面方程，具体步骤如下：步骤2.1：提取不位于同一直线上的三个点作为特征点；步骤2.2：根据目标扫描构件的理论模型特点，从边界点数据集Q0中提取坐标原点、x轴上距离原点最远的点、y轴上距离原点最远的点三个点，分别记为点A、B、C；步骤2.3：三个特征点的坐标分别是A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)；由三点确定的平面ABC即特征点面的方程为式1：步骤三：将测量面校正到xy
‑
平面，即式2：z＝0；
ꢀꢀ
2)结合步骤二中特征点面的方程，得到特征点面和xy
‑
平面之间的交线L为式3：ax+by+d＝0；
ꢀꢀꢀ
3)其中：a、b、c为函数常量；由特征点面、xy
‑
平面、平面交线L可得到两个平面夹角α；其中：平面ABC上取三个特征点中不位于交线L上的任意一点向平面交线L做垂线，垂足为点P
⊥
，以点P
⊥
为垂足，在xy
‑
平面上做平面交线L的垂线，两垂线之间的夹角即为平面夹角α；步骤四：将激光点云数据集Q1和边界点数据集Q0中所有测量点校正到xy
‑
平面，校正后平面记为平面ABC
′
；步骤五：将平面ABC
′
平移，使左底角点与坐标原点重合；步骤六：将平移后的平面ABC
′
沿Z轴方向旋转使目标扫描构件底面与xz
‑
平面重合。2.如权利要求1所述的基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其特征在于：：步骤一中通过扫描龙门带动激光测距仪在水平行走轨道和竖向行走轨道方向上移动，并不断采集激光测距仪测量值，同时搜索目标扫描构件的测量面边界，形成边界点数据集Q0。3.如权利要求1所述的基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其特征在于：：以捕获到的边界点为基础对目标扫描构件的整个测量面进行扫描，形成激光点云数据集Q1。4.如权利要求1所述的基于激光扫描点云的预制装配构件空间姿态反演校正算法，其特征在于：：步骤四中从激光点云数据集Q1和边界点数据集Q0中依次取测量点数据并记为测
量点P
i
，P
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秀仁，林放，廖翌棋，黄美群，李天升，彭智勇，
申请(专利权)人：北京城建设计发展集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：