基于机器人的管道内壁三维重建技术研究

该文主要研究根据排水管道的二维激光扫描信息重建其三维内壁图像的技术与应用。提出了携带二维激光扫描仪的管道机器人对管道内壁进行数据采集及处理的方案;探讨管道内壁的三维数据重建算法,即利用机器人在管道中相对于水平面的二维倾角信息和管道内壁点云的圆柱形几何特征来计算机器人在管道中的姿态,进而得到机器人坐标系相对于全局坐标系的变换矩阵,把不同视点的点云转换到统一的全局坐标系中,对点云进行匹配。实验验证了该文提出的管道三维重建算法的可行性,对于检测管道内部工况具有重要的理论与应用价值。     

潜入式微细管道机器人的全程定位方法

提出一种潜入式微细管道机器人的全程定位方法,设计了基于PSD位置敏感原理的曲率传感器及其检测系统.结合机器人移动参数及检测的初始条件,运用管道机器人全程定位算法在全局坐标中描述了管道机器人的空间位置.     

基于ASODVS的全景相机运动估计及管网3D重构技术

针对地下管网的空间三维测量、三维形貌重构难等问题,提出了一种基于主动式全方位视觉传感器(ASODVS)的相机运动估计及管网3D重构解决方案。通过携带有ASODVS的管道机器人进入管道内部,实时获取管道内壁纹理全景图像和全景激光扫描图像;首先对全景激光扫描图像处理解析出投射在管道内壁上的激光中心点,通过计算得到管道横截面的点云数据;另一方面,对全景纹理图像进行处理,首先利用快速鲁棒性特征(SURF)算法快速提取特征点并进行匹配,然后采用随机抽样一致性(RANSAC)算法去除误匹配点,接着利用全景相机的极几何原理估计相机运动位姿,并利用光束法平差(BA)进行优化,最后利用相机运动位姿将相机坐标系下的点云坐标实时转换到世界坐标系下,完成对地下管网的三维重构。实验结果表明,所提出的方案能够精确估计相机运动位姿,实时对管道内部进行三维重构,实现了管道检测机器人边行走、边采集数据、边检测分析处理、边三维建模的设计目标。     

基于激光测距传感器的机器人末端定位扫描装置设计

为实现变截面复杂管道内壁喷涂机器人的定位、喷涂目标模型重建和喷涂轨迹规划功能,设计了末端激光定位扫描装置,描述了该装置传感器的选型、扫描头机构设计和相应的数学模型,并着重阐述了喷涂管道内截面自动扫描的流程以及测量路径规划算法的实现。实验证明,该设计实现了一类超常规尺寸喷涂目标在喷涂机器人坐标系中的数模重建功能,解决了逐点示教无法完成复杂内表面喷涂轨迹规划的问题。     

空间曲线形微细管孔检测系统设计

提出了一种针对于微细管道的检测系统的设计方案。介绍了由上位机,下位机和现场设备组成的空间曲线形微细管孔检测系统。分别讨论了构成这种检测系统的微机器人驱动机构,曲率传感器单元,位移检测器单元,数据采集、转换、调理的实现方法。     

基于立体视觉的大尺寸工业测量系统

针对工业制造领域普遍存在的大型物体全尺寸测量难题,提出并实现了一种基于立体视觉技术的便携式工业测量系统。该系统采用多个CCD视觉传感器,获取被测物体的多视图像序列,通过前方交会由二维像点坐标计算物体表面点的三维坐标。全局关键点测量由多目立体视觉系统完成,使用CCD相机从多个位置和方向拍摄物体,获得多目视差照片,由测量软件二维处理并完成三维重建。局部区域密集点云的测量由双目立体觉系统完成,左右两相机同步拍摄由投影机投向物体表面的编码条纹,测量软件自动进行立体匹配和三维重建后获得物体表面局部的密集点云。最后测量软件根据局部的关键点完成密集点云的坐标系转换。实验表明,该系统的测量精度达到0.1mm/3m,可以满足工业现场大尺寸测量对精度和效率的要求。     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

基于主动式全景视觉的管道内部缺陷检测方法

针对管道内表面检测空间受限的约束以及同时需要检测管道内壁功能性缺陷和结构性缺陷等需求,基于主动式全景视觉检测原理提出了一种既能视觉检测管道横截面几何尺寸又能获取和分析管道内壁表面缺陷的管道内部全方位视觉检测方法。利用携带有主动式全景视觉传感器的爬行机器人进入管道内部,分别实时获取内壁全景图像及激光横断面扫描全景图像。本文重点介绍基于管道内壁全景图像的缺陷检测方法,对管道内壁全景图像进行展开、预处理并提取管道病害区域的几何特征,最后判定缺陷类别及危害程度。经本文方法获取的缺陷几何特征实验数据验证,管道内表面存在的较为普遍的裂缝、腐蚀缺陷几何特征差异明显：腐蚀缺陷的圆形度较大,而裂缝缺陷的圆形度趋于0;腐蚀缺陷的凸度普遍大于裂缝缺陷;裂缝缺陷由于弯曲程度不同其边界离心率变化率大,而腐蚀缺陷的边界离心率趋于1。实验结果表明：该系统能够有效提取疑似缺陷区域并计算各几何特征,可通过合适的阈值判定其所属类别,为管道内表面缺陷检测提供了一种新的手段。     

复杂曲面测量机器人运动学分析及测量路径规划研究

以往的机器人测量系统基本上都是通过手眼标定来提高系统的精度,受各方面的影响因素较大,提出一种利用IGPS来实时获取工业机器人末端测量传感器在全局坐标系下的位置,通过轨迹规划技术保证测量轨迹时刻和被测工件表面法向相一致,为复杂零件的深孔形貌测量及基于全局位置的点云拼接奠定了基础。分析了测量机器人的运动学关系,通过仿真和实验验证了轨迹规划的正确性。     

基于主动式全景视觉传感器的管道内部缺陷检测方法

针对管道内表面检测空间受限的约束以及同时需要检测管道内壁功能性缺陷和结构性缺陷等需求,基于主动式全景视觉检测原理提出了一种既能视觉检测管道横截面几何尺寸又能获取和分析管道内壁表面缺陷的管道内部全方位视觉检测方法。利用携带有主动式全景视觉传感器的爬行机器人进入管道内部,分别实时获取内壁全景图像及激光横断面扫描全景图像。本文重点介绍基于管道内壁全景图像的缺陷检测方法,对管道内壁全景图像进行展开、预处理并提取管道病害区域的几何特征,最后判定缺陷类别及危害程度。经本文方法获取的缺陷几何特征实验数据验证,管道内表面存在的较为普遍的裂缝、腐蚀缺陷几何特征差异明显:腐蚀缺陷的圆形度较大,而裂缝缺陷的圆形度趋于0;腐蚀缺陷的凸度普遍大于裂缝缺陷;裂缝缺陷由于弯曲程度不同其边界离心率变化率大,而腐蚀缺陷的边界离心率趋于1。实验结果表明:该系统能够有效提取疑似缺陷区域并计算各几何特征,可通过合适的阈值判定其所属类别,为管道内表面缺陷检测提供了一种新的手段。     

MICRO-ROBOT FOR MEASUREMENT AND THREE-DIMENSION RECONSTRUCTION OF MICROPIPES

0 INTRODUCTIONPipes or hollow bodies in petrolic industry, natural gas indus-try, chemical industry, energy sources, nuclear energy industry,automobile and aeronautic industry etc, are charged with liquidtransmission. Especially for the liquid in high pre…     

一种基于机器人的曲面测量、建模和加工方法

提出了一种基于机器人的卷曲类自由曲面的测最、建模和加T路径生成方法.本文采用结构光测量方法设计了一种基于机器人的自动测量系统,实现了自由曲面零件的表面测量.根据测量数据和零件的形状特点提出了一种新的建模方法,该方法首先采用提出的截面法直接提取点云的边界,然后利用射线与局部拟合曲面的交点获得有序的精整数据点,实现了NURBS曲面的精确拟合.最后,对重构的自由曲面采用等参数线法生成了加工路径.实际的算例和应用验证了本文方法的有效性和精确性.     

表面视觉传感器模型参数的简易标定方法

建立了基于多线结构光的表面视觉传感器的数学模型,提出了一种基于自由移动平面标定参照物的表面视觉传感器模型参数的简易标定方法。在自由移动的平面参照物上建立局部世界坐标系,将通过交比不变方法获得的各个光平面上特征点的局部世界坐标,变换到摄像机坐标系,从而获得已知三维的标定特征点。利用构建的位于不同光平面上标定特征点,可以实现工作状态的表面视觉传感器模型参数的优化估计。该标定方法降低了标定设备的成本,简化了标定过程,为表面视觉传感器的工程化应用奠定了基础。试验结果表明,该方法切实可行。     

大型自由曲面移动式三维视觉测量系统

本文介绍了一种移动式三维视觉测量系统，用于大型物体自由曲面的测量。传感器采用双目立体视觉方式，并结合编码结构光技术，使匹配过程简化。传感器移动到大型物体周围对各局部区域进行测量。采用一个平面靶标作为中介，建立了传感器位姿变换矩阵的优化目标函数，根据靶标上多个特征点求解出该矩阵，即拼接矩阵。传感器在各个位置所测三维数据通过拼接矩阵统一到全局坐标系下。视觉测量系统在2个位置对维纳斯石膏像进行了测量，并进行拼接。结果表明，该测量系统操作简单，适用范围广；x、y、z坐标拼接RMS误差分别为0．038mm、0．022mm和0．135mm。     

形貌视觉测量中立体拼接靶标的设计及应用

设计了一种正六棱柱形状的立体拼接靶标,以靶标侧面6个棋盘格的角点作为全局控制点。基于近景摄影测量技术,建立立体靶标的6个单元模型,通过计算模型内摄站间的相对位姿,推导出棋盘格角点在所属单元模型的局部坐标。以公共棋盘格为中介,确立相邻单元模型的坐标系转换关系。建立靶标的全局坐标系于1号棋盘格,推导该棋盘格平面与其像平面间的单应性矩阵,从而确立全局坐标系和1号棋盘格所处单元模型的坐标系的转换关系。依次递推实现全局坐标系和每个单元模型坐标系的转换,进而计算出全部靶标角点的全局坐标,再经光束平差算法获取精确值。以玻璃表面棋盘格的角点间距作为评价指标,拼接精度优于0.15 mm/m。基于立体拼接靶标的拼接试验表明,实体模型表面4个子区域的局部点云可被精确地拼接成整体点云。与基于全局控制点和平面靶标的拼接方法相比,本方法亦具有更高的拼接精度。     

基于点线特征的通风管道建模与管内定位方法

为解决在通风管道环境下场景构型单一、传统视觉特征点稀疏的问题,利用前后两个单目相机和左右两个线阵激光雷 达作为主要传感设备,提出一种基于点线特征的管道建模与管内定位方法。 首先,利用 LaneNet 网络和改进的随机抽样一致算 法提取四条管壁边线特征,再利用图像中的几何和空间约束筛选局部直线分割算法的检测结果,得到管道连接处的两条竖直线 特征。 接着利用线阵激光雷达计算管道宽度和机器人偏航角,恢复了管道连接处线特征的深度信息并求解得到管道高度。 最 后建立管道地图坐标系并推算机器人的二维坐标位置和管道长度。 实验结果表明,定位的相对误差在 9. 8 cm 以内,管道建模 的相对误差在 2. 9 cm 以内,能够满足机器人在管道内巡检作业时的建模与定位需求。     

用于结构光视觉传感器标定的特征点获取方法

提出了一种基于共面参照物自由移动来获取结构光视觉传感器标定特征点的新方法。该方法通过以摄像机三维坐标系为中介,将多个局部世界坐标系下的标定特征点统一到全局世界坐标系中,得到位于光平面上的非共线标定特征点的三维世界坐标。该方法降低了标定设备的成本,简化了结构光视觉传感器的标定过程,从而提高了结构光视觉传感器工程化应用的便捷性。实验表明,该方法切实可行