【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及管道拼接領域，具體涉及一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法。
技術介紹
1、目前，管道鋪設尤其是隧道內管道的安裝施工過程中，需要將多個管段進行拼接，傳統的隧道內管道拼接作業中依賴于人工測量和調整，存在自動化程度低、效率低下和精度不足等問題。
技術實現思路
1、針對現有技術的缺陷，本專利技術提供一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法。
2、為了達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案是：一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，包括如下步驟：
3、s1、點云數據采集：利用安裝在管道運載車前端的固態激光雷達實時采集管道和隧洞的三維點云數據，并對采集的三維點云數據進行降噪處理；
4、s2、管道特征信息提取：基于降噪后的管道和隧洞的三維點云數據，設計管道識別和特征提取算法，完成車載管道中軸線和已鋪設管道中軸線的擬合；
5、s3、管道位姿調整：基于提取的管道特征信息，計算車載管道與已鋪設管道間的位姿變換矩陣，并發送管道姿態調整指令到管道運載車的控制單元，對車載管道進行姿態調整，以實現車載管道中軸線與已鋪設管道中軸線重合，使其滿足拼接精度要求。
6、作為優選的方案，步驟s1包括以下子步驟：
7、s11、數據采集：將固態激光雷達安裝在管道運載車的前端，其拍攝角度沿管道運載車的前進方向并傾斜向上，雷達系統高頻率發射激光脈沖，并接收由周圍環境反射回來的激光信號，通過測量光脈沖的往返時間，雷達能夠精確計算
8、s12、直通濾波降噪：對于固態激光雷達采集的每一幀點云數據，使用直通濾波算法剔除不屬于管道和隧洞的點云數據，保留各個維度限定范圍內的點云數據，計算公式如下：
9、
10、其中，、、分別為 x、 y、 z方向的限定閾值；
11、s13、離群點剔除：使用統計濾波算法對點云數據中的離群點進行剔除。
12、作為優選的方案，步驟s13包括以下步驟：
13、計算點云數據中的每個點和其周圍鄰域點集的平均距離；
14、基于所有點的平均距離構建高斯分布，高斯分布的均值和標準差計算公式如下：
15、
16、其中，n是鄰域點集的總點數；
17、將所有平均距離大于的點視為離群點，并從原始點云數據中剔除，其中，為設定的正數閾值系數。
18、作為優選的方案，步驟s2具體包括以下步驟：
19、s21、點云分割：采集到的管道和隧洞點云包括車載管道點云、隧洞點云和已鋪設管道點云，對采集到的管道和隧洞點云進行點云分割，具體包括如下步驟：
20、s211、計算管道和隧洞點云中各個點之間的歐氏距離，并利用歐式聚類算法將原始管道和隧洞點云劃分為多個點云集合，每個點云集合需滿足設置的最小點數要求；
21、s212、當管道運載車尚未達到管道拼接工作區域時，固態激光雷達會采集到車載管道點云和隧洞點云，通過歐式聚類算法產生兩個聚類點云，分別計算這兩個聚類點云的質心，將距離固態激光雷達最近和次近距離的點云分別指定為車載管道點云和隧洞點云；
22、s213、當管道運載車到達管道拼接的工作區域時，固態激光雷達采集到車載管道點云、隧洞點云、以及已鋪設管道點云，通過歐式聚類算法產生三個聚類點云，將距離固態激光雷達最近距離的點云指定為車載管道點云，將距離車載管道點云質心最近和次近的點云分別指定為隧洞點云和已鋪設管道點云；
23、s22、管道中軸線的粗提取：通過ransac圓柱擬合算法分別對車載管道中軸線和已鋪設管道中軸線進行粗提取，具體包括以下步驟：利用ransac圓柱擬合算法對管道點云進行圓柱面擬合，所述管道點云為步驟s213獲取的車載管道點云或已鋪設管道點云，利用ransac圓柱擬合算法對管道點云進行圓柱面擬合，圓柱面公式表示為：
24、
25、其中，表示圓柱面上的一點，表示圓柱軸心上的一點，表示圓柱軸心的方向向量，表示圓柱半徑，ransac圓柱擬合算法擬合圓柱面具體包括以下步驟：
26、s221、從管道點云中，每次隨機抽取三個空間點確定一個圓柱面模型，求解該圓柱面的中心軸線方向和半徑；
27、s222、計算剩余點集到圓柱面的距離，并根據預設的距離閾值求解屬于該圓柱面模型的內點集合；
28、s223、多次迭代上述過程，不斷優化選取的內點集合和圓柱面模型，最終確定內點數最多的擬合圓柱為最優擬合模型，即可完成管道點云圓柱面的擬合及其中軸線的粗提取；
29、s23、管道中軸線的精確提取：對步驟s22提取的車載管道中軸線進行校正，具體包括以下步驟：
30、s231、沿步驟s22所提取的車載管道中軸線方向，等間隔對車載管道點云進行切片處理，切片平面與車載中軸線垂直，對于任一切平面，計算車載管道點云距離該切平面的距離，并將小于設定距離閾值的點集指定為該切平面內點，并將切平面內點投影至該切平面上；
31、s232、對于每個切平面上的投影點云，利用最小二乘法將二維投影離散點集擬合為橢圓曲線，擬合方程為：
32、
33、其中，、分別表示橢圓的長、短半軸，表示橢圓中心坐標；
34、s233、求解步驟s232中所計算的各切面橢圓質心在和方向的平均值，表示為；
35、s234、將步驟s22提取的車載管道中軸線沿其垂面方向以偏移向量進行移動，從而完成車載管道中軸線的精確提取；
36、然后，對步驟s22提取的已鋪設管道中軸線采用與上述步驟s231-?s234相同的步驟進行校正，以完成已鋪設管道中軸線的精確提取；
37、s24、管道端面的位置提取：步驟s213獲取的車載管道點云包括車載管道的端面點云信息，已鋪設管道點云包括已鋪設管道的端面點云信息，根據車載管道的端面點云信息和已鋪設管道的端面點云信息，提取車載管道端面和已鋪設管道端面的位置，具體包括以下步驟：對于車載管道或已鋪設管道，其管道端面點云位于所采集點云的邊界，通過點云邊界提取算法進行邊界點云的提取，基于步驟s1提取的邊界點云，使用ransac平面擬合算法完成管道端面的擬合，求解出管道端面的空間位置參數。
38、作為優選的方案，步驟s3具體包括以下步驟：
39、s31、旋轉矩陣計算：根據步驟s2提取的車載管道中軸線姿態、車載管道端面空間位置參數、已鋪設管道中軸線姿態、已鋪設管道端面空間位置參數，計算車載管道與已鋪設管道之間的位姿變換矩陣，位姿變換矩陣表示，包括旋轉矩陣和平移矩陣的計算；設某一時刻，對于車載管道和已鋪設管道，車載管道中軸線和已鋪設管道中軸線分別表示和，其中，和表示和的方向向量，計算和之間的夾角，計算公式如下：本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，步驟S1包括以下子步驟：
3.根據權利要求2所述的一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，步驟S13包括以下步驟：
4.根據權利要求3所述的一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，步驟S2具體包括以下步驟：
5.根據權利要求1所述的一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，步驟S3具體包括以下步驟：
【技術特征摘要】
1.一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特征在于，步驟s1包括以下子步驟：
3.根據權利要求2所述的一種基于激光雷達視覺輔助的管道拼接方法，其特...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李彬，郝琳博，上官林建，盧艷陽，劉廣宏，
申請(專利權)人：洛陽理工學院，
類型：發明
國別省市：
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