[發明專利]基于二維激光雷達的車廂容器的三維掃描系統測量方法

在審

• 申請號: 201911403949.5
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111043963A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 樊璇;陳建;劉志恒;李龍;高云峰;曹雛清
• 申請（專利權）人: 蕪湖哈特機器人產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/24
• 代理公司: 安徽省蚌埠博源專利商標事務所 34113
• 代理人: 胡建豪

1.一種基于二維激光雷達的車廂容器的三維掃描系統測量方法，其特征在于，包括以下測量步驟：

步驟一：建立對車廂容器的三維掃描系統，所述三維掃描系統包括有主控制器(1)、上位工控機(2)、標定物(3)、帶動桁架機器人行走梁縱向運動的運動軸(4)、二維激光雷達(5)和桁架機器人(6)，將運動軸(4)、二維激光雷達(5)和桁架機器人(6)按照在所述支架上，支架的底部放置有標定物(3)，所述支架的旁邊放置有主控制器(1)和上位工控機(2)；

步驟二：選用標定物，并將標定物放在二維激光雷達正下方的地面上，然后再將標定頭法蘭安裝在桁架機器人末端機械手部位，保持標定頭整體呈垂直狀態，以保證標定頭頂尖垂直指向地面，然后根據三維掃描系統的標定方法，對桁架機器人和二維激光雷達視覺坐標系進行標定，測得桁架機器人坐標系與二維激光雷達視覺坐標系之間的齊次變換矩陣；

步驟三：上位工控機同時與主控制器和二維激光雷達建立數據通信，固定安裝在桁架機器人行走梁上的二維激光雷達跟隨桁架機器人行走梁的運動而沿著車輛的車廂縱向進行掃描，通過上位工控機的精密定時器，在每一定時節點，同時獲取二維激光雷達和主控制器的通信信息，掃描結束后，分別保存掃描數據；

步驟四：二維激光雷達所獲取的數據信息為一個扇形區域內的距離數據，根據二維激光雷達的角分辨率及掃描初始角度，根據公式：

計算每條輪廓面中點云的Y2、Z2坐標值，將坐標系轉換為坐標系O₂X₂Y₂Z₂的坐標系數據值；

步驟五：整合計算后，在二維激光雷達視覺坐標系中的Y2和Z2值，得到在坐標系O₂X₂Y₂Z₂中原始三維無序點云數據，并根據標定所得的齊次變換矩陣，將整體三維無序點云數據轉換到桁架機器人坐標系O₁X₁Y₁Z₁中，由此得到在桁架機器人坐標系下的三維無序點云數據模型。

2.根據權利要求1所述的基于二維激光雷達的車廂容器的三維掃描系統測量方法，其特征在于：在步驟二中，三維掃描系統的標定方法包括以下步驟：

步驟一：建立標定物的原始三維無序點云數據模型；

步驟二：選用標定物，并將標定物放在二維激光雷達正下方的地面上，然后再將標定頭法蘭安裝在桁架機器人末端機械手部位，保持標定頭整體呈垂直狀態，以保證標定頭頂尖垂直指向地面；

步驟三：根據二維激光雷達和桁架機器人的各運動軸設定情況，建立OXYZ二維激光雷達視覺坐標系以及O₁X₁Y₁Z₁桁架機器人坐標系；

步驟四：根據實際環境，將標定物依次在桁架機器人的正下方擺放，通過主控制器帶動桁架機器人對標定物進行掃描，獲取標定物的三維無序點云數據，根據該三維掃描系統點云處理方法，依次獲取標定物的四個角點P1-P4在視覺坐標系中的坐標位置；

步驟五：通過主控制器控制桁架機器人多個運動軸的水平及垂直運動，將標定頭頂尖靠近標定物的四個角點P1-P4，并依次記錄其對應點在桁架機器人坐標系中的坐標位置；

步驟六：根據步驟四和五，每次掃描數據可獲得在視覺坐標系及桁架機器人坐標系中的四對對應位置點數據，并通過多次重新擺放標定物的位置，來獲取一定數量的兩坐標系中對應位置點數；

步驟七：對于獲取后的兩組位置數據，采用迭代最近點算法ICP，將對應數據點位置坐標間歐式距離表示為：

利用最小二乘法求解最優解使：

E最小時的R和T旋轉和平移矩陣，

根據旋轉和平移矩陣，建立視覺坐標系和桁架機器人坐標系間的齊次變換矩陣：

3.根據權利要求2所述的基于二維激光雷達的車廂容器的三維掃描系統測量方法，其特征在于：由主控制器控制縱向運動軸沿著桁架機器人縱向沿掃描方向運動，上位工控機同時與主控制器和二維激光雷達進行數據交互，確保數據交互的實時性與準確性，待二維激光雷達掃描完成，對主控制器和二維激光雷達的數據進行整合，隨之建立標定物的原始三維無序點云數據模型。