[發明專利]一種適用于復雜層間模塊的整體匹配對接方法

在審

• 申請號: 202011464208.0
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112529905A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 蔣晗;章青;邵鵬松;姚旭;張子波
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06T7/10
• 分類號: G06T7/10;G06T7/33;G06K9/62
• 代理公司: 暫無信息
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1.本發明的一種適用于復雜層間模塊的整體匹配對接方法，其特征在于包括如下步驟：

本發明的一種適用于復雜層間模塊的整體匹配對接方法，包括以下步驟：

步驟一、處理兩個層間模塊的圖像，具體步驟為：

第一步，采用點云相機拍攝兩個待對接整體鋼結構模塊圖像，其中一個鋼結構模塊為底層模塊，位置固定，記作固定底層模塊，另一個層間模塊可移動，記作可移動層間模塊，所述的固定底層模塊與可移動層間模塊上部分為一長方體平臺結構，下側分別垂直焊接有n個立柱。所述的可移動層間模塊需調節位置使得可移動層間模塊的立柱底層端面與固定底層模塊上層平臺平面達到兩層各對接結構重心偏移量整體最小設置。

第二步，將固定底層模塊和可移動層間模塊的點云圖像分別導入計算機并采用PCL點云庫進行文件格式轉換與降噪處理得到兩個層間模塊的點云數據；

第三步，在Matlab圖像處理模塊里建立O-XYZ三維空間坐標系，建立準則為原點O為固定底層模塊平臺平面中心，XOY平面平行于固定底層模塊的平面平臺結構目標對接端面，Z軸垂直于XOY平面；

第四步，將可移動層間模塊在Matlab圖像處理模塊里進行三維移動，使可移動層間模塊的立柱待對接端面與固定底層模塊的目標對接端面重合，并記錄此時可移動層間模塊在O-XYZ三維空間坐標系的初始位置；

步驟二、在Matlab圖像處理模塊里對兩層間模塊的各立柱點云分別進行點云段的截取(截取長度約為對接立柱高度的十分之一并包含立柱下端面)，由固定底層模塊中截取的所有立柱段點云的集合記作固定模塊點集，由可移動層間模塊中截取的所有立柱段點云的集合記作可移動模塊點集；

步驟三、依次對固定模塊點集與可移動模塊點集進行各立柱進行重心點的提取并進行二維投影，分別記為固定模塊重心點集M_i(x_i,y_i,0)與可移動模塊重心點集N_i(x_j,y_j,0)(i、j＝1,2,…,n)：

第一步，對固定模塊點集與可移動模塊點集中的所有立柱點云段進行區域生長的聚類分割，提取出各立柱的下端面點云；

第二步，計算所有立柱待對接端面在XOY平面的投影重心點，記作(x_avei,y_avei,0)，其中：

式中，x_si、y_si分別為立柱i(i＝1,2,...,n)第s(s＝1,2,...,m_i)個點的x、y坐標值，m_i為立柱i(i＝1,2,...,n)該對接立柱總點數；

第三步，將固定模塊點集中n個立柱對接端面計算出的重心點集記為固定模塊重心點集M_i(x_i,y_i,0)，將可移動模塊點集中n個立柱待對接端面計算出的重心點集記為可移動模塊重心點集N_i(x_j,y_j,0)(i、j＝1,2,…,n)；

步驟四、使用ICP配準算法計算層間立柱模塊整體變換矩陣，其中平移矩陣為T，旋轉矩陣為R，最優變換矩陣滿足下式：

其中f(R,T)為變換后可移動模塊重心點集與固定模塊重心點集的平方誤差函數，變換矩陣具體計算推導過程如下：

第一步，將點集M_i(x_i,y_i,0)與N_i(x_j,y_j,0)(i、j＝1,2,…,n)的每個二維投影重心點去重心化并表示為矩陣，具體運算如下：

M'＝[M'₁,M'₂,...,M'_n]^T

N'＝[N'₁,N'₂,...,N'_n]^T

式中M'_i和N'_i分別為去重心化后的固定模塊重心點集和可移動模塊重心點集，M'和N'分別為由去重心化后的固定模塊重心點集和可移動模塊重心點集構成的矩陣；

第二步，求解變換過程中的最優旋轉矩陣R，令

Q＝N'^TM'

并對矩陣Q進行奇異值分解如下：

Q＝U∑V^T

式中U為矩陣Q奇異值分解后的左特征向量，∑為分解后的特征值對角矩陣，V為分解后的右特征向量，依據基于正交Procrustes分析的直接解法可得從N'至M'的旋轉矩陣為

R＝VU^T

第三步，求解變換過程中的最優平移矩陣矩陣T，計算過程如下：

步驟四、進行實地吊裝，首先將可移動層間模塊吊裝至步驟一初始位置，再依據步驟三計算所得變換矩陣進行實地吊裝即可保證吊裝后整體匹配最優，各待對接結構的總體重心誤差最小。