本發(fā)明涉及一種車斗形容器三維掃描系統(tǒng)及其標(biāo)定方法，尤其涉及一種基于二維激光雷達(dá)的車斗形容器三維掃描系統(tǒng)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)具有測距速度快、精度高、獲取的測量信息直觀等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航空和民用等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，激光雷達(dá)主要分為二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá)兩種。二維激光雷達(dá)只能在單一掃描平面上得到距離和角度信息，以極坐標(biāo)的形式進(jìn)行保存，而且把得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過后期處理還原成的圖像也只是被掃描物體在激光雷達(dá)掃描平面上的二維輪廓圖。而三維激光雷達(dá)可以在二維掃描的同時(shí)還能轉(zhuǎn)動掃面平面，這樣便可以直接掃描得到空間點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)信息，并能更直觀的反映被掃描物體的外形特征，因此在一些導(dǎo)航、工程測量等重要的領(lǐng)域具有更大應(yīng)用價(jià)值，但價(jià)格昂貴。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，車斗形容器非常常見，尤其在物料運(yùn)輸過程中的裝車環(huán)節(jié)。目前，人們在裝車環(huán)節(jié)中對車斗的外形尺寸的獲取還主要依靠人工的直接測量，這樣不僅測量誤差較大，而且在一些環(huán)境惡劣的情況下，對工作人員的身體健康危害也極大。為解決這些問題，解放勞動力，我們可以直接選用三維激光雷達(dá)對車斗進(jìn)行掃描，然后對掃描數(shù)據(jù)直接提取出車斗的外形輪廓的尺寸信息。但是三維激光雷達(dá)價(jià)格昂貴，在普通的民用企業(yè)的裝車環(huán)節(jié)中使用并不現(xiàn)實(shí)。因此，發(fā)明一種廉價(jià)、簡單的車斗形容器三維掃描系統(tǒng)對于民用工業(yè)應(yīng)用具有非常強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。而對車斗形容器外形尺寸進(jìn)行測量首先需要對標(biāo)定件進(jìn)行標(biāo)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上目的，本發(fā)明提出一種基于二維激光雷達(dá)的車斗形容器三維掃描系統(tǒng)標(biāo)定方法。

所述方法包括如下步驟：

1、首先建立對車斗形容器外形尺寸的三維掃描系統(tǒng)，所述系統(tǒng)安裝在被掃描車斗形容器的正上方，通過旋轉(zhuǎn)二維激光雷達(dá)的掃面平面，完成對車斗形容器的掃描，實(shí)現(xiàn)三維掃描，所述系統(tǒng)所采用的硬件包括：二維激光雷達(dá)1，旋轉(zhuǎn)工作臺2，電機(jī)3，支架4，裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5和標(biāo)定件6，二維激光雷達(dá)1掃描平面位于激光雷達(dá)的前端，垂直于激光雷達(dá)側(cè)面。二維激光雷達(dá)1安裝到旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面上，電機(jī)3安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺2的側(cè)面，帶動旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面在水平面上完成旋轉(zhuǎn)動作，進(jìn)而帶動安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺2臺面上的二維激光雷達(dá)1轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)工作臺2的上端安裝在支架4上，而支架4安裝到距離地面有一定高度的某一固定位置，并保證旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面與地面平行，裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5放置在二維激光雷達(dá)1的掃描范圍外，二維激光雷達(dá)1和電機(jī)3分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5連接到一起，標(biāo)定件6是內(nèi)部為中空三棱柱的長方體，標(biāo)定件6放在二維激光雷達(dá)1正下方的地面上。

2、將支架4安裝到距離地面有一定高度的某一固定位置，使旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面與地平面盡量保持平行。并將標(biāo)定件6放置于選轉(zhuǎn)工作臺正下方的地平面上?？刂贫S激光雷達(dá)1，對該位置下的標(biāo)定件6掃描一次，保存掃描數(shù)據(jù)。

3、對上步掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用最小二乘法擬合出二維激光雷達(dá)1的掃描平面與標(biāo)定件6所交各線段的直線方程。

4、利用上步求得的相應(yīng)直線方程進(jìn)行兩兩組合求解，求出交點(diǎn)坐標(biāo)，即為二維激光雷達(dá)1的掃描平面與標(biāo)定件6棱邊的交點(diǎn)坐標(biāo)，由此可得到任意兩交點(diǎn)之間的距離，并根據(jù)所求得的距離與標(biāo)定件6高度的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出繞y坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角β。

5、將二維激光雷達(dá)1旋轉(zhuǎn)180度，對標(biāo)定件6掃描第二次，對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行同上的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)兩次掃描所求得的掃面平面與棱邊交點(diǎn)之間的距離及其幾何關(guān)系可以計(jì)算求得旋轉(zhuǎn)圓半徑R。

6、由于標(biāo)定件6中空，兩次掃描必然掃到了地平面，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用最小二乘法擬合出二維激光雷達(dá)1的掃描平面與底面交線的直線方程，根據(jù)直線方程的斜率，計(jì)算出繞x軸的旋轉(zhuǎn)角γ。

7、將二維激光雷達(dá)1逆向旋轉(zhuǎn)180度，回到起始位置。

8、將計(jì)算得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)，帶入到坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的平移和旋轉(zhuǎn)矩陣中，由此完成該系統(tǒng)的標(biāo)定。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明方法的三維掃描系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明方法的測量坐標(biāo)系關(guān)系圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明方法的第一次掃描示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明方法的第二次掃描示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明方法的底面投影示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明方法的整體結(jié)構(gòu)右側(cè)投影示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖1-6對本發(fā)明做具體描述。

建立如圖1所示的三維掃描系統(tǒng)。

所述系統(tǒng)安裝在被掃描車斗形容器的正上方，通過旋轉(zhuǎn)二維激光雷達(dá)1的掃面平面，完成對車斗形容器的掃描，實(shí)現(xiàn)三維掃描，所述系統(tǒng)所采用的硬件包括：二維激光雷達(dá)1，旋轉(zhuǎn)工作臺2，電機(jī)3，支架4，裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5和標(biāo)定件6，二維激光雷達(dá)1掃描平面位于激光雷達(dá)的前端，垂直于激光雷達(dá)側(cè)面。二維激光雷達(dá)1安裝到旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面上，電機(jī)3安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺2的側(cè)面，帶動旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面在水平面上完成旋轉(zhuǎn)動作，進(jìn)而帶動安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺2臺面上的二維激光雷達(dá)1轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)工作臺2的上端安裝在支架4上，而支架4安裝到距離地面有一定高度的某一固定位置，并保證旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面與地面平行，裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5放置在二維激光雷達(dá)1的掃描范圍外，二維激光雷達(dá)1和電機(jī)3分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5連接到一起，標(biāo)定件6是內(nèi)部為中空三棱柱的長方體，標(biāo)定件6放在二維激光雷達(dá)1正下方的地面上。

建立如圖2所示的兩個坐標(biāo)系：（1）旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系o-xyz；（2）激光雷達(dá)坐標(biāo)系o₁-x₁y₁z₁。其中，旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系的原點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)工作臺2的旋轉(zhuǎn)中心，z軸正方向垂直于地面向下，當(dāng)面對二維激光雷達(dá)1初始位置的頂端站立時(shí)，y軸正方向平行于地平面向左，x軸方向由右手定則判斷。由于在工作過程中，旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系固定不動，因此可以將旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系定義為世界坐標(biāo)系；激光雷達(dá)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在掃描中心，因?yàn)槎S激光雷達(dá)1掃描平面上有自身的二維坐標(biāo)系，我們定義激光雷達(dá)坐標(biāo)系的y₁軸、z₁軸的正方向與自身二維坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的正方向相同，x₁軸的方向根據(jù)右手定則判斷。

將旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系的原點(diǎn)o向激光雷達(dá)坐標(biāo)系的o₁x₁y₁平面投影于點(diǎn)o^’，得到兩坐標(biāo)系原點(diǎn)在o₁x₁y₁平面內(nèi)的距離為o₁o^’，而o^’o的距離h在安裝過程中測量得到。則激光雷達(dá)的掃描平面應(yīng)垂直于o₁x₁y₁平面以o₁o^’為半徑繞o^’做圓周運(yùn)動，我們定義o₁o^’為旋轉(zhuǎn)圓半徑R。因?yàn)榘惭b誤差的存在，平面o₁x₁y₁相對于平面oxy必會產(chǎn)生繞三坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角，但由于系統(tǒng)的特性及所建立的兩坐標(biāo)軸關(guān)系，平面o₁x₁y₁相對于平面oxy繞z軸的旋轉(zhuǎn)角為0。因此對該系統(tǒng)的標(biāo)定主要就是對繞y坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角β、繞x軸的旋轉(zhuǎn)角γ和旋轉(zhuǎn)圓半徑R三個量的標(biāo)定。

首先建立對車斗形容器外形尺寸的測量系統(tǒng)，所述系統(tǒng)安裝在被掃描車斗形容器的正上方，通過旋轉(zhuǎn)二維激光雷達(dá)1的掃面平面，完成對車斗形容器的掃描，實(shí)現(xiàn)三維掃描，所述系統(tǒng)所采用的硬件包括：二維激光雷達(dá)1，旋轉(zhuǎn)工作臺2，電機(jī)3，支架4，裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5和標(biāo)定件6，二維激光雷達(dá)1的掃描平面位于激光雷達(dá)的前端，垂直于激光雷達(dá)側(cè)面。二維激光雷達(dá)1安裝到旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面上，電機(jī)3安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺2的側(cè)面，帶動旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面在水平面上完成旋轉(zhuǎn)動作，進(jìn)而帶動安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺2臺面上的二維激光雷達(dá)1轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)工作臺2的上端安裝在支架4上，而支架4安裝到距離地面有一定高度的某一固定位置，并保證旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面與地面平行，裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5放置在二維激光雷達(dá)1的掃描范圍外，二維激光雷達(dá)1和電機(jī)3分別通過數(shù)據(jù)傳輸線與裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5連接到一起，標(biāo)定件6是內(nèi)部為中空三棱柱的長方體，標(biāo)定件6放在二維激光雷達(dá)1正下方的地面上。

將支架4安裝到距離地面有一定高度的某一固定位置，使旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面與地平面盡量保持平行。并將標(biāo)定件6放置于選轉(zhuǎn)工作臺正下方的地平面上?？刂贫S激光雷達(dá)1，對該位置下的標(biāo)定件6掃描一次，保存掃描數(shù)據(jù)。

對上步掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用最小二乘法擬合出二維激光雷達(dá)1的掃描平面與標(biāo)定件6所交各線段的直線方程。

利用上步求得的相應(yīng)直線方程進(jìn)行兩兩組合求解，求出交點(diǎn)坐標(biāo)，即為二維激光雷達(dá)1的掃描平面與標(biāo)定件6棱邊的交點(diǎn)坐標(biāo)，由此可得到任意兩交點(diǎn)之間的距離，并根據(jù)所求得的距離與標(biāo)定件6高度的三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出繞y坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角β。

將二維激光雷達(dá)1旋轉(zhuǎn)180度，對標(biāo)定件6掃描第二次，對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行同上的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)兩次掃描所求得的掃面平面與棱邊交點(diǎn)之間的距離及其幾何關(guān)系可以計(jì)算求得旋轉(zhuǎn)圓半徑R。

由于標(biāo)定件6中空，兩次掃描必然掃到了地平面，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用最小二乘法擬合出二維激光雷達(dá)1的掃描平面與底面交線的直線方程，根據(jù)直線方程的斜率，計(jì)算出繞x軸的旋轉(zhuǎn)角γ。

將二維激光雷達(dá)1逆向旋轉(zhuǎn)180度，回到起始位置。

將計(jì)算得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)，帶入到坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的平移和旋轉(zhuǎn)矩陣中，由此完成該系統(tǒng)的標(biāo)定。

具體實(shí)施步驟如下：

1、初始位置對標(biāo)定件完成第一次掃描

按照該系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)及安裝要求，將各結(jié)構(gòu)組合到一起，并將支架4安裝到距離地面有一定高度的某一固定位置，使旋轉(zhuǎn)工作臺2的臺面與地平面盡量保持平行。并將標(biāo)定件6放置于選轉(zhuǎn)工作臺及二維激光雷達(dá)1正下方的地平面上，使內(nèi)部三棱柱的一個側(cè)面與激光雷達(dá)初始掃描平面盡量平行。由裝有點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲和處理程序的計(jì)算機(jī)5發(fā)送掃描指令經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線傳遞給二維激光雷達(dá)1，二維激光雷達(dá)1對標(biāo)定件6完成第一次掃描，掃描得到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線返回到計(jì)算機(jī)，保存下來。

2、擬合二維激光雷達(dá)掃描平面與標(biāo)定件所交各線段的直線方程

由于二維激光雷達(dá)1的掃描面是一個平面，因此二維激光雷達(dá)1對標(biāo)定件6第一次掃描所得到的數(shù)據(jù)就是標(biāo)定件6與掃描平面相交形成的線段上各點(diǎn)的數(shù)據(jù)。標(biāo)定件6放置在地平面上，所以標(biāo)定件6的頂面和底面平行于地平面，各側(cè)面垂直于地平面。因此，二維激光雷達(dá)1掃描的頂面和底面的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)橫坐標(biāo)遞增、縱坐標(biāo)在某一小范圍內(nèi)變化（由于雷達(dá)測量誤差的存在）的特點(diǎn)，而掃描側(cè)面的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)縱坐標(biāo)遞增、橫坐標(biāo)在某一小范圍內(nèi)變化的特點(diǎn)。由此可以將數(shù)據(jù)劃分區(qū)域，每一區(qū)域的數(shù)據(jù)代表著掃描平面與標(biāo)定件6相交的每條線段上的數(shù)據(jù)。對每一區(qū)域的數(shù)據(jù)利用最小二乘法對直線進(jìn)行擬合，求出交線所在的直線方程。

3、求取二維激光雷達(dá)掃描平面與標(biāo)定件棱邊的交點(diǎn)坐標(biāo)并求取其中一個旋轉(zhuǎn)角β

二維激光雷達(dá)1的掃描平面是由一束束激光組成，他存在著角分辨率，因此二維激光雷達(dá)1的掃描平面與標(biāo)定件6棱邊的交點(diǎn)坐標(biāo)并不能保證直接掃描得到。我們利用上步中求取的直線方程，將相鄰交線所擬合的直線方程兩兩相交，求得的交點(diǎn)就是二維激光雷達(dá)1的掃描平面與標(biāo)定件6棱邊的交點(diǎn)坐標(biāo)，即為圖3中A₁、B₁、C₁、D₁四點(diǎn)。過A₁、D₁分別作標(biāo)定件6底面的垂線，交于三棱柱底面A^’₁、D^’₁。連接A^’₁D^’₁，則A^’₁D^’₁= A₁D₁，且A^’₁D^’₁||B₁C₁。過三棱柱底面一頂點(diǎn)K作A^’₁D^’₁、B₁C₁的垂線分別交于M^’₁、N₁兩點(diǎn)，再過M^’₁作A₁D₁垂線，交于點(diǎn)M₁。連接M₁、N₁兩點(diǎn)，M₁N₁的大小即為A₁點(diǎn)到直線B₁C₁的距離（由點(diǎn)到直線的距離公式求得），M₁M^’₁大小即為標(biāo)定件6的高度。則∠N₁M₁M^′₁即所求旋轉(zhuǎn)角β，其大小為：

4、求旋轉(zhuǎn)圓半徑R

計(jì)算機(jī)發(fā)送旋轉(zhuǎn)指令，驅(qū)動電機(jī)3帶動旋轉(zhuǎn)工作臺2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180度，然后發(fā)送掃描指令，對標(biāo)定件6進(jìn)行第二次掃描，數(shù)據(jù)處理同上一步，其原理圖如圖4所示。由于B₁C₁、A^’₁D^’₁、D^’₂A^’₂、C₂B₂大小已經(jīng)由最小二乘法求出，將四條直線投影到同一底面如圖5所示，根據(jù)相似三角形原理可以求得N₁N₂的大小。兩次掃描合并到一起，并從整體結(jié)構(gòu)右側(cè)投影（右視圖），得到視圖6。I是雷達(dá)在第二次掃描時(shí)的掃描中心，過I做標(biāo)定件6上表面的平行線，交雷達(dá)在第一次掃描時(shí)的掃描平面于點(diǎn)J。由此可知N₁N₂=IJ。根據(jù)前面求得旋轉(zhuǎn)角β，可以計(jì)算求得旋轉(zhuǎn)圓半徑R，即：

5、求取旋轉(zhuǎn)角γ

由于標(biāo)定件6中空，激光雷達(dá)第一次對標(biāo)定件6掃描相交形成的線段B₁C₁，實(shí)際上就是二維激光雷達(dá)1的掃面平面與地平面的交線，設(shè)線段B₁C₁所擬合的直線方程的斜率為V，則激光雷達(dá)繞軸的方向上產(chǎn)生的角度γ為：

6、驅(qū)動電機(jī)帶動激光雷達(dá)回到初始位置

由于以上求取標(biāo)定參數(shù)的值，都是對激光雷達(dá)初始位置而言的，激光雷達(dá)對物體掃描時(shí)一定要從標(biāo)定的初始位置開始。如果激光雷達(dá)掃描物體的初始位置改變，那么在新的初始位置還要對該三維掃描系統(tǒng)重新標(biāo)定。由于標(biāo)定時(shí)工作臺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了180度，所以計(jì)算機(jī)發(fā)送指令給電機(jī)3，電機(jī)3帶動旋轉(zhuǎn)工作臺2逆向旋轉(zhuǎn)180度，帶動激光雷達(dá)回到初始位置。

7、將得到的標(biāo)定參數(shù)帶入到坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣

根據(jù)兩坐標(biāo)系平移和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣，將計(jì)算求得的三個標(biāo)定參數(shù)帶入到此矩陣方程中，得到該系統(tǒng)下激光雷達(dá)坐標(biāo)系中坐標(biāo)向旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的矩陣，完成對該系統(tǒng)的標(biāo)定。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩陣為：

其中，（x₁,y₁,z₁）是在激光雷達(dá)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（x,y,z）是在旋轉(zhuǎn)工作臺坐標(biāo)系的坐標(biāo)。