基于动态路径规划的三维扫描方法研究

摘要

近年来，三维扫描技术成为了非接触式测量方法的主要手段，并在工程上广泛地应用于逆向建模、文物修复、地理测绘等各个方面。在针对大型构件和复杂曲面进行扫描作业时，采用手持式三维扫描设备获取三维数据的方案成为主流选择，但一些危险性较高的工作场景不允许操作人员现场测量，成为了制约三维扫描发展的重要因素。
　　机器人与三维扫描技术的结合使对被测物体表面的自动扫描成为了可能，与此同时，其具有的安全性高、可重复性强等优势满足了自动化制造的需要。基于动态路径规划的三维扫描方法的提出为“机器人+三维扫描”提供了可行的方案。该三维扫描方法主要设计了“三维初步扫掠、人机协同建模、二次精细扫描动态路径规划及扫描方案实现”的方案路线，获取并分析了被测物体的表面轮廓和形貌，针对三维信息缺失区域自动规划了扫描点位和路径，并对扫描效率和扫描质量进行了评价。
　　以工业机器人作为运动平台搭建了三维扫描系统，对该系统的三维数据采集和处理方式进行了阐述。分析并实验验证了光照条件、被测表面颜色等扫描影响因素对扫描质量的影响程度。提出了扫描速率和扫描有效率等扫描质量的评价标准。以数控加工走刀方案为灵感设计了行扫法扫掠路径，通过对比三种初步扫掠路径方案，运用行扫法对被测物体表面轮廓和形貌数据进行采集，为二次精细扫描动态路径规划提供了数据支持。阐述了扫描运动速率和扫描路径间隔对行扫法扫描质量的影响，通过正交实验优化了影响因子的参数组合。
　　在二次精细扫描动态路径规划过程中，首次将最小包容球这一数学概念引入三维扫描路径规划方案，运用最小包容球对局部三维信息缺失区域进行合理划分，在球域内估算扫描点位并自动规划扫描路径。阐述了基于三维扫描的最小包容球的确定方法和判定准则，设计了点云数据的最小包容球算法，并对最小包容球的运算效率进行了优化。
　　提出了三维扫描约束条件并引入可视锥概念作为扫描点位和路径规划的理论依据，运用区域覆盖理论对被测表面的采样点数量及位置、扫描仪视点和扫描方向进行了设计和计算，生成了扫描路径并阐述了二次精细扫描的执行方案。通过对被测物体表面的实际扫描实验，验证了基于动态路径规划的三维扫描方法的可行性。对该三维扫描方法的扫描质量进行了评价，对其优势和发展方向进行了说明，并通过应用实例证明了该三维扫描方法在工程中具有一定的理论和应用价值。

目录

1 绪论

1.1 三维扫描技术概况

1.2 线结构光三维扫描方法研究现状

1.3 课题研究背景及意义

1.4 论文的主要内容和工作

2 基于三维扫描的最小包容球

2.1 最小包容球定义

2.2 最小包容球的确定方法和判定条件

2.3 最小包容球计算过程

2.4 最小包容球运算效率优化

3 初步扫掠路径方案设计

3.1 实验平台搭建

3.2 三维扫描系统的扫描影响因素评价

3.3 初步扫掠路径方案选择及优化

4 二次精细扫描动态路径规划

4.1 三维扫描约束条件

4.2 可视锥概念

4.3 动态路径规划方案的提出

4.4 二次精细扫描实验评价

5 工程应用前景和展望

5.1 工程应用前景

5.2 展望

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢