一种基于三维点云的管道类型识别及结构参数提取方法

摘要

本发明提出了一种基于三维点云的管道类型识别及结构参数提取方法，包括以下步骤：1、确定目标区域；2、管径计算；3、点云姿态标准化；4、点云分割；5、管道类型判断；6、弯管半径初值计算；7、弯管半径计算。本发明为一种基于三维点云的管道类型识别及结构参数提取方法，为管道检测机器人的导航提供必要的管道信息，具有低成本、速度快、自动化等优点。

说明书

技术领域

本发明设计了一种基于三维点云的管道类型识别及结构参数提取方法，它是基于目标点云位姿进行区域分割，根据区域结构特征进行管道识别与曲面拟合的方法，应用于管道类型的识别。属于三维视觉测量技术领域。

技术背景

管道检测作为管道安全的保障，近些年已经取得较大的发展，但常见的方案多成本高，操作复杂，在内部检测与尺寸检测方面还尚未有成熟的检测方案。

通过在机器人上搭载双目视觉传感器，可以自动、准确完成管道内部的检测。三维点云相关检测技术通过双目视觉传感器，将待检测数据合成点云，可直观地观测到管道的三维形貌，具有低成本、速度快、自动化等优点。通过点云处理能够得到管道结构参数，在完成管道内部的尺寸检测的同时也为机器人的导航提供了必要的管道信息。

三维点云检测相关技术已经比较成熟，对于管道而言，可以将其看作基本几何体的组合。因此，通过对管道三维模型的区域划分，可以利用圆柱拟合完成管道的类型识别。对于圆环状弯管管道，通过最小二乘拟合获得其结构参数。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种基于三维点云的管道类型识别及结构参数提取方法，通过对点云局部进行圆柱拟合，分割区域，针对区域特点进行分析以及曲面拟合等操作，实现了利用管道三维结构特征来识别管道类型。对于直管与三通管可以得到管径信息，对于变径管可以得到管径变化信息，对于圆环状弯管可以得到转弯半径与其管径信息，可为后续的控制机器人行进，绘制管道地图等提供信息。

技术方案：根据管道内部三维点云的结构特征信息，本发明提出一种基于三维点云的管道类型识别及结构参数提取方法，适用于从管道内部拍摄得到的管道三维点云数据，该方法首先寻找高质量点云区域，计算管径以及调整管道位姿，从而提高计算精度以及提供初始位姿。接着对点云进行区域分割，根据分割区域结构特征计算各区域的法线方向，通过不同管道类型的区域法线特征来完成管道类型识别并得到管道结构特征信息。如果得到的管道为圆环状弯管，最后再通过曲面方程来进行弯管拟合，计算弯管半径。其主要包含以下步骤：

步骤一：确定目标区域：剔除原始点云中位于传感器视场边缘的离散噪声点。统计原始点云P

剔除点云密度小于平均密度的区间，得到去噪后点云。根据点云z坐标分割近端区域P

步骤二：管径计算：搜索目标区域点云P

步骤三：点云姿态标准化：圆柱原始轴线方向向量为

步骤四：点云分割：计算点云Q

步骤五：管道类型判断：当不存在管外点与管内点，仅存在管壁点时，比较步骤二中的D

当存在管外点，不存在管内点时，计算管外点法线方向，法线方向与z轴平行时为三通管，反之为变径管，管径由D

当存在管内点时，计算管内点法线方向，法线方向与z轴平行时为三通管，法线方向与z轴垂直时为变径管，管径由D

步骤六：弯管半径初值计算：当管道为圆环状弯管时，首先选择步骤五中分割出的管内点区域，计算该区域中心点法向量

步骤七：弯管半径计算：采用最小二乘法对点云用圆环方程：

拟合三维曲面，得到所需曲面的系数x

有益效果：当获取管道点云数据后，使用本专利所提出的方法，可以实时得到管道类型信息与结构参数，极大地方便了后续机器人控制、绘制管道地图、管道异物检测等操作。本发明给出了一种基于三维点云的管道类型及结构参数提取方法，其优点在于：

(1)可以实时得到准确的管道信息。对于直管与三通管可以得到管径信息，对于变径管可以得到管径变化信息，对于圆环状弯管，可以得到其转弯半径与管径信息，对于后续操作提供数据源。

(2)快速对点云进行离散点剔除，提高了检测效率。

(3)判断管道类型之前通过调整点云的姿态，减少由于拟合误差太大带来的影响。

(4)针对管道的结构特征以及法线方向进行管道识别，检测效率更高，结果更准确。

(5)当管道为弯管时，先获取弯管半径初值，再根据弯管方程通过曲面拟合得到弯管半径。检测效率更高，结果更准确。

附图说明：

图1为本发明识别管道类型与结构特征的流程图。

图2为本发明分割区域后识别管道类型的判断方法。

具体实施方式：下面按照图1所示的方法步骤介绍具体的实施方式。

步骤一：确定目标区域：剔除原始点云中位于传感器视场边缘的离散噪声点。统计原始点云P

剔除点云密度小于平均密度的区间，得到去噪后点云。根据点云z坐标分割近端区域P

步骤二：管径计算：搜索目标区域点云P

步骤三：点云姿态标准化：圆柱原始轴线方向向量为

步骤四：点云分割：计算点云Q

步骤五：管道类型判断：当不存在管外点与管内点，仅存在管壁点时，比较步骤二中的D

当存在管外点，不存在管内点时，计算管外点法线方向，法线方向与z轴平行时为三通管，反之为变径管，管径由D

当存在管内点时，计算管内点法线方向，法线方向与z轴平行时为三通管，法线方向与z轴垂直时为变径管，管径由D

步骤六：弯管半径初值计算：当管道为圆环状弯管时，首先选择步骤五中分割出的管内点区域，计算该区域中心点法向量

步骤七：弯管半径计算：采用最小二乘法对点云用圆环方程：

拟合三维曲面，得到所需曲面的系数x