[发明专利]基于三维激光雷达辅助定位的转炉炉腔三维测量方法及测量装置

权利要求书

1.一种基于三维激光雷达辅助定位的转炉炉腔三维测量方法，包括以下步骤：

(1)固定连接三维激光扫描仪和三维激光雷达，测量三维激光扫描仪与三维激光雷达的相对位姿，三维激光扫描仪对炉腔进行多视角扫描，获得多个视角下的炉腔三维点云；

(2)同时，三维激光雷达扫描车间环境，采集多帧车间环境的三维点云；

(3)提取各帧车间环境三维点云的特征点、线特征点和面特征点，对相邻两帧之间分别进行特征点、线特征点和面特征点匹配；

(4)构建以相邻两帧匹配程度最高为目标的目标函数，确定目标函数的权重系数，求解目标函数，得到相邻两帧之间三维激光雷达的位姿变换；建立目标函数的方法，包括以下步骤：

(4.1)假设L_k+1：当前帧K+1车间环境三维点云的坐标系，L_k：上一帧K车间环境三维点云的坐标系；

(4.2)标记点i为在L_k坐标系的角点中寻找距离点的最近点j，记作求解i到j的最小距离，表达式如下：

(4.3)标记点i为在L_k坐标系的次线点中寻找距离点的最近点即第一近线点j，记作在j点的上一层点云或者下一层点云中找第一近线点j点的最近点即第二近线点l，记作以上一帧K的第一近线点j与第二近线点l构成直线，求解点i到直线jl的最小距离，表达式如下：

式中，d_E：点i到直线jl的距离；

三角形Δ_ijl面积的二倍；

直线jl的长度；

(4.4)标记点i为在L_k坐标系的次面点中寻找点的最近点j即第一近面点，记作在j点的上一层点云或者下一层点云中寻找第一近面点j的最近点l即第二近面点，记作在与j点同一层点云中寻找j点的最近点m即第三近面点，记作第一近面点j、第二近面点l和第三近面点m构成平面jlm，求解点i与平面jlm的距离，表达式如下：

式中，d_P为点i到平面jlm的距离；

为三角体Δ_ijlm体积的二倍；为三角形Δ_jlm面积的二倍；

(4.5)对当前帧L_k+1坐标系下的所有线点E，面点P，Harris角点H，在上一帧K三维激光雷达点云L_k中相应地寻找Harris角点投影点、线点投影点、面点投影点，分别构建上一帧K坐标系下的角点投影点到点、线点投影点到线、面点投影点到面的距离(d_E，d_P，d_H)的加权和作为目标函数D，表达式如下：

D＝w_ED_E+w_PD_P+w_HD_H

式中，N_H：Harris角点的个数，N_E：线点的个数，N_P：面点的个数；w_E，w_P，w_H：表示线点、面点、Harris点的权重；相对位姿变换；其中：目标函数D是关于的函数，故上式可改写为：

式中，N：点的数量，包括角点、线点和面点；X_(k+1，i)：点i在k+1帧的坐标；i：点的序号；相对位姿变换；

(5)将所有帧的位姿变换累计相乘，获得三维激光雷达的相对位姿，根据步骤(1)三维激光扫描仪与三维激光雷达的相对位姿，得到三维激光扫描仪在各个视角下的相对位姿；

(6)根据三维激光扫描仪在各个视角下的相对位姿，利用ICP算法对多个视角下的炉腔三维点云精配准，拼接得到完整的实际炉腔三维点云；

(7)建立原始炉腔三维点云，对比实际炉腔三维点云和原始炉腔三维点云，得到转炉损耗情况。