[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

说明书

本发明公开了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以及测量装置，本测量方法以及测量装置通过移动三维激光扫描仪获得各个视角下转炉炉腔的三维点云，同时三维激光雷达扫描钢厂车间环境，通过三维激光雷达得到三维激光扫描仪在三维空间上的相对位置，配准三维激光扫描仪各个视角下转炉炉腔的三维点云，拼接得到转炉炉腔完整的实际三维点云，与原始炉腔模型对比得到转炉炉腔厚度变化，实时监测转炉炉腔的磨损情况，指明转炉需要修补的地方，判断转炉是否应该报废，实现扫描仪快速、准确地定位，测量精度提高。

技术领域

本发明涉及三维测量领域，更具体的说，它涉及基于三维激光雷达辅助定位的转炉炉腔三维测量方法及装置。

背景技术

在我国很多冶金企业中，转炉作为重要的炼钢工具，被广泛应用。转炉的作用是负责融化由倒料斗倒入的金属矿石，将金属矿石熔炼变成金属液。但是由于在转炉的工作过程中，转炉炉腔的金属液不断腐蚀转炉炉腔，导致转炉的炉腔厚度越变越薄。当转炉炉腔厚度低于一定值后，转炉会出现“发红”，或者钢水穿炉事件，不仅损坏设备，而且严重威胁钢厂员工的人身安全。

现有的装炉炉腔的三维测量技术，其缺点主要在扫描仪在移动扫描转炉时，扫描仪的自定位技术笨拙。现有的扫描仪的定位方法主要有：方法一：在转炉炉体外放置三个或三个以上的标志物，(如圆球或者三角块)。用三维激光扫描仪扫描转炉炉腔时，同时扫描标志物。然后计算与每个标志物的唯一点坐标，再利用这些点坐标，计算扫描仪的坐标变换。该方法缺点在于：扫描仪识别出标志物存在困难，并且，转炉炉口温度高达2000摄氏度，对标志物会产生破坏。

方法二：在转炉炉前的平台上固定设置多个标志A(A_1，A_2，A_3)，且标志之间的位置和相对位置是已知的。在三维激光扫描仪底部也固定一个和标志A配套的标志B。扫描转炉炉腔时，移动三维激光扫描仪，需要将标志B对准标志A，来完成三维激光扫描仪的定位。但是，该方法在对准标志A和B时，非常费时，不能满足转炉炼钢的节拍。

方法三：反光条定位法：在三维激光扫描仪测量位置的后方，(转炉在扫描仪前方)垂直于地面永久放置三根反光条。在三维激光扫描仪上再安装一个单线激光雷达，单线激光雷达扫描三个反光标志，得到三个反光标志在单线激光雷达坐标系下的坐标，利用三点定位原理，并最终得到三维激光扫描仪在二维平面上各个扫描位置的相对关系。缺点是：该点位方式只能确定三维激光扫描仪各个扫描位置，二维坐标相对位置，不能确定三维坐标相对位置，如果三维激光扫描仪不是精确的水平放置，点位精度会明显降低。

综上所述，目前应用的扫描仪自定位技术笨拙，扫描仪识别出标志物存在困难，并且，转炉炉口温度高达2000摄氏度，对标志物会产生破坏；定位费时，不能满足转炉炼钢的节拍；定位精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供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及装置，本方法和装置可以在不添加额外复制标志的情况下，实现三维激光扫描仪快速、准确地定位，极大提高了测量效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：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；