7、利用2自由度机器人系统对受限内部空间进行映射和可视化

利用2自由度机器人系统对受限内部空间进行映射和可视化

1. 引言

在工程的各个领域，机器或系统的开发和运行涉及多个阶段，包括概念化、设计、规划、开发、实施、测试和维护。为确保系统在其整个生命周期内平稳、可靠、高效地运行，并拥有较长的使用寿命，定期维护至关重要。通常，维护工作始于制造和系统组装期间对系统各个组件的细致检查，此外还包括定期维护和按需维护。

对于连续运行的系统，检查在各个阶段都起着至关重要的作用，从对各种结构（如进出口端口、管道等）的预安装检查开始。安装检查对于绘制和检测系统中各种形状（如圆形）结构的尺寸变化非常重要。该检查系统可用于结构和管道的定期维护。基于视觉的检查系统广泛用于检测任何结构的异常情况。但由于单摄像头（单目视觉）难以获得深度感知，本项目使用了激光雷达（LiDAR）传感器。

本项目的目标是使用配备LiDAR传感器的特制两轴（2自由度）机器人来绘制端口（结构的入口点）的内部尺寸。该检查系统还可用于生成任何形状结构未知区域的3D内部表面地图。环境地图（也称为轮廓图）提供了特定结构的内部尺寸，它们是通过安装在机械臂末端执行器上的LiDAR传感器扫描结构生成的。LiDAR发射激光脉冲，并使用光电探测器接收反射的激光。利用发射和接收脉冲之间的时间差，LiDAR使用飞行时间技术计算传感器与反射表面之间的距离。为了绘制环境地图，LiDAR需要旋转，这需要使用适当的控制算法（即正向运动学算法）精确控制机械臂的关节电机。在扫描操作期间，从LiDAR传感器获得的数据和电机轴角度用于生成相对于参考系的结构表面坐标。本系统的新颖之处在于，作为基于激光照明的系统，它可以在任何照明条件下（从黑暗到光线充足的白天条件）对任何未知体积进行精确的非接触式尺寸测量和重建，这是基于视觉（相机