线扫激光点云拼接——运动机构法

本文介绍了线扫激光获得单帧点云后的滑台和转台标定方法,包括滑台运动方向标定和平面参照物标定转台旋转轴线,并提供了Matlab代码示例。

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假设线扫激光已经可以得到单帧点云。

滑台

运动方向标定:
在这里插入图片描述
其中(xstart,ystart,zstart)是标定板初始位姿在相机坐标系下的坐标,(xend,ystart,zstart)是标定板最终位姿在相机坐标系下的坐标。再将(△x,△y,△z)单位化即可得到滑台的运动方向。
在相机坐标系下拼接的坐标变换矩阵为
在这里插入图片描述
其中l为滑台运动的位移。

转台

旋转轴线标定:方法有多种,这里给出其中一种较简单的方法。
通过共面参照物标定的方法测出一个平面上的特征点在旋转过程中几个位置处的空间坐标,然后对分别对每个点做圆拟合,得到它对应的旋转中心,再对这些旋转中心做空间直线拟合,得到最后的旋转轴的方程。
上述的共面参照物在标定中可以选为标定板,特征点可以选为标定板的原点。
matlab三维空间点拟合圆的代码:

M=[-161.564 -62.7806 589.371 
-161.595 -67.8667 588.45
-161.639 -61.639 586.938
-161.684 -79.1419 584.965
-161.74 -84.5655 582.518
-161.818 -90.1652 579.386
-161.91 -96.0041 575.329
-162.005 -101.07 571.017
-162.107 -106.267 565.571
-162.232 -111.449 558.678
-162.363 -115.406 551.888
-162.494 -118.629 544.469
-162.611 -120.772 537.451
-162.765 -122.386 528.428
-162.886 -122.794 521.408
-162.973 -122.584 515.629
-163.104 -121.6 508.223
-163.238 -119.527 500.014
-163.559 -112.202 484.23
-163.634 -108.883 479.366
-163.714 -104.854 474.469
-163.759 -100.909 470.41
-163.828 -96.7168 466.732
-163.872 -92.4086 463.542
-163.884 -87.2752 460.273
    ];
 
[num dim]=size(M);
 
L1=ones(num,1);
A=inv(M'*M)*M'*L1;       % 求解平面法向量
 
B=zeros((num-1)*num/2,3);
 
count=0;
for i=1:num-1
    for j=i+1:num   
        count=count+1;
        B(count,:)=M(i+1,:)-M(i,:);
    end    
end
 
L2=zeros((num-1)*num/2,1);
count=0;
for i=1:num-1
    for j=i+1:num
        count=count+1;
        L2(count)=(M(i+1,1)^2+M(i+1,2)^2+M(i+1,3)^2-M(i,1)^2-M(i,2)^2-M(i,3)^2)/2;
    end
end
 
D=zeros(4,4);
D(1:3,1:3)=(B'*B);
D(4,1:3)=A';
D(1:3,4)=A;
 
L3=[B'*L2;1]
 
C=inv(D')*(L3)   % 求解空间圆圆心坐标
 
C=C(1:3);
 
radius=0;
for i=1:num
    tmp=M(i,:)-C';
    radius=radius+sqrt(tmp(1)^2+tmp(2)^2+tmp(3)^2);
end
r=radius/num            %  空间圆拟合半径
 
figure
h1=plot3(M(:,1),M(:,2),M(:,3),'*');
%set(gca,'xlim',[11.4 11.7]);
 
 
%%%%   绘制空间圆  %%%%
n=A;
c=C;
 
theta=(0:2*pi/100:2*pi)';    %  theta角从0到2*pi
a=cross(n,[1 0 0]);          %  n与i叉乘,求取a向量
if ~any(a)                   %  如果a为零向量,将n与j叉乘
    a=cross(n,[0 1 0]);
end
b=cross(n,a);      % 求取b向量
a=a/norm(a);       % 单位化a向量
b=b/norm(b);       % 单位化b向量
 
c1=c(1)*ones(size(theta,1),1);
c2=c(2)*ones(size(theta,1),1);
c3=c(3)*ones(size(theta,1),1);
 
x=c1+r*a(1)*cos(theta)+r*b(1)*sin(theta);  % 圆上各点的x坐标
y=c2+r*a(2)*cos(theta)+r*b(2)*sin(theta);  % 圆上各点的y坐标
z=c3+r*a(3)*cos(theta)+r*b(3)*sin(theta);  % 圆上各点的z坐标
 
hold on;
h2=plot3(x,y,z,'-r');
xlabel('x轴')
ylabel('y轴')
zlabel('z轴')
axis([-300,0,-150,150,350,650])
legend([h1 h2],'控制点','拟合圆');
grid on

在相机坐标系下拼接的坐标变换矩阵为
在这里插入图片描述
其中(u,v,w)为转轴的方向向量,(a,b,c)为转轴上一点,θ为旋转的角度。

机器人

机器人手眼标定,不做详细介绍。
坐标变换关系为
Base = ToolInBase * CamInToolPose * Camera
Camera为相机坐标系下的坐标,CamInToolPose由手眼标定得到,ToolInBase 由机器人运动学求解,Base为机器人基坐标系下的坐标。

运动机构标定C++工程下载地址:运动机构法标定.rar

### 线激光点云合成的技术与实现 #### 1. 点云融合基础 点云融合是将来自不同视角或传感器的数据组合成单一的、完整的三维模型的过程。在线激光点云合成中,这一过程尤为重要,因为线激光描仪通常只提供局部区域的信息[^2]。 #### 2. 数据预处理 在进行点云合成之前,需要对原始数据进行必要的预处理操作。这包括去噪、滤波和配准等步骤。具体来说: - **去噪**:去除噪声点可以提高后续处理的质量。常用的方包括统计分析和基于邻域密度的过滤器。 - **滤波**:通过平滑算减少不必要的细节干扰,保留主要特征。 - **配准**:这是关键一步,涉及将多个独立获取的点云调整至同一坐标系下。ICP (Iterative Closest Point) 是一种广泛使用的配准算[^4]。 #### 3. 合并策略 一旦完成了初步准备,则需采用适当的方式把各个部分结合起来形成整体图像。以下是几种常见的合并方式: - **几何约束匹配**:利用物体本身的形状特性来指导拼接工作。 - **标记辅助定位**:预先设置一些易于识别的目标物作为参照标准。 - **全局优化方**:考虑整个系统的误差分布情况来进行综合校正。 #### 4. 应用实例——SiScan中的实践 以SiScan为例说明实际应用场景下的操作流程。该平台提供了丰富的功能选项帮助用户更好地理解和操控他们的项目文件,其中包括多种独特的着色方案可供选择以便更直观地展示成果[^5]。 ```python import numpy as np from scipy.spatial.transform import Rotation as R def align_point_clouds(source, target): """ Align two point clouds using ICP algorithm. Args: source (np.ndarray): Source point cloud array of shape (N, 3). target (np.ndarray): Target point cloud array of shape (M, 3). Returns: tuple: Transformation matrix and aligned points. """ from sklearn.neighbors import NearestNeighbors nbrs = NearestNeighbors(n_neighbors=1).fit(target) distances, indices = nbrs.kneighbors(source) rotation_matrix, translation_vector = estimate_transformation(source, target[indices.flatten()]) transformed_points = apply_transform(source, rotation_matrix, translation_vector) return rotation_matrix, translation_vector, transformed_points def estimate_transformation(src, dst): """Estimate transformation between src and dst.""" centroid_src = np.mean(src, axis=0) centroid_dst = np.mean(dst, axis=0) H = np.dot((src - centroid_src).T, (dst - centroid_dst)) U, S, Vt = np.linalg.svd(H) R = np.dot(Vt.T, U.T) t = centroid_dst - np.dot(R, centroid_src) return R, t def apply_transform(points, R, t): """Apply the given transform to a set of points.""" rotated = np.dot(points, R.T) translated = rotated + t return translated ``` 上述代码展示了如何使用Python实现简单的ICP算用于两个点云之间的对齐。 #### 5. 结论 综上所述,线激光点云合成都离不开精确的数据采集、有效的前处理手段以及合理的后期加工技巧。随着相关研究不断深入和技术进步加快步伐,未来有望看到更加智能化解决方案出现[^1]。
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