超长细口径管道内表面三维视觉测量技术及传感器

Aiming at the Three-dimensional(3D) measurement of inner surface of extra-long narrow pipe, this research constructs an annular dots array structured-light vision measurement approach with single camera, which is based on structured-light, panorama imaging and dots array simultaneous scanning techniques, and the dots array structured-light vision sensor will be developed, which can obtain dots array structured-light image in 360 field-of-view and is capable of measuring inner surface of extra-long narrow pipe on-site according to the principle of structured-light vision. The detailed research items are mainly described as follows: system solution of annular dots array structured light 3D measurement based on single camera, annular dots array structured light projector and sensor based on single camera, 3D sensor measurement mathematic model, the optimizing model of panorama camera, dot array structured light projector and a scanning drive system, online sensor calibration method and dots array images feature extraction method with high precision and robustness, development of the annular dots array structured-light 3D vision measurement system based on single camera prototype. In conclusion, to study annular dots array structured-light vision measurement technique will provide a new approach with respect to 3D inspection of the inner surfcae of extra-long narrow pipe, which means it has wide applications in various aspects such as autonomous navigation, pipe inspection, intelligent monitoring et al.

围绕超长细口径管道内壁三维形貌测量，构建基于结构光视觉、全景成像和多点同步扫描技术的环形阵列单相机多点结构光传感器视觉测量模式，研制可获得360 视场范围图像的小型化的多点环形阵列单相机结构光传感器，根据结构光视觉测量原理实现超长细口径管道内壁的三维在线测量。主要研究内容为：研究多点环形阵列单相机结构光视觉三维测量的系统方案；研究多点环形阵列结构光投射器及多点环形单相机结构光传感器；建立传感器三维测量数学模型，研究摄像机、多点环形阵列结构光投射器和测量头扫描驱动系统之间的最优配置模式；研究传感器测量模型参数在线标定方法和点阵图像特征高精度鲁棒提取方法；实现相关算法研制多点环形阵列单相机结构光视觉三维测量系统样机。多点环形阵列单相机结构光视觉三维测量技术将为超长细口径管道内壁三维形貌测量提供一种有效技术手段，将在机器系统的自主导航、管道检测和智能监控等领域具有广阔应用前景。

针对细长管道内表面三维测量，以机器人控制技术、结构光视觉测量技术，以及全向视场折反射视觉测量技术为手段，构建全向视场结构光视觉测量模式，研制由高分辨率摄像机和多点结构光视觉相结合的全向视场结构光视觉传感器，解决受限非开放空间高效、主动三维测量难题，构建满足细长管道内表面受限空间中三维形貌动态、高效的测量需求的视觉测量系统。.取得的主要成果：.1. 揭示了曲面镜折反射结构与图像分辨率对应规律，建立了局部高分辨率曲面折反射镜结构模型，设计了高精度全向视觉传感器，实现管道内表面形貌特征的高分辨率全向采集。.2. 提出了一种基于局部小平面映射的全向视觉传感器标定算法，大大简化了全向视觉测量系统的标定流程，实现全向视觉测量模型单张图像的高精度标定。.3.研究了不等光程对非对称镜像双目测量精度的影响，提出了一种非对称镜像双目光程补偿方法，设计一种新型等光程非对称镜像双目视觉测量传感器；.4.研究了轮式管道机器人的结构模型和动态控制，可应用于管道厚度不均且无人工推动的情况下进行移动测量，提升在测量过程中的自动化程度和测量效率。.5.研究了曲面镜固有畸变对传感器测量精度的影响，构建镜头畸变模型和曲面镜畸变模型分离式估算模型，建立了一种分离式双重畸变校正模型，有效避免了曲面镜畸变对测量传感器测量精度的影响。.6.建立了一种全局测量坐标统一模型，利用多点结构光视觉测量模式，获取全向视觉传感器运动位姿信息，结合传感器获取局部三维数据，实现管道内表面三维形貌的全局测量。.7.设计了全向视觉传感器与移动机器人相结合的长直管道内表面移动视觉测量装置原理样机，实现了管道内表面三维形貌的切向扫描测量、径向行走测量及精度评价。.全向结构光移动视觉测量技术为超长细口径管道内壁三维形貌测量提供一种有效的技术手段，对提升传感器自适应感知能力具有重要意义，将在受限空间中三维测量、视觉导航、在线作业等领域具有广阔的应用前景。