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龙图腾网恭喜燕山大学申请的专利基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115388803B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-05-16发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202210946463.1，技术领域涉及：G01B11/24；该发明授权基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置是由李艳文;刘建鑫;霍伟豪;庚士涵;栗智民;彭宏鑫;杨毅;王登奎;王华玮;程凯;罗子茂;姜森威;刘子轩;陈念龙;张政;徐宗国设计研发完成，并于2022-08-08向国家知识产权局提交的专利申请。

本基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置在说明书摘要公布了：本发明涉及一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置，方法包括以下步骤，步骤一：使用视觉定位系统获取三球靶标中每个靶球的中心坐标；步骤二：对视觉定位系统进行定位，得到视觉定位系统的位姿；步骤三：对移动小车和激光扫描雷达进行定位；步骤四：根据每个时刻激光雷达旋转的角度及其坐标进行点云拼接，完成对管状构件内腔表面全部扫描，获取管状构件内腔形状。本发明通过相似原理和矩阵变换完成了管状构件内腔形状的拼接计算，提高了计算精度。本发明所使用的扫描装置能够进入狭小的管状构件内部，且不会对待测管状构件造成损伤，为管状构件内部形状信息的获取提供了高效率解决方案。

本发明授权基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法及其扫描装置在权利要求书中公布了：1.一种基于视觉定位的管状构件内腔形状获取方法，其特征在于，使用视觉系统采集三球靶标的图像以对在管状构件内部移动的扫描装置进行定位，使用激光雷达获取管状构件内腔的形状数据，其包括以下步骤：步骤1：使用视觉定位系统获取三个靶球中每一个靶球的中心坐标，具体如下：利用视觉定位系统的相机拍摄安装于管状构件内壁顶部的三球靶标，得到三球靶标的二维图像，使用图像处理软件进行识别，获取的靶球的中心坐标如下所示：Pc＝[u,v]T式中：Pc表示靶球的中心在像素坐标系内的坐标；u表示靶球中心在像素坐标系内的横坐标；v表示靶球中心在像素坐标系内的纵坐标；T表示矩阵的转置；步骤2：对视觉定位系统进行定位，得到视觉定位系统的位姿，其具体包括以下子步骤；步骤21：建立靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标之间的关系；已知靶球中心在相机坐标系中的坐标P＝X,Y,ZT和靶球中心成像点在相机成像平面上的坐标Pd＝Xd,Yd,fT；根据三角形相似原理，能够获得下式所示的关系： 式中：f表示相机成像平面到相机光心的距离，即为焦距；X、Y和Z分别表示靶球中心在相机坐标系中的横坐标、纵坐标和相机光轴方向上的坐标；Xd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的横坐标；Yd表示靶球中心成像点在相机成像平面上的纵坐标；步骤22：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标和靶球中心在像素坐标系中坐标的映射关系；根据靶球中心在相机成像平面上的坐标Pd和靶球中心在像素坐标系上的坐标Pc的关系；确定靶球中心在相机坐标系中的坐标P和靶球中心在像素坐标系中坐标Pc的映射关系，如下式所示： 式中：K表示相机的内参数矩阵；cx和cy表示像素原点沿像素坐标系u轴和v轴平移的距离；fx和fy表示图像沿u轴和v轴缩放的系数；P表示靶球中心在相机坐标系中的坐标；步骤23：确定靶球中心在相机坐标系中的坐标P与靶球中心在世界坐标系中的坐标PW的映射关系；靶球中心在相机坐标系中的坐标为P和靶球中心在世界坐标系中的坐标PW的映射关系的获得方法如下所示：P＝RPW+t式中：R表示世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵；t表示世界坐标系相对相机坐标系的位移向量；PW表示靶球中心在世界坐标系中的坐标；步骤24：确定视觉定位系统的位姿；结合步骤22与步骤23的计算结果，靶球中心在像素坐标系中的坐标Pc和靶球中心在世界坐标系中的坐标PW的映射关系的获得方法如下所示： 式中：XW表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标；YW表示靶球中心在世界坐标系中的纵坐标；ZW表示靶球中心在世界坐标系中的横坐标轴和纵坐标轴所在平面法向量方向上的坐标；t1、t2和t3分别表示世界坐标系相对相机坐标系在X、Y和Z方向的位移分量；riji＝1,...,3,j＝1,...3表示旋转矩阵R的9个元素；世界坐标系原点设置在三球靶标的三个靶球中心组成的三角形的几何中心上，已知三球靶标上的三个靶球中心在世界坐标中的坐标PW，每个靶球的中心在像素坐标系中的坐标Pc经图像处理后得到，将已知条件代入上式，能够解出世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵R和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t，能够得到视觉定位系统的位姿；步骤3：对移动小车和激光扫描雷达进行定位；根据视觉定位系统的位姿和激光扫描雷达的旋转角度，能够得到移动小车坐标系相对于相机坐标系的变换矩阵移动小车坐标系原点在相机坐标系内的坐标和激光扫描雷达坐标系原点在移动小车坐标系内的坐标根据步骤24中计算得到的世界坐标系相对相机坐标系的旋转矩阵R和世界坐标系相对相机坐标系的位移向量t；求得移动小车原点和激光扫描雷达原点相对世界坐标系的坐标和步骤4：根据每个时刻激光雷达旋转的角度和激光扫描雷达的坐标进行点云拼接，完成对管状构件内腔表面全部扫描，获取管状构件内腔形状；将激光雷达获得的形状数据中的每一个点在同一坐标系上进行表达，表达方式如下式所示： 式中：PWorld表示激光扫描雷达获得的点在世界坐标系中的坐标；表示移动小车坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第1个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在移动小车坐标系中的坐标；表示第2个三球靶标坐标系相对于第1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于第2个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第2个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；表示第i个三球靶标坐标系相对于第i-1个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示移动小车坐标系相对于第i个三球靶标坐标系的变换矩阵；表示借助第i个三球靶标进行定位时激光扫描雷达获得的点在小车坐标系中的坐标；i表示三球靶标序号；N表示三球靶标总数。

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