一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法

本发明涉及工业机器人视觉巡检领域，具体涉及一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法。

背景技术：

1、工业厂房、桥梁、塔架、海工平台、管廊支架和大型装备框架通常由大量杆件、斜撑、节点和连接件组成。裂纹、锈蚀、变形、焊缝缺陷、涂层剥落等缺陷往往分布在杆件表面或节点附近。随着爬壁机器人、移动机器人、轨道巡检平台和机械臂末端相机的发展，通过相机对三维钢结构进行自动视觉检测，已经成为替代人工高危巡检的重要技术方向。

2、现有方案常把机器人是否经过某条杆件、是否到达某个节点、拍摄图像数量或人工设置拍摄点数量作为检测完成依据。但“机器人走过”并不等同于“目标被有效成像”，而“目标进入相机视场”也不必然意味着“目标未被遮挡且观察方向充分”。因此，现有方法难以解释为什么某条路径在几何上经过结构，却仍存在漏检风险；也难以证明经过路径裁剪后仍能达到检测覆盖率验收阈值。

3、现有视觉巡检覆盖评价方案主要存在以下缺点：

4、1. 多以路径边遍历、图像帧数或人工拍摄点数量作为完成依据，缺少与三维钢结构真实杆件长度对应的覆盖度量。

5、2. 未将每根待检杆件离散为带长度权重的目标采样点，难以把相机可见性判断转换为样本级、杆件级和总长度级覆盖率。

6、3. 未充分考虑相机水平/垂直视场角、焦距和传感器尺寸换算、图像宽高比、视场边缘余量、最小/最大检测距离、相机安装偏移以及偏航、俯仰、滚转角等因素。

7、4. 复杂钢结构中存在杆件交叉、节点密集和空间遮挡，若仅根据距离或二维夹角判断可见性，容易把被其他杆件遮挡的目标误判为已检测。

8、5. 未有效区分机器人实际经过覆盖、仅由相机远距离观察获得的视觉覆盖和未覆盖状态，导致路径优化、补拍决策和验收报告缺少可解释依据。

9、6. 对杆件圆周方向或周向视角覆盖关注不足。目标采样点即使被相机看到一次，也可能只覆盖杆件表面的一个方向。

10、7. 缺少可追溯的检测覆盖明细，无法输出每个采样点的所属杆件、空间坐标、首次可见位姿、观察距离、离轴角、周向观察角、遮挡剔除次数以及逐杆件覆盖贡献。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，该方法不把前序拓扑重构方法或路径规划方法作为必要限定，而是在已获得三维钢结构拓扑杆件模型和任意机器人巡检路径的基础上，将待检杆件转化为带权目标采样点；根据机器人位姿、相机安装外参和相机视场模型判断采样点是否进入有效成像范围；再通过杆件遮挡判定、周向角度覆盖统计和状态分类，将检测结果汇总为可量化、可追溯、可复核的视觉检测覆盖指标。

2、本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

3、一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，包括如下步骤：

4、s1：获取三维钢结构的拓扑杆件模型、机器人巡检路径、相机参数、机器人位姿采样间距、目标采样间距、潜在遮挡杆件的遮挡半径和安全余量；

5、s2：沿杆件长度对待检杆件采样，生成带长度权重的目标采样点，并依据有效端部余量将待检杆件划分为端部复核段和有效检测段；

6、s3：沿所述机器人巡检路径生成对应的机器人检测位姿，并由机器人局部坐标系、相机安装参数计算相机光心和相机坐标系；

7、s4：根据相机的视场角和视场边缘余量计算相机的有效视场角，并依据有效视场角和相机坐标系下目标采样点到相机光心的三维欧式距离判断目标采样点是否位于有效视场内；

8、s5：将三维钢结构的拓扑杆件模型中的各条杆件作为潜在遮挡体，对相机光心至目标采样点的视线执行空间遮挡剔除；

9、s6：按所述机器人巡检路径的顺序依次遍历各相机位姿，记录目标采样点的可见信息并计算周向角度覆盖比例；

10、s7：依据所述机器人巡检路径与杆件拓扑关系确定机器人实际经过的杆件集合，根据机器人实际经过的杆件集合和目标采样点可见状态对目标采样点进行覆盖分类，并计算覆盖指标。

11、一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测装置，包括：

12、数据及拓扑获取模块，用于读取三维钢结构拓扑杆件模型、机器人巡检路径、相机参数、机器人位姿采样间距、目标采样间距、潜在遮挡杆件的遮挡半径，并从拓扑杆件中提取边端点，通过节点聚类合并成杆件拓扑；

13、杆件目标采样模块，用于将每条待检杆件离散为带长度权重的目标采样点，并依据有效端部余量将待检杆件标记为有效检测段和端部复核段；

14、机器人位姿采样模块，用于沿机器人巡检路径生成对应的机器人检测位姿；

15、相机姿态解算模块，用于根据机器人局部坐标系、相机安装参数计算相机光心和相机坐标系；

16、视场判定模块，用于计算相机的有效视场角，并依据有效视场角和相机坐标系下目标采样点到相机光心的三维欧式距离判断目标采样点是否位于有效视场内。

17、遮挡判定模块，用于将各杆件作为潜在遮挡体，对相机光心至目标采样点的视线执行空间遮挡剔除；

18、周向覆盖模块，用于依次遍历各相机位姿，并计算周向角度覆盖比例；

19、覆盖状态分类模块，用于根据机器人实际经过的杆件集合和目标采样点可见状态进行目标采样点的覆盖分类。

20、一种电子设备，包括：

21、一个或多个处理器；

22、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述电子设备执行时，使得所述电子设备实现基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法。

23、一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法。

24、本发明的有益效果如下：

25、1. 本发明将每根待检杆件离散为带长度权重的目标采样点，把相机可见性判断转换为样本级、杆件级和总长度级覆盖率，从而使得本发明方法具备与三维钢结构真实杆件长度对应的覆盖度量。

26、2. 本发明的方法能够有效区分机器人实际经过覆盖、仅由相机远距离观察获得的视觉覆盖和未覆盖状态，且充分考包括虑相机视场角在内的相机参数以及杆件圆周方向的视角，可追溯的检测覆盖明细，可输出每个采样点详细的覆盖指标。

1.一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，所述相机安装参数包括前向偏移、右向偏移、上向偏移，以及偏航角、俯仰角和滚转角。

3.根据权利要求1所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，根据目标采样点是否属于机器人实际经过的杆件集合，对覆盖状态进行分类，具体包括：

4.根据权利要求3所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，计算目标采样点的周向角度覆盖比例，具体包括：

5.根据权利要求1所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，所述s5包括如下子步骤：

6.根据权利要求5所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，所述视线端点余量是指在相机光心到目标采样点的视线两端各排除一小段距离，使靠近相机端或目标端的结构不参与遮挡判定，从而避免把相机附近结构或目标杆件自身误判为遮挡。

7. 根据权利要求1所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法，其特征在于，s7还包括计算二值检测完成标记covered(q)，当覆盖状态status(q) >0 时， covered(q)=1，否则covered(q)=0。

8.一种基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现权利要求1~7中任意一项所述的基于模型拓扑的钢结构视觉空间全覆盖检测方法。