具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种基于激光定位的塔脚节点姿态确定方法，如图1所示包括：

步骤1：在节点板上的预先设定的有限个不共面定位圆环处安装靶标；

步骤2：利用激光扫描设备采集的节点板表面的点云信息，并根据对比度从点云信息中识别所述靶标信息；

步骤3：基于所述靶标信息确定靶标的形心位置信息作为源点云；

步骤4：将塔脚数字模型中定位圆环的形心位置信息作为目标点云并结合源点云利用点云配准算法计算位置转换矩阵；

步骤5：将所述位置转换矩阵作为塔脚节点姿态矩阵；

其中，所述塔脚数字模型是通过软件生成的塔脚节点精细化三维模型，所述塔脚数字模型中定位圆环的位置与节点板上定位圆环位置相同。

其中步骤1如图2所示，利用在钢板上打印定位4个圆环，圆环的直径为10mm左右，该圆环的之间的距离需要大于10cm，4个圆环不能共面。只要符合以上要求，定位圆环的位置是随意的。

在定位圆环处安装的磁性靶标的底座为圆形，在进行激光点云采集，需要将磁性靶标的底座放置于激光打标圆环内。由于塔脚节点的一般为灰黑色，为了增强灰度的对比度，靶标的颜色为白色。

步骤2利用三维激光扫描设备采集节点板的点云信息，该设备放置在输电塔塔脚节点的斜上方，可发射面激光，主要目的是采集节点上关键点的点云信息，进而确定靶标的形心。

步骤3根据激光扫描设备，采集节点板表面的点云，并识别其中的半球形靶标；然后，确定这些靶标的球心；

步骤4和步骤5利用点云配准算法，计算实际塔脚中靶标球心与数字模型中靶标球心的位置转换矩阵。这样，就确定了实际塔脚的空间姿态，为该节点的焊接工作提供了必要的数据。节点的数字模型指的是节点的精细化三维模型，可以由TEKLA、SOLIDWORKS等软件生成。

其中，实际塔脚中靶标球心与数字模型中靶标球心的位置转换矩阵R的计算方法为：

(1)确定塔脚节点靶标位置和数字模型对应位置，构成两组对应的点集:

P＝{p₁，p₂，…，p_n}

Q＝{q₁，q₂，…，q_n}

其中：P为实际塔脚靶标的点云，Q为虚拟塔脚靶标的点云，n为点云中数据点的总数，p_n和q_n为点云中的数据点。

求欧式变换R,t使得：

t为点云的平移量；R_pi为点云的旋转量。i为点云中数据的编号。q_i为目标点云的数据点，p_i为源点云的数据点。

基于最小二乘法进行迭代计算，使得误差平方和达到极小值：

(2)求解translation平移量

F(t)对t求偏导，可得：

令求得：

定义实际点云和虚拟点云的质心分别为：

因而，

其中：为目标点云的质心坐标，为源点云的质心坐标，R为旋转矩阵。

将t代入F(t)可得：

定义去质心坐标：

因此，目标函数变为：

其中：x_i为第i个数据点的x坐标；y_i为第i个数据点的y坐标；为数据点的旋转量。

(3)求解rotation旋转矩阵

是标量，对于任意标量α，都满足α＝α^T，因此

将其带入目标函数，可得：

因此，

由上可知，

其中，X与Y为3×n维矩阵。

定义协方差矩阵S＝XY^T，对S做SVD分解：

S＝U∑V^T

因而，求解问题变为使下式最大化：

tr(RXY^T)＝tr(RS)＝tr(RU∑V^T)＝tr(∑V^TRU)

令M＝V^TRU，其是正交阵，其列向量m_j是orthonormal vectors，即因此，对M的所有元素都有m_ij≤1。

当m_ii＝1时，tr(∑M)最大；M又是正交阵，因此M必为单位阵。

这样，就求出了塔脚节点的位置姿态R。

本专利提出了一种利用激光扫描塔脚节点的关键点，并利用这些关键点与数字模型的关键点进行对比，进而确定它的姿态。由于本专利仅仅扫描并处理了4个点，且提供了根据这4个点确定节点姿态的解析公式，因此，本专利的运算速度极快，且不会出现迭代不收敛的问题。因此，本发明的工作效率和计算精度远高于人工和现有的三维重构方法。

本发明采用激光扫描设备，采集输电塔塔脚节点上若干个关键点的位置信息，并利用相关公式计算该节点的空间姿态矩阵。相对于基于人工尺具测量或者激光点云三维重构的方法，本发明的精度和效率都很高，且不会出现求解不收敛的情况。

实施例2：

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种基于激光定位的塔脚节点姿态确定系统，包括：标靶安装模块、标靶信息识别模块、源点云确定模块和塔脚节点姿态矩阵确定模块；

所述标靶安装模块，用于在节点板上的预先设定的有限个不共面定位圆环处安装靶标；

所述标靶信息识别模块，用于利用激光扫描设备采集的节点板表面的点云信息，并根据对比度从点云信息中识别所述靶标信息；

所述源点云确定模块，用于基于所述靶标信息确定靶标的形心位置信息作为源点云；

所述塔脚节点姿态矩阵确定模块，用于将塔脚数字模型中定位圆环的形心位置信息作为目标点云并结合源点云利用点云配准算法计算位置转换矩阵；

所述塔脚节点姿态矩阵确定模块，用于将所述位置转换矩阵作为塔脚节点姿态矩阵；

其中，所述塔脚数字模型是通过软件生成的塔脚节点精细化三维模型，所述塔脚数字模型中定位圆环的位置与节点板上定位圆环位置相同。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。