面向3D混凝土打印的几何质量检测与混合现实辅助系统研究

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3D混凝土打印是当前智能建造领域的热点研究方向,具有施工速度快、精度高、可实现复杂几何形状加工的特点。打印过程中及时获取构件成形质量和加工缺陷情况,判断当前打印状态并反馈修正打印系统参数,能有效提升打印质量。由于作业现场环境复杂,要将现有视觉测量技术应用于打印过程中,还面临着光线不稳定、构件遮挡等问题,且目前暂无高效、安全的现场数据可视化方案。为此,本文针对三维重建方法、几何误差检测、混合现实等关键技术开展研究,形成了适用于3D混凝土打印的几何质量检测及可视化交互技术方案,具体研究工作如下:(1)对基于视觉的三维重建方法原理和应用方法进行了研究,提出了多数据源融合的打印构件三维重建方案,结合了深度图三维重建速度快、多视图三维重建局部细节精度高的优点,依托混合现实显示头盔搭载的传感器阵列进行数据采集,分两阶段完成打印构件的精确三维重建,为打印构件的几何质量检测提供可靠的数据来源。(2)针对3D混凝土打印构件的几何质量误差成因进行了分析,设计了相应的检测方案。对三维重建点云模型进行分层切片,通过逐点插值的方法计算体积几何误差,针对在点云中难以检出的表面缺陷,采用表面投影法结合二维数字图像检测方法,还原出打印缺陷的空间位置和真实尺寸,避免了因成像原理造成的检测误差。两种方法检测范围互补,提升了缺陷检测的精度和适用范围。(3)设计并实现了混合现实辅助系统,该系统具备三维重建数据采集、点云模型可视化、打印缺陷实时反馈、打印操作过程动态指引和打印现场多设备联合控制等功能,通过自然特征识别跟踪注册和虚实遮挡算法的引入,能在3D混凝土打印过程中提供辅助操作信息的同时避免因视觉遮挡产生的安全隐患。在上述研究的基础上,成功将该集成系统应用于3D混凝土打印实际场景中,实现了构件打印过程中的几何质量检测和操作指引,为打印过程提供了有力辅助。
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