CN101561834B - 一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于截面线分析的点云与几何模型对齐方法。首先把点云和几何模型初步对齐；然后，在几何模型上确定定位点的位置，并确定至少3条截面线，这些截面线用于修正点云中定位点的位置。然后，在点云中取截面线，通过比例关系或特征关系，确定出定位点的修正量。判断修正后定位点与几何模型定位点的差值，如果相差比较大，采用修正后的三个定位点，根据三点定位原理，对点云进行平移和旋转。对旋转和平移后再次取截面线，修正定位点，判断正后定位点与几何模型定位点的差值，直到差值很小为止。采用这种方法，可使点云数据和几何模型按特定的要求对齐。本发明在冲压零件回弹分析等方面有一定应用价值。

Description

一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法

技术领域

本发明涉及一套薄板冲压成型领域。具体为一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法。

技术背景

汽车车身上主要是薄板冲压件。为了提高车身的安全性，减少车身重量，在汽车车身零件上采用越来越多高强度钢，而高强度钢的冲压回弹问题特别突出。所谓回弹，是指零件从冲压模具退出时，冲压件中弹性应力的释放，造成零件的变形。回弹后的零件与模具的几何型面不再吻合，如果按照零件几何模型加工型面，回弹导致冲压后零件的尺寸精度达不到设计尺寸要求。

为了克服回弹问题，需要准确知道各个部位的回弹量，在对应部位修改型面，这样使回弹后的零件刚好达到设计尺寸要求。有限元分析软件对回弹的模拟精度还达不到工程应用阶段，它可以减少回弹误差，但很难消除回弹误差。实际工厂一般先在采用样模制造出合格零件后，在制作样模前，有限元分析软件对回弹的模拟，可用于模具型面的初步回弹补偿；然后做实际模具。所谓样模，也称为“软模”，一般采用比较廉价的材料制作；对高强调钢实际生成模具，对模具材料有很高要求，材料的价格高，并且加工性能差一些。

做软模主要是为了避免高强调钢板料的回弹误差。激光或白光扫描技术在模具公司中普遍采用。通过扫描零件，可得到零件的点云数据。通过点云模型与零件几何模型的位置对上，可分析零件的几何精度，分析零件的回弹部位和回弹量，从而有针对性的对模具型面进行修改，补偿零件回弹。以上分析的前提是点云数据和几何模型能准确的对齐，点云与数模的准确对齐是一个比较棘手的问题。

一些商业点云处理软件中采用最小平方法对齐点云和几何数模，也就是使点云与几何数模的平均误差最小，由于零件回弹后的几何位置与几何模型是有差别的，某些部位的回弹量很小，不需要补偿，采用上面定位方式可能导致零件在这些部位也需要进行回弹补偿。

三点定位原理是本发明的基础。所谓三点定位原理，是指两个坐标系中，有不共线的三点在两个不同坐标系的位置是对应并且坐标位置已知，通过这三个点可以确定坐标平移和旋转矩阵。通过坐标平移和旋转矩阵，可以把一个坐标系里的模型，平移和旋转到另一坐标系中去。零件几何数模坐标系与零件扫描点云所在坐标系一般不重合，零件几何模型坐标系中三点是任意选取的，但这三点在零件扫描点云所在坐标系的位置很难确定，导致点云数据和几何模型很难准确对齐。

本发明提出一种点云与数模对应的新方法。该方法通过在初步对齐的点云上取3条截面线，在这3条截面线上有3个定位点。通过3个定位点的准确查找和修正，可得到准确的3个点。通过点云中的3个定位点，如果与数模上三个点的对应关系，可以准确的把点云数据和几何模型对应起来。该方法可精确对齐点云数据和几何数模，是冲压模具型面回弹补偿的基础，在工业上有广泛的应用价值。

发明内容

本发明是一种点云与数模对应的方法，该方法实施的步骤如图1所示。

(1)首先使点云数据与几何模型初步对齐。一般情况下，测量时会指定3点作为定位基准。由于测量系统误差，即使有3点定位基准，点云和数模难以准确对上。如果没有3点，可在模型中选择3点，在点云中对应位置选3点。由于点云测量误差，以及这3点选择的人为误差，这3点是不准确的。通过3点定位原理，可把点云和几何模型初步对齐。

(2)在模型和点云中取截面线，更新3个定位点。

初步对齐后，需要在数模和点云模型中取3条截面线。截面线的取法见图2所示。因为3维比较难以表示，这里采用二维图来表示，其中，截面线S1和S2基本上与XZ平面平行，可允许一定角度。截面线S3基本上与YZ平面平行，可允许一定角度。以上允许角度建议在15度以内。这里3个定位点位P1，P2，P3，其中，P1是截面线S1和S3的交点，P2是截面线S2和S3的交点。P3是截面线S1上的点，在S1上有特定的位置。

在点云中的3个定位点，分别用P1’，P2’，P3’表示，与几何模型中3个定位点P1，P2，P3对应。P1’，P2’，P3’点在点云中开始是3条直线的交点，但这些点同几何模型上的3点是不对应的，需要修正。本发明的关键点是如何通过3条截面线，修正P1’，P2’，P3’的坐标。本发明的基本原理是几何三角形中的平行底面的交线满足的比例原理，如图3所示。如果三角形的边BC与X轴平行，那么F点的坐标Y值与E点坐标的Y值是对应的。

实际在点云中所取的截面线，一般与其理想位置有一定差值，如图4所示。按照图3中的比例关系，可以求出定位点在点云截面线上的位置，如图4中黑点所示，在几何模型中该点的位置用空心圆点表示。尽管黑点中的Y值坐标与空心圆点的Y值坐标有差别，但黑点中的X值坐标与空心圆点的X值坐标非常接近。通过该截面线可确定出X值的坐标。同理，也可确定出Y轴和Z轴的近似坐标。

上面原理实际上是用两个点的坐标值，来修正点云中定位点的位置。选点P1说明其修正过程。在点云中，P1在截面S1上的点为S1P1，S1P1(X)表示S1P1的X轴坐标，S1P1(Y)表示S1P1的Y轴坐标，S1P1(Z)表示S1P1的Z轴坐标，P1在截面S3上的点为S3P1，S3P1(X)表示S3P1的X轴坐标，S3P1(Y)表示S3P1的Y轴坐标，S3P1(Z)表示S3P1的Z轴坐标，如图5所示。

按比例关系确定点S3P1和S1P1的位置。在图5中，A，B，P1是几何模型上3点，其中A(X)、A(Y)、A(Z)分别表示A点的X、Y、Z轴的坐标；B(X)、B(Y)、B(Z)分别表示B点的X、Y、Z轴的坐标；P1(X)、P1(Y)、P1(Z)分别表示P1点的X、Y、Z轴的坐标；A’，B’，S1P1是点云截面线S1上的3点，其中A′(X)、A′(Y)、A′(Z)分别表示A’点的X、Y、Z轴的坐标；B′(X)、B′(X)、B′(X)分别表示B’点的X、Y、Z轴的坐标；S1P1的X坐标可通过下面公式计算：

$\frac{S1P1\left(X\right)-A^{\′}\left(X\right)}{B^{\′}\left(X\right)-A^{\′}\left(X\right)}=\frac{P1\left(X\right)-A\left(X\right)}{B\left(X\right)-A\left(X\right)}---\left(1\right)$

上面表达式中只有S1P1(X)是未知的，因而可求解。A’(X)，B’(X)是点云中该底面的边缘点，找到这些边缘需要一些已有的技术，比如通过曲率分析，找到底面的边缘部位。该分析见图6所示。

在点云中取截面线有比较成熟的技术，通过选择截面上的点加以拟合，就可以得到截面线。

同理，对点S3P1的Y坐标，可用下面表达式计算。

$\frac{S3P1\left(Y\right)-C^{\′}\left(Y\right)}{D^{\′}\left(Y\right)-C^{\′}\left(Y\right)}=\frac{P1\left(Y\right)-C\left(Y\right)}{D\left(Y\right)-C\left(Y\right)}---\left(2\right)$

以上的S3P1，S1P1如果取在某些特征点上，比如孔或凸台的圆心，或直线中点，不用上面的公式，也可确定出点S3P1，S1P1的位置。

定位点的位置实际上是根据两个点的相对位置处理的，如图7所示。根据这两个坐标的分量，点云定位点P1’的坐标为：

P1’(X)＝S1P1(X)             (3)

P1’(Y)＝S3P1(Y)            (4)

${P1}^{\′}\left(Z\right)=\frac{S1P1\left(Z\right)+S3P1\left(Z\right)}{2}---\left(5\right)$

同理，截面S2上有点S2P2，截面S3上有点S3P2，P2’的坐标为：

P2’(X)＝S2P2(X)            (6)

P2’(Y)＝S3P2(Y)            (7)

${P2}^{\′}\left(Z\right)=\frac{S2P2\left(Z\right)+S3P2\left(Z\right)}{2}---\left(8\right)$

在截面S1上有点S1P3，P3’的坐标与S1P3的坐标相同。P3’的坐标为：

P3’(X)＝S1P3(X)            (9)

P3’(Y)＝S1P3(Y)            (10)

P3’(Z)＝S1P3(Z)            (11)

根据3点定位原理，第3点只需要与第1点和第2点在同一个平面就可，该点的坐标不需要采用两条截面线来确定。当然，也可增加一条截面线，来准确确定该点位置。

(3)求出P1’，P2’，P3’的坐标后，判定其是否需要旋转和平移。

如果P1’，P2’，P3’的坐标同P1，P2，P3是重合的，说明点云数据同几何模型是对应得很好的，不需要旋转和平移。其判断准则，可用下面公式来表示：

Err＝||P1-P1′||+||P2-P2′||+||P3-P3′||            (12)

上式表示修正前后，这3个点相互距离的和。由于零件有回弹问题，||P2-P2′||可放松一个方向，对图2所在的坐标系，允许其在Y轴上有误差；||P3-P3′||可放松更多，允许在X方向和Y方向有误差。一般情况下，选择定位的截面和定位点，这3点之间应该选择发生在回弹量很小的部位。

如果Err大于一个阈值，比如0.1mm，采用这P1’，P2’，P3’，这3点的理想位置是P1，P2，P3，根据三点定位原理，对数据进行平移和旋转。

再次分析截面线，和判断准则Err，直到点云和数模在这3个点基本对齐为止，在这种情况下，点云数据和几何模型也就对齐了。

通过开发程序实现该发明，可以大大减少点云数据与几何模型的对应时间，提高点云数据和几何模型的对齐精度。该方法在汽车模具行业的影响，对减少模具开发周期和成本有重要意义。

附图说明

图1为本发明中点云对齐处理流程图；

图2为本发明中三个截面线的选取图；

图3为本发明中采用的三角形平行底面的直线满足的比例关系图；

图4为本发明中对坐标的修正原理图；

图5为本发明利用比例关系求取点云截面线上定位点的位置图；

图6为本发明截面线边缘点的判断图；

图7为本发明利用两个截面线上定位点的位置对定位点的修正图；

图8为本发明实施算例中初定位后的位置图；

图9为本发明实施算例中所取截面线图；

图10为本发明实施算例中三个定位点位置图；

图11为本发明实施算例中点云对齐后截面线的位置图；

图12为本发明实施算例中点云与数模的对应图。

具体实施方式

实施该发明，采用下面步骤：

(1)初步对齐点云。可采用参考坐标系、三点定位原理或人工，把数模和点云基本对上，各方向的偏差控制在10％以内。达到这个要求是很容易的。

(2)在模型中确定3条截面线以及3个定位点。

(3)在点云中取截面线，根据本发明，找到点云中的3个点的位置。

(4)判断点云和数模是否对齐，如果对齐，结束。如果没有对齐，开始第5步。

(5)采用三点定位原理旋转和平移点云。

(6)再次取截面线，转到步骤(4)。

方法的验证

采用该发明做的一个例子如下：

图8是点云和数模初定位前的位置。图8中，点云和数模没有对齐，有明显偏差。

图9是在几何模型和点云中取的截面线。从图中可看出，点云中的3条截面线与数模中的3条截面线的位置相差很大。在点云中所取截面线不光滑是因为点云中扫描的误差比较大。

采用本发明，对点云定位点进行修正，对点云进行旋转和平移，再次取截面线，图10是经过一次旋转和平移后的截面线和数据点位置。从图中可看出，点云中截面线同几何数模中的截面线相差很小，这说明本发明是非常有效的。

图11是经过一次旋转和平移后点云和数模基本对齐。从图中可看出，点云与数模基本对齐，这说明该方法是可行的。如果还有误差，可再次取截面线，重复前面步骤，直到点云和数模完全对齐为止。

上面这个例子是针对的一个实际工程零件。本发明可把点云和几何数模按一定要求来对齐。

Claims (1)

1.一种基于截面线分析的点云与薄板冲压件的几何数模对齐方法，该方法应用于薄板冲压成型领域，其特征在于步骤为：

(1)初步对齐点云，采用参考坐标系、三点定位原理或人工，把几何数模和点云基本对上，各方向的偏差控制在10％以内；

(2)在几何数模中确定3条截面线S1、S2、S3以及3个定位点P1、P2、P3；

(3)在点云中取3条截面线，找到点云中的3个点P1’、P2’、P3’的位置；

(4)判断点云中的3个点P1’、P2’、P3’的位置和几何数模中的3个点P1、P2、P3的位置是否对齐，如果对齐，结束，如果没有对齐，开始第5步，判断准则，用下面公式来表示：

Err＝||P1-P1′||+||P2-P2′||+||P3-P3′||

(5)采用三点定位原理旋转和平移点云，当Err大于一个阈值，0.1mm，采用这3点P1’，P2’，P3’，这3点的理想位置是P1，P2，P3，对点云数据进行平移和旋转；

(6)再次分析点云中的截面线，转到步骤(4)。

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