CN109615657B - 基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法，包括如下步骤：1)记含螺纹目标物固定时其与他物相交处的平面为第一平面，获取点云数据；拟合第一平面的平面方程，获取法向量；2)利用螺纹覆盖部分的点云数据，进行圆柱拟合，得到其轴线Lc；3)分别计算螺纹覆盖部分点云数据中各个点到轴线Lc的距离；筛选数据，记为数据包I；4)利用数据包I内的数据进行圆柱拟合，求其轴线L’；5)计算轴线L’和特定平面的夹角，即为含螺纹目标物与特定平面的夹角。该方法在获取含螺纹目标的点云数据后即能计算出含螺纹目标物的位姿数据，准确、实时，适用于在线检测。

Description

基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法
技术领域
本发明涉及工业制造领域及建筑领域，具体涉及一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法。
背景技术
在工业制造、建筑领域中有多个场景需使用含螺纹目标物进行联接、传动或者密闭。含螺纹目标物的位姿对后续工序有重大影响，目前针对含螺纹目标物的位姿检测有以下两种方法：人工检测、线结构光检测。人工检测采用断差尺、百分表、钢板尺、楔形塞尺、铁片尺等工具进行，测量精度、效率都较低，不能实现在线测量。而结构光检测，美国Perceptron公司研制了多线结构光的传感器用于螺柱位姿检测，其通过利用线结构光对螺柱进行重建，从而分析螺柱的位姿，但螺柱表面较为复杂，并且具有高反光特性，这一特性势必影响光条中心提取的精度，另外使用线激光耗时较长，不能满足在线测量实时性的要求。
发明内容
为了解决含螺纹目标物的位姿在线检测的问题，本发明提供了一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法，该方法在获取含螺纹目标的点云数据后即能计算出含螺纹目标物的位姿数据，准确、实时，适用于在线检测。
为此，本发明的技术方案如下：
一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法，包括如下步骤：
1)记含螺纹目标物固定时其与他物相交处的平面为第一平面，获取含螺纹目标物及第一平面的点云数据；
拟合所述第一平面的平面方程，获取其法向量；
2)提取含螺纹目标物螺纹覆盖部分的点云数据，将其视为一个圆柱进行拟合，得到第一拟合圆柱及第一拟合圆柱的轴线Lc；
3)分别计算含螺纹目标物螺纹覆盖部分的点云数据中各个点到轴线Lc的距离；依据螺柱的半径范围筛选螺纹牙顶上的点云数据，记为数据包I；
4)利用所述数据包I内的数据进行圆柱拟合，得到第二拟合圆柱，及第二拟合圆柱的轴线L’；
5)计算轴线L’和特定平面的夹角，为含螺纹目标物与特定平面的夹角。继而就可评价含螺纹目标物与特定平面的夹角，用以评定含螺纹目标物的位姿是否与所在位置垂直。
进一步，步骤5)所述特定平面为所述第一平面，计算轴线L’和所述第一平面之间夹角时是利用轴线L’的方向向量和第一平面的法向量进行计算的。
进一步，步骤1)中拟合所述第一平面的方法为最小二乘法；步骤2)中对第一拟合圆柱的拟合方法为最小二乘法；步骤4)中对第二拟合圆柱的拟合方法为最小二乘法。
进一步，所述含螺纹目标物为螺柱、螺栓、螺杆或螺孔。
进一步，所述螺纹为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹或锯齿形螺纹。
该方法在获取含螺纹目标物的点云数据后即能计算出含螺纹目标物的位姿数据，准确、实时，适用于在线检测。
附图说明
图1为具体实施方式中的螺柱及底板的点云数据；
图2为具体实施方式中的螺柱的点云数据；
图3为具体实施方式中的第一平面的点云数据。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
利用本发明提供的方法对汽车工件上螺柱进行检测，具体步骤如下：
1)将螺柱固定时其与他物相交处的平面为第一平面，获取工件点云数据，如图1所示，从中得到螺柱、第一平面的点云数据，如图2、图3；采用最小二乘法拟合出第一平面所对应的平面方程M：Ax+By+Cz+1＝0；获取其法向量(0.0052，-0.0390，-0.0454)；
2)提取含螺纹目标物螺纹覆盖部分的点云数据，将其视为一个圆柱进行拟合，得到第一拟合圆柱及第一拟合圆柱的轴线Lc，轴线Lc的方向向量为(-0.1017，0.6506，0.7526)；
3)分别计算含螺纹目标物螺纹覆盖部分的点云数据中各个点到轴线Lc的距离；依据螺柱的半径范围筛选螺纹牙顶上的点云数据，记为数据包I；
4)利用数据包I内的数据进行圆柱拟合，得到第二拟合圆柱，及第二拟合圆柱的轴线L’；在本发明的实施例中，解算出轴线L’的方向向量为(-0.1129，0.65209，0.7500)，半径为：10.3172mm；
5)计算轴线L’和特定平面的夹角，为含螺纹目标物与特定平面的夹角；在本发明的实施例中，计算轴线L’和第一平面的夹角，也即利用轴线L’的方向向量s＝(m,n,p)与第一平面的法向量n＝(A,B,C)计算夹角；s＝(m,n,p)的值为(-0.1129，0.65209，0.7500)，n＝(A,B,C)的值为(0.0052，-0.0390，-0.0454)；利用向量间的夹角公式，可得：
Figure GDA0002981342800000041
化简求解θ：
Figure GDA0002981342800000042
通过θ即可计算出螺柱与其底板的角度，计算出的角度值为89.1295°。
螺柱上的螺纹为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹或锯齿形螺纹。
本发明提供的基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法，在获取含螺纹目标的点云数据后即能计算出含螺纹目标物的位姿数据，准确、实时，不仅适用于白车身在线测量中螺柱位姿检测，还适用于电子产品、机械产品、数码产品、电力设备、机电机械产品、交通工具，以及管路联接等领域中外形轮廓呈螺纹状目标的位姿测量如飞机主要承力部分的联接螺纹，大型生产器械的传动螺纹以及天然气、自来水等管道的密闭螺纹等。

Claims (4)

1.一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法，其特征在于包括如下步骤：
1)记含螺纹目标物固定时其与他物相交处的平面为第一平面，获取含螺纹目标物及第一平面的点云数据；
拟合所述第一平面的平面方程，获取其法向量；
2)提取含螺纹目标物螺纹覆盖部分的点云数据，将其视为一个圆柱进行拟合，得到第一拟合圆柱及第一拟合圆柱的轴线Lc；
3)分别计算含螺纹目标物螺纹覆盖部分的点云数据中各个点到轴线Lc的距离；依据螺柱的半径范围筛选螺纹牙顶上的点云数据，记为数据包I；
4)利用所述数据包I内的数据进行圆柱拟合，得到第二拟合圆柱，及第二拟合圆柱的轴线L’；
5)计算轴线L’和特定平面的夹角，为含螺纹目标物与特定平面的夹角；
所述特定平面为所述第一平面，计算轴线L’和所述第一平面之间夹角时是利用轴线L’的方向向量和第一平面的法向量进行计算的。
2.如权利要求1所述计算方法，其特征在于：步骤1)中拟合所述第一平面的方法为最小二乘法；步骤2)中对第一拟合圆柱的拟合方法为最小二乘法；步骤4)中对第二拟合圆柱的拟合方法为最小二乘法。
3.如权利要求1所述计算方法，其特征在于：所述含螺纹目标物为螺柱、螺栓、螺杆或螺孔。
4.如权利要求1所述计算方法，其特征在于：所述螺纹为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹或锯齿形螺纹。
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