CN109631847B - 一种基于点云数据的含螺纹目标物位姿的计算方法 - Google Patents

Abstract

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，包括如下步骤：1)记含螺纹目标物固定时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，得到法向量；2)作N个垂直于第一平面的平面C_i，选取落在同一平面C_i上的螺纹点云数据作直线拟合，得到直线L_i；3)在螺纹点云数据分布区域内作多个第一平面的平行平面P_j；4)选取直线L_i与平面P_j的交点，利用同一平面内的点拟合椭圆，获取中心点坐标；5)将多个中心点坐标进行直线拟合，再求取其与特定平面的夹角，得到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

一种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)作N个垂直于所述第一平面的平面，记为平面C_i，1≤i≤N，N≥6；平面C_i需同时满足与所述含螺纹目标物的点云数据相交，取落在同一平面C_i上的点云数据作直线拟合，得到拟合直线L_i；所述拟合直线L_i共有N条；

3)在所述含螺纹目标物的点云数据分布区域内作M个与所述第一平面相平行的平面，记为平面P_j，1≤j≤M，M≥2；

4)选取N条直线L_i与平面P_j的交点，利用同一平面P_j内的N个点拟合椭圆，获取椭圆的中心点坐标；得到M个椭圆的中心点坐标；

5)利用所述M个椭圆的中心点坐标进行直线拟合，得到轴线L的直线方程，再求取轴线L与特定平面的夹角，得到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。

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)中得到拟合直线L_i的方法为最小二乘法；步骤4)中拟合椭圆的方法为最小二乘法；步骤5)中进行直线拟合的方法为最小二乘法。

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)将螺柱固定时与底板相交处的平面记为第一平面，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

设在第一平面上取Q个点，坐标记为：(x_i,y_i,z_i),利用最小二乘法拟合出最佳平面M；

设d_i＝Ax_i+By_i+Cz_i+1，(1≤i≤N，i取整)，令函数

G(A,B,C)分别对A,B,C求偏导，则可得到相应的方程组，

通过对方程组求解，则可解算出相应的参数A,B,C，从而可求得该平面的表达式，得到该平面所对应的法向量；设平面M的法向量为n，则n＝(A,B,C)，得到结果(0.0052，-0.0390，-0.0454)；

2)作257个垂直于第一平面的平面，记为平面C_i，1≤i≤N，N≥6；平面C_i与螺柱的点云数据相交，取落在同一平面C_i上的点云数据作直线拟合，得到拟合直线L_i；拟合直线L_i共有257条；

设平面C_i为：A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0；

平面C_i的法向量为m_i，则m_i＝(A_i,B_i,C_i)；

可得：m_i·n＝0

3)在螺柱的点云数据分布区域内作M个与第一平面相平行的平面，记为平面P_j，1≤j≤M，M≥2；具体实施时作了20个平面；

4)选取257条直线L_i与平面P_j的交点，利用同一平面P_j内的257个交点利用最小二乘法拟合椭圆，获取椭圆的中心点坐标；进行椭圆拟合时，通过将20个平面P_j分别进行旋转，令其平行于xoy平面再进行最小二乘椭圆拟合，将点坐标转至平面P_j内，得到中心点在平面P_j内的三维坐标；解算出20个椭圆的中心点坐标；

5)利用20个椭圆的中心点坐标进行直线拟合，得到轴线L的直线方程，再求取轴线L与特定平面的夹角，得到螺柱与底板的夹角为88.29°。

设轴线L的表达式为

轴线L的方向向量为s＝(M,N,P)平面M的法向量n＝(A,B,C)，轴线L的方向向量为s＝(M,N,P)，结果为(-0.0781，0.8752，1)，依据向量夹角公式，可得：

化简求解θ：

通过夹角θ即可求出螺柱与其底板的角度。

本申请提供的方法不仅适用于螺柱的位姿检测，还适用于螺栓、螺杆或螺孔。该方法适用于各种螺纹，具体包括三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹或锯齿形螺纹。其适用领域不仅为白车身在线测量中螺柱及螺孔位姿检测，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 (5)

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)作N个垂直于所述第一平面的平面，记为平面C_i，1≤i≤N，N≥6；平面C_i需同时满足与所述含螺纹目标物的点云数据相交，取落在同一平面C_i上的点云数据作直线拟合，得到拟合直线L_i；所述拟合直线L_i共有N条；

3)在所述含螺纹目标物的点云数据分布区域内作M个与所述第一平面相平行的平面，记为平面P_j，1≤j≤M，M≥2；

4)选取N条直线L_i与平面P_j的交点，利用同一平面P_j内的N个点拟合椭圆，获取椭圆的中心点坐标；得到M个椭圆的中心点坐标；

5)利用所述M个椭圆的中心点坐标进行直线拟合，得到轴线L的直线方程，再求取轴线L与特定平面的夹角，得到含螺纹目标物与特定平面的夹角。

2.如权利要求1所述计算方法，其特征在于：步骤5)所述特定平面为所述第一平面。

3.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)中得到拟合直线L_i的方法为最小二乘法；步骤4)中拟合椭圆的方法为最小二乘法；步骤5)中进行直线拟合的方法为最小二乘法。

4.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。

5.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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