CN110411341A - 含螺纹目标物的位姿计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含螺纹目标物的位姿计算方法，包括：获取含螺纹目标物点云数据，拟合初始轴线，作N个平面；将含螺纹目标物上的点投影到当前平面上，将点数量最多的平面记为基准平面，其他平面记为待匹配平面；将所有平面旋转至平行于xoy平面；得到基准螺纹点集和待匹配点集；利用插值算法、曲线拟合方法得到基准曲线；将每个待匹配点集均平移至最匹配的位置；得到目标点集、寻找牙顶点集和牙底点集；进行圆柱拟合，得到轴线，记牙顶点集拟合出的圆柱轴线视为正确轴线，计算位姿；该方法计算出含螺纹目标物的位姿数据，准确、实时性高。
Description
技术领域
本发明涉及工业制造及检测领域，具体涉及一种含螺纹目标物的位姿计算方法。
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自动在线位姿检测问题，本发明提供了一种含螺纹目标物的位姿计算方法，该方法通过分析含螺纹目标的点云数据，利用插值方法得到平滑的基准曲线，利用基准曲线得到目标点集，再根据目标点集得到空间轴线，进而得出位姿。
为此，本发明的技术方案如下：
一种含螺纹目标物的位姿计算方法，包括如下步骤：
1)获取含螺纹目标物被投影一侧的点云数据，根据所述点云数据拟合圆柱，得到初始轴线和初始半径，分别以螺纹目标物上的一点与所述初始轴线做平面，得到N个平面，所述N个平面满足相邻两平面之间的夹角为5～20°；
2)选一个平面，计算螺纹目标物上点到此平面的距离，当距离小于预设阈值T时，将点投影到对应平面并将其标记为此平面上的螺纹点；
采用相同方法分别求取所述N个平面上的螺纹点；
统计各平面上螺纹点的数量，将数量最多的平面记为基准平面，其他平面记为待匹配平面；
将所有平面旋转至平行于xoy平面；
原属于所述基准平面上的螺纹点构成的点集被标记为基准螺纹点集，原属于同一待匹配平面上的螺纹点组成的点集标记为待匹配点集Ci，i＝1，2……N-1；
3)利用插值算法对所述基准螺纹点集进行插值、拟合，得到基准曲线；
4)将待匹配点集Ci进行平移，至与基准曲线最匹配的位置；
以所述基准曲线的长度方向为纵轴，所述待匹配点集与基准曲线最匹配的位置为：同一时刻，所述待匹配点集中所有点与所述基准曲线上在同水平方向上的点在纵向的距离平方之和最小；
当所有待匹配点集Ci均位于最匹配的位置时，将其与基准曲线上的所有点合计为目标点集；
5)遍历所述目标点集中的所有点，分别寻找对应于螺纹牙顶、牙底位置的点，标记为牙顶点集和牙底点集；
6)分别将所述牙顶点集和牙底点集内的点对应的三维空间坐标进行圆柱拟合，得到两个空间圆柱，分别计算空间圆柱的参数，该参数包括轴线参数(轴线的方向向量、轴线上任一点的坐标信息)和圆柱半径；通过将两个半径与初始半径进行比较，大于初始半径认为是牙顶点集拟合出的圆柱，小于初始半径则认为是牙底点集拟合出的圆柱；记牙顶点集拟合出的圆柱轴线视为正确轴线，计算正确轴线与底面的夹角及交点坐标，作为含螺纹目标物位姿；底面为含螺纹目标物所固定的平面。
进一步，步骤4)寻找最匹配的位置的方法如下：通过整体平移先将待匹配点集Ci中的位于顶部的点移至与基准曲线的顶点的坐标重合，再沿基准曲线的长度方向将待匹配点集Ci中所有点按照步长进行平移，同时计算所述待匹配点集中所有点与所述基准曲线上在同水平方向上的点在纵向的距离平方和；当此距离平方和最小时，记此位置为最匹配的位置。
优选，步长为0.1mm～0.5mm。
进一步，所述基准曲线的长度方向通过以下方法获得：
分别对基准曲线上对应于螺纹牙顶、牙底位置的点做边缘线拟合，再对两条边缘线计算中心线，将所述中心线的方向记为基准曲线的长度方向。
进一步，步骤5)寻找对应于螺纹牙顶、牙底位置的点采用如下方法：首先标记目标点集中在上下边缘处的所有顶点，拟合边缘线，以每条边缘线为中心线，标记与中心线之间的距离值小于阈值d的点为牙顶点集/牙底点集中的点。
优选，所述阈值d＝0.05～0.2mm。
进一步，步骤3)中插值算法为三次样条插值法或分段线性插值法。
进一步，拟合圆柱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。
该方法通过分析含螺纹目标的点云数据，利用插值方法得到平滑的基准曲线，利用基准曲线得到目标点集，再根据目标点集得到空间轴线，通过分析空间轴线，进而得出位姿，结果准确，实时性高。
附图说明
图1为具体实施方式中的作N个平面示意图；
图2为具体实施方式中投影后单个平面中螺纹点的示意图；
图3为具体实施方式中寻找最匹配的位置过程示意图；
图4为具体实施方式中得到目标点集示意图。
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)如图1所示，获取螺柱被投影一侧的点云数据，根据点云数据，拟合螺柱的初始轴线，过螺柱上的一点与初始轴线作平面，作15个平面，相邻两平面之间的夹角为10°；
2)选一个平面，计算螺纹目标物上点到此平面的距离，当距离值小于阈值0.1mm时，如图2所示，将该点(xp,yp,zp)投影到当前平面上，并将其标记为此平面上的螺纹点(x0,y0,z0)；
设平面方程为ax+by+cz+d＝0，可得：
将上式进行化简，则可得：
x0＝xp-at
y0＝yp-bt
z0＝zp-ct
参数t：
统计每个平面中的螺纹点数量，将数量最多的平面记为基准平面，其他平面记为待匹配平面；
将所有平面旋转至平行于xoy平面；
原属于所述基准平面上的螺纹点构成的点集被标记为基准螺纹点集，原属于同一待匹配平面上的螺纹点组成的点集标记为待匹配点集Ci，i＝1，2……N-1；
3)利用三次样条插值算法对基准螺纹点集进行插值、拟合，得到基准曲线；
4)将待匹配点集Ci进行平移，至与基准曲线最匹配的位置；
以所述基准曲线的长度方向为纵轴，所述待匹配点集与基准曲线最匹配的位置为：同一时刻，所述待匹配点集中所有点与所述基准曲线上在同水平方向上的点在纵向的距离平方之和最小；
如图3所示：本实施例，寻找最匹配的位置的方法如下：
通过整体平移先将待匹配点集Ci中的位于顶部的点移至与基准曲线的顶点的坐标重合；
分别对基准曲线上对应于螺纹牙顶、牙底位置的点做边缘线拟合，再对两条边缘线计算中心线，将所述中心线的方向记为基准曲线的长度方向；
沿基准曲线方向，继续平移待匹配点集Ci，每次平移步长t＝0.2mm，计算X轴坐标相同的待匹配点与基准曲线中的点在Y轴坐标之间的距离平方和；
移动多次，将得到距离平方和最小的位置，标记为最匹配的位置。
采用相同的方法，将每个待匹配点集均平移至最匹配的位置；
如图4所示，当所有待匹配点集Ci均位于最匹配的位置时，将其与基准曲线上的所有点合计为目标点集；
5)遍历所述目标点集中的所有点，采用如下方法，寻找对应于螺纹牙顶、牙底位置的点：
首先标记目标点集中在上下边缘处的所有顶点，拟合边缘线，以每条边缘线为中心线，标记与中心线之间的距离值小于阈值d＝0.1mm的点为牙顶点集/牙底点集中的点。
6)分别将所述牙顶点集和牙底点集内的点对应的三维空间坐标，利用最小二乘法进行圆柱拟合，得到两个空间圆柱，分别计算空间圆柱的参数，该参数包括轴线参数(轴线的方向向量、轴线上任一点的坐标信息)和圆柱半径；通过将两个半径与初始半径进行比较，大于初始半径认为是牙顶点集拟合出的圆柱，小于初始半径则认为是牙底点集拟合出的圆柱；记牙顶点集拟合出的圆柱轴线视为正确轴线，计算正确轴线与底面的夹角θ及交点坐标，作为含螺纹目标物位姿；
此处，底板为螺柱固定时与汽车面板(车门、顶盖等)接触的平面。
设正确轴线表达式为正确轴线的方向向量为s＝(M,N,P)；底板的法向量n＝(A,B,C)，依据向量夹角公式，可得：
化简求解θ：
θ即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 (9)
1.一种含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)获取含螺纹目标物被投影一侧的点云数据，根据所述点云数据拟合圆柱，得到初始轴线和初始半径，分别以螺纹目标物上的一点与所述初始轴线做平面，得到N个平面，所述N个平面满足相邻两平面之间的夹角为5～20°；
2)选一个平面，计算螺纹目标物上点到此平面的距离，当距离小于预设阈值T时，将点投影到对应平面并将其标记为此平面上的螺纹点；
采用相同方法分别求取所述N个平面上的螺纹点；
统计各平面上螺纹点的数量，将数量最多的平面记为基准平面，其他平面记为待匹配平面；
将所有平面旋转至平行于xoy平面；
原属于所述基准平面上的螺纹点构成的点集被标记为基准螺纹点集，原属于同一待匹配平面上的螺纹点组成的点集标记为待匹配点集Ci，i＝1，2……N-1；
3)利用插值算法对所述基准螺纹点集进行插值、拟合，得到基准曲线；
4)将待匹配点集Ci进行平移，至与基准曲线最匹配的位置；
以所述基准曲线的长度方向为纵轴，所述待匹配点集与基准曲线最匹配的位置为：同一时刻，所述待匹配点集中所有点与所述基准曲线上在同水平方向上的点在纵向的距离平方之和最小；
当所有待匹配点集Ci均位于最匹配的位置时，将其与基准曲线上的所有点合计为目标点集；
5)遍历所述目标点集中的所有点，分别寻找对应于螺纹牙顶、牙底位置的点，标记为牙顶点集和牙底点集；
6)分别将所述牙顶点集和牙底点集内的点对应的三维空间坐标进行圆柱拟合，得到两个空间圆柱，分别计算空间圆柱的参数，该参数包括轴线参数和圆柱半径；通过将两个半径与初始半径进行比较，大于初始半径认为是牙顶点集拟合出的圆柱，小于初始半径则认为是牙底点集拟合出的圆柱；记牙顶点集拟合出的圆柱轴线视为正确轴线，计算正确轴线与底面的夹角及交点坐标，作为含螺纹目标物位姿；底面为含螺纹目标物所固定的平面。
2.如权利要求1所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：步骤4)寻找最匹配的位置的方法如下：
通过整体平移先将待匹配点集Ci中的位于顶部的点移至与基准曲线的顶点的坐标重合，再沿基准曲线的长度方向将待匹配点集Ci中所有点按照步长进行平移，同时计算所述待匹配点集中所有点与所述基准曲线上在同水平方向上的点在纵向的距离平方和；当此距离平方和最小时，记此位置为最匹配的位置，其中，步长为0.1mm～0.5mm。
3.如权利要求2所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：所述基准曲线方向通过如下方式获得：
分别对基准曲线上对应于螺纹牙顶、牙底位置的点做边缘线拟合，再对两条边缘线计算中心线，将所述中心线的方向记为基准曲线的长度方向。
4.如权利要求1所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：步骤5)寻找对应于螺纹牙顶、牙底位置的点采用如下方法：
首先标记目标点集中在上下边缘处的所有顶点，拟合边缘线，分别以每条边缘线为中心线，标记与中心线之间的距离值小于阈值d的点为牙顶点集/牙底点集中的点。
5.如权利要求4所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：所述阈值d＝0.05～0.2mm。
6.如权利要求1所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：步骤3)中插值算法为三次样条插值法或分段线性插值法。
7.如权利要求1所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：所述拟合圆柱的方法为最小二乘法。
8.如权利要求1所述含螺纹目标物的位姿计算方法，其特征在于：所述含螺纹目标物为螺柱、螺栓、螺杆或螺孔。
9.如权利要求1所述含螺纹目标物的位姿计算方法，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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