CN111028220B - 一种点云铆钉齐平度自动检测方法 - Google Patents

一种点云铆钉齐平度自动检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种点云铆钉齐平度自动检测方法，包括：采用RANSAC圆拟合算法提取铆钉轮廓，并确定所述轮廓圆的圆心、半径及法向量；针对单个铆钉轮廓，提取出铆钉头的点云；针对所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云；根据铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图。本发明能够通过分别提取铆钉头点云及铆钉周围点云，再根据铆钉头点云及铆钉周围点云生成反映铆钉齐平度的距离色差图，快速有效地对铆钉齐平度进行检测，测量精度高，且可以将铆钉齐平度信息进行可视化展示。

Description

一种点云铆钉齐平度自动检测方法
技术领域
本发明涉及飞机铆钉检测技术领域，具体而言涉及一种点云铆钉齐平度自动检测方法。
背景技术
随着航空航天事业的快速发展，我们在飞行器研发与制造领域取得了重大突破。蒙皮作为飞机的关键组件之一，不仅维持飞机外形，还能使飞机具有很好的空气动力特性。蒙皮通过铆钉铆接在飞机内部结构上，铆钉铆接的质量直接影响到蒙皮能否维持正常形状、发挥应有的作用。因此，蒙皮的铆接质量是影响飞行器整体气动性和长疲劳的至关重要的因素，铆接质量可由铆钉齐平度快速确定。
目前铆钉齐平度的检测，主要采用人工方法定性检测，基于人眼视觉的检测不仅无法实现定量测量，而且漏检率高、效率低、可靠性低，同时，蒙皮上大量使用的铆钉使得人工检测费时费力，而目前对铆钉齐平度自动检测技术的研究非常少。针对定量测量铆钉齐平度的问题，目前尚未提出有效的解决办法。
随着三维激光扫描技术的发展，测量数据的采集效率和精度都有了显著提高。三维激光扫描技术具有实时性强，数据精度高等优点，能快速获取大量三维点，精确反映出相应表面的真实形状。
针对铆钉齐平度定量化评估问题，本发明将三维激光扫描技术应用于铆钉齐平度检测，旨在提高铆钉齐平度检测精度和检测效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种点云铆钉齐平度自动检测方法，通过分别提取铆钉头点云及铆钉周围点云，再根据铆钉头点云及铆钉周围点云生成反映铆钉齐平度的距离色差图，快速有效地对铆钉齐平度进行检测，测量精度高，且可以将铆钉齐平度信息进行可视化展示。
为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种点云铆钉齐平度自动检测方法，所述自动检测方法包括：
S1：采用RANSAC圆拟合算法提取铆钉轮廓，并确定所述轮廓圆的圆心、半径及法向量；
S2：针对单个铆钉轮廓，提取出铆钉头的点云；
S3：针对所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云；
S4：根据铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图。
进一步的实施例中，步骤S2中，所述根据单个铆钉轮廓提取出铆钉头的点云的过程包括以下步骤：
S21：基于所述轮廓圆的圆心、半径和法向量，并根据铆钉制造标准中设计半径的先验知识调整所述半径大小，得到校正半径；
S22：根据所述圆心、法向量和校正半径构造无限长圆柱，提取圆柱包围的点云作为铆钉头的初始点云；
S23：根据所述铆钉头的初始点云，利用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合出铆钉头的三维平面，获取此平面的法向量作为校正法向量；
S24：根据所述圆心、校正半径和校正法向量构造一个新的无限长圆柱，提取新圆柱包围的点云作为最终的铆钉头点云。
进一步的实施例中，步骤S21中，根据以下校正函数得到校正半径r′：
r′＝minRi∈S(|r-Ri|)
式中，S为铆钉制造标准半径集合，r为所述拟合半径。
进一步的实施例中，步骤S22中，根据所述圆心O、法向量
Figure BDA0002311961520000021
和校正半径r′构造无限长圆柱，根据下述公式提取圆柱包围的点云作为铆钉头的初始点云Ph0:
Figure BDA0002311961520000022
其中，P为原始点云数据，
Figure BDA0002311961520000023
为所述轮廓圆的圆心。
进一步的实施例中，步骤S3中，针对所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云的过程包括以下步骤：
以所述轮廓圆圆心为中心，m倍的所述校正半径长为半径构造无限长圆柱，提取此圆柱包围的除所述铆钉头点云之外的点云作为铆钉周围点云。
进一步的实施例中，所述m等于3。
进一步的实施例中，步骤S4中，所述根据铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图的过程包括以下步骤：
S41：采用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合所述铆钉周围点云的三维平面作为周围平面，确定所述周围平面的法向量；
S42：计算所述铆钉头点云到所述周围平面的距离；
S43：关联所述距离与颜色比例，生成距离色差图，
进一步的实施例中，步骤S41中，采用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合所述铆钉周围点云Ps的三维平面作为周围平面，确定此平面的法向量
Figure BDA0002311961520000024
及点法式平面方程
Figure BDA0002311961520000025
其中p0为所述铆钉周围点云Ps的均值点。
进一步的实施例中，步骤S42中，采用下述公式计算所述铆钉头点云到所述周围平面的距离d：
Figure BDA0002311961520000026
其中，ph1i为所述铆钉头点云Ph1中第i个点，Prjna代表a在法向量
Figure BDA0002311961520000027
方向上的投影向量。
在本发明中，为铆钉齐平度检测提供了准确的自动检测方法，具体通过以下方式实现：采用RANSAC圆拟合算法提取铆钉轮廓，并确定所述轮廓圆的圆心、半径及法向量；然后，根据所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉头的点云；之后，根据所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云；最后，根据所述铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图。上述方法可以将铆钉齐平度进行可视化展示，有效降低铆接质量判别的难度，填补铆钉齐平度自动检测技术的空白，提高铆钉齐平度测量的效率和准确率。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
通过分别提取铆钉头点云及铆钉周围点云，再根据铆钉头点云及铆钉周围点云生成反映铆钉齐平度的距离色差图，快速有效地对铆钉齐平度进行检测，测量精度高，且可以将铆钉齐平度信息进行可视化展示。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是根据本发明实施例的一种铆钉齐平度自动检测方法的流程图。
图2是根据本发明实施例通过三维扫描技术获取得飞机蒙皮上铆钉的点云图像示意图。
图3是根据本发明实施例的提取出铆钉头的点云的方法流程图。
图4是根据本发明实施例的生成反映铆钉齐平度的距离色差图的方法流程图。
图5是根据本发明实施例的铆钉头轮廓提取结果图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
为解决现有技术中不能定量测量铆钉齐平度的问题，本发明提供一种点云铆钉齐平度自动检测方法，图1示出该自动检测方法的一种可选的流程图，如图1所示，该检测方法包括如下步骤：
S1：采用RANSAC圆拟合算法提取铆钉轮廓，并确定所述轮廓圆的圆心、半径及法向量。
S2：根据所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉头的点云。
S3：根据所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云。
S4：根据所述铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图。
应用本发明的技术方案，可以将铆钉齐平度进行可视化展示，通过点云数据集的计算确定铆钉齐平度，以实现对飞机蒙皮铆接质量的判断。本申请的测量方法简单便于实现且测量精度较高。图2所示的是采用三维扫描技术获取的飞机蒙皮上铆钉的点云图，如图2所示，在点云图中能根据点云分布密度清晰地分辨出铆钉的圆形轮廓。
在一种可能的实现方式中，步骤S1包括：
通过采用阈值带宽为0.5mm的RANSAC圆拟合算法提取铆钉轮廓，并确定所述轮廓圆的圆心O坐标(146.044860839844,63.193256378174,-61.237236022949)、半径r(4.05mm)及法向量
Figure BDA0002311961520000041
在一种可能的实现方式中，结合图3，步骤S2包括：
S21：基于所述轮廓圆的圆心O、半径r和法向量
Figure BDA0002311961520000042
并根据铆钉制造标准中固定半径的先验知识调整所述半径大小，得到校正半径r′(4.00mm),校正函数如下：
Figure BDA0002311961520000043
其中，S为所述铆钉制造标准半径集合；r为所述拟合半径。
S22：根据所述圆心O、法向量
Figure BDA0002311961520000044
和校正半径r′构造无限长圆柱，提取圆柱包围的点云作为铆钉头的初始点云Ph0：
Figure BDA0002311961520000045
其中，P为原始点云数据；
Figure BDA0002311961520000046
为所述轮廓圆的圆心。
S23：根据所述铆钉头的初始点云，利用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合出铆钉头的三维平面，获取此平面的法向量作为校正法向量
Figure BDA0002311961520000047
校正角度约为3°。
S24：根据所述圆心O、校正半径r′和校正法向量
Figure BDA0002311961520000048
构造一个新的无限长圆柱，根据(5)提取新圆柱包围的点云作为最终的铆钉头点云Ph1。
在一种可能的实现方式中，步骤S3包括：
以所述轮廓圆圆心O为中心，3倍的所述校正半径r′长为半径构造无限长圆柱，提取此圆柱包围的除所述铆钉头点云之外的点云作为铆钉周围点云Ps。
在一种可能的实现方式中，如图4所示，步骤S4包括：
S41：采用基于RANSAC的三维平面拟合方法(阈值带宽为1mm)拟合所述铆钉周围点云Ps的三维平面作为周围平面，确定此平面的法向量
Figure BDA0002311961520000049
及平面方程
Figure BDA00023119615200000410
其中p0为所述铆钉周围点云Ps的均值点。
S42：计算所述铆钉头点云到所述周围平面的距离d：
Figure BDA00023119615200000411
其中，ph1i为所述铆钉头点云Ph1中第i个点。
S43：关联所述距离与颜色比例，生成距离色差图，其中，距离区间为[0.00,0.30]。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，所述自动检测方法包括：
S1：采用RANSAC圆拟合算法提取铆钉轮廓，并确定所述轮廓圆的圆心、半径及法向量；
S2：针对单个铆钉轮廓，提取出铆钉头的点云；
S3：针对所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云；
S4：根据铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图。
2.根据权利要求1所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据单个铆钉轮廓提取出铆钉头的点云的过程包括以下步骤：
S21：基于所述轮廓圆的圆心、半径和法向量，并根据铆钉制造标准中设计半径的先验知识调整所述半径大小，得到校正半径；
S22：根据所述圆心、法向量和校正半径构造无限长圆柱，提取圆柱包围的点云作为铆钉头的初始点云；
S23：根据所述铆钉头的初始点云，利用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合出铆钉头的三维平面，获取此平面的法向量作为校正法向量；
S24：根据所述圆心、校正半径和校正法向量构造一个新的无限长圆柱，提取新圆柱包围的点云作为最终的铆钉头点云。
3.根据权利要求2所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S21中，根据以下校正函数得到校正半径r′：
Figure FDA0002559320490000011
式中，S为铆钉制造标准半径集合，r为拟合半径。
4.根据权利要求2所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S22中，根据所述圆心O、法向量
Figure FDA0002559320490000012
和校正半径r′构造无限长圆柱，根据下述公式提取圆柱包围的点云作为铆钉头的初始点云Ph0:
Figure FDA0002559320490000013
其中，P为原始点云数据，
Figure FDA0002559320490000014
为所述轮廓圆的圆心。
5.根据权利要求2所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S3中，针对所述单个铆钉轮廓，提取出铆钉周围的点云的过程包括以下步骤：
以所述轮廓圆圆心为中心，m倍的所述校正半径长为半径构造无限长圆柱，提取此圆柱包围的除所述铆钉头点云之外的点云作为铆钉周围点云。
6.根据权利要求5所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，所述m等于3。
7.根据权利要求1所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S4中，所述根据铆钉头点云及铆钉周围点云，生成反映铆钉齐平度的距离色差图的过程包括以下步骤：
S41：采用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合所述铆钉周围点云的三维平面作为周围平面，确定所述周围平面的法向量；
S42：计算所述铆钉头点云到所述周围平面的距离；
S43：关联所述距离与颜色比例，生成距离色差图，
8.根据权利要求7所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S41中，采用基于RANSAC的三维平面拟合方法拟合所述铆钉周围点云Ps的三维平面作为周围平面，确定此平面的法向量
Figure FDA0002559320490000021
及点法式平面方程
Figure FDA0002559320490000022
Figure FDA0002559320490000023
其中p0为所述铆钉周围点云Ps的均值点。
9.根据权利要求8所述的点云铆钉齐平度自动检测方法，其特征在于，步骤S42中，采用下述公式计算所述铆钉头点云到所述周围平面的距离d：
Figure FDA0002559320490000024
其中，ph1i为所述铆钉头点云Ph1中第i个点，Prjna代表a在法向量
Figure FDA0002559320490000025
方向上的投影向量。
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Application publication date: 20200417

Assignee: Nanjing Yuntong Technology Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2022320000056

Denomination of invention: An automatic detection method of point cloud rivet flatness

Granted publication date: 20200922

License type: Exclusive License

Record date: 20220426