CN112729151B - 一种焊缝结构三维点云测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊缝结构三维点云测量方法，上述焊缝结构三维点云测量方法包括：控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，上述目标区域为待检测的焊缝所在区域；基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据；基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。本发明方案集成线结构光传感器、距离测量传感器以及姿态测量传感器对焊缝结构进行自动、全面的测量并获得待检测焊缝架构的三维点云。有利于提高焊缝测量的效率和测量精度，实现对焊缝的全面覆盖测量并获得焊缝结构的三维点云。

Description

一种焊缝结构三维点云测量方法

技术领域

本发明涉及焊缝测量技术领域，尤其涉及的是一种焊缝结构三维点云测量方法。

背景技术

随着工业水平的发展，焊接产品的种类和数目都越来越多，焊接产品的焊接质量也越来越受到重视。焊接质量主要取决于焊缝结构外形尺寸、焊缝组织和力学性能等，其中，焊缝结构外形尺寸是衡量焊接质量的重要指标。目前，焊缝测量是产品生产线中重要的一步。

现有技术中，通常采用人工的方法进行焊缝测量，由操作人员使用焊接校验尺对焊缝进行测量。现有技术的问题在于，使用焊接校验尺对焊缝结构进行人工测量时测量效率低、测量精度低、且不能对焊缝实现全覆盖测量，不能满足现代焊接技术的测量要求。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

针对现有技术中使用焊接校验尺对焊缝结构进行人工测量时测量效率低、测量精度低、且不能对焊缝实现全覆盖测量的技术问题，本发明提供一种焊缝结构三维点云测量方法。

为了实现上述技术效果，本发明提供一种焊缝结构三维点云测量方法，其中，上述方法包括：

控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，上述目标区域为待检测的焊缝所在区域；

基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据；

基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。

可选的，上述测量数据包括距离数据、姿态数据以及断面数据，上述基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据，包括：

基于上述距离测量传感器测量获取上述距离数据；

基于上述姿态测量传感器测量获取上述姿态数据；

基于上述线结构光传感器测量获取上述断面数据；

基于上述距离数据、上述姿态数据以及上述断面数据获取上述测量数据。

可选的，上述基于上述线结构光传感器测量获取上述断面数据，包括：

控制上述线结构光传感器每次测量上述目标领域的一个三维断面；

移动上述线结构光传感器，分别对上述目标领域的各个三维断面进行测量，获取上述断面数据。

可选的，上述线结构光传感器采用外触发模式工作。

可选的，上述基于上述距离测量传感器测量获取上述距离数据，包括：

控制上述距离测量传感器每前进一个预设距离后输出一个脉冲信号；

对上述脉冲信号进行计数，并获得上述距离数据。

可选的，上述控制上述线结构光传感器每次测量上述目标领域的一个三维断面，包括：

基于上述距离数据生成触发信号；

基于上述触发信号触发上述线结构光传感器测量上述目标区域的一个三维断面。

可选的，上述方法还包括：

基于同步控制电路控制上述距离测量传感器、上述姿态测量传感器以及上述线结构光传感器进行同步数据测量。

可选的，上述基于上述距离数据、上述姿态数据以及上述断面数据获取上述测量数据，包括：

获取同步信号，基于上述同步信号对上述距离数据、上述姿态数据以及上述断面数据进行逐帧打包并获取上述测量数据。

可选的，上述基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出，包括：

建立测量断面坐标系和测量基准坐标系；

基于上述断面数据、姿态数据以及上述距离数据进行反演，生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。

可选的，上述基于上述断面数据、姿态数据以及上述距离数据进行反演，生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出，包括：

基于上述姿态数据求解上述测量断面坐标系与上述测量基准坐标系之间的旋转矩阵；

基于上述距离数据求解上述测量断面坐标系与上述测量基准坐标系之间的平移矩阵；

建立测量断面空间与测量基准空间的对应关系；

将上述断面数据映射至上述测量基准坐标系，生成焊缝断面的三维点云并输出。

由上可见，本发明方案控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，上述目标区域为待检测的焊缝所在区域；基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据；基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。本发明方案集成线结构光传感器、距离测量传感器以及姿态测量传感器对焊缝结构进行自动、全面的测量并获得待检测焊缝架构的三维点云。因此相较现有技术中依赖于操作人员使用焊接校验尺对焊缝结构进行人工测量的方案，本发明方案能提高焊缝测量的效率和测量精度，且能实现对焊缝的全面覆盖测量并获得焊缝结构的三维点云，能满足现代焊接技术的测量要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种焊缝结构三维点云测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例图1中步骤S20的具体流程示意图；

图3是本发明实施例图2中步骤S23的具体流程示意图；

图4是本发明实施例图2中步骤S21的具体流程示意图；

图5是本发明实施例图3中步骤S231的具体流程示意图；

图6是本发明实施例图1中步骤S30的具体流程示意图；

图7是本发明实施例图6中步骤S32的具体流程示意图；

图8是本发明实施例提供的一种在焊缝结构三维点云测量过程中的数据采集方法流程示意图；

图9是本发明实施例提供的一种同步控制电路的工作原理示意图；

图10是本发明实施例提供的一种焊缝结构三维点云生成方法示意图；

图11是本发明实施例提供的一种线结构光传感器测量示意图；

图12是本发明实施例提供的一种线结构光传感器测量焊缝三维点云示意图；

图13是本发明实施例提供的一种测量装置的典型结构示意图；

图14是本发明实施例提供的一种被测焊缝结构示意图；

图15是本发明实施例提供的一种焊缝结构尺寸参数计算过程示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似的，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述的条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

下面结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

目前，对焊缝结构的测量越来越受到关注。良好的焊缝结构外形尺寸应为：焊缝表面细致、几何形状正确、焊缝余高适中、焊缝与母材过度平滑。实际焊接生产过程中，受焊接参数的变化和外界因素的干扰，焊接产品不可避免地会出现咬边、焊瘤、凹陷、焊接变形等缺陷。我国大量采用人工测量的方法进行焊缝测量，由操作人员使用焊接校验尺对焊缝进行测量，过程简单，但测量效率低、测量精度低、测量数据缺乏一致性，且不能对焊缝实现全覆盖测量，不能满足现代焊接技术的测量要求。

现有研究中，Junsock Lee等设计了一种激光视觉焊缝及倒角质量检测系统。该系统取代了肉眼评定焊缝质量的传统检测方式，检测及分析响应较快，检测内容较丰富。目前该系统已被应用在三星重工的KOJE造船厂，进行角焊缝及倒角的测量。J S Smith和JLucas提出了一种焊缝跟踪方法，通过处理工件表面的反射光的像素值得到焊缝信息。该方法中结构光和摄像机都垂直照射焊接工件表面，结构较简单。此外，英国的Meta-Vision公司生产的智能结构光传感器同样适用于焊缝检测，该传感器集成图像处理器进行焊缝测量。

目前，国内外普遍使用焊接校验尺或激光焊缝断面扫描装置对焊缝结构尺寸参数进行抽样式测量，测量效率低、容易出现漏检和误检、且不能对焊缝实现全覆盖测量，不能满足现代焊接技术的测量要求。因此，需要一种更好的焊缝结构测量方法。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种焊缝结构三维点云测量方法，在本发明实施例中，控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，上述目标区域为待检测的焊缝所在区域；基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据；基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。本发明方案集成线结构光传感器、距离测量传感器以及姿态测量传感器对焊缝结构进行自动、全面的测量并获得待检测焊缝架构的三维点云。相较现有技术中依赖于操作人员使用焊接校验尺对焊缝结构进行人工测量的方案，本发明方案能提高焊缝测量的效率和测量精度，且能实现对焊缝的全面覆盖测量并获得焊缝结构的三维点云，能满足现代焊接技术的测量要求。

示例性方法

如图1所示，本发明实施例提供一种焊缝结构三维点云测量方法，上述方法包括如下步骤：

步骤S10，控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，上述目标区域为待检测的焊缝所在区域。

本实施例中，上述目标区域为焊缝及其附近区域。控制线结构光传感器投射激光覆盖焊缝及其附近的区域，从而保证对焊缝进行全面覆盖和测量，以获得焊缝的全面的三维点云。

步骤S20，基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据。

由于上述焊缝处于上述目标区域中，因此上述目标区域的测量数据包括对应焊缝的测量数据，其中，包括测量获得的焊缝对应的断面数据，基于焊缝的断面数据可以生成焊缝结构的三维点云。

步骤S30，基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。

具体的，由于上述测量数据是对焊缝结构的目标区域进行全面覆盖和测量获得的，因此基于上述测量数据可以生成对应区域的焊缝结构的三维点云。

由上可见，本发明实施例提供的焊缝结构三维点云测量方法控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，上述目标区域为待检测的焊缝所在区域；基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及上述线结构光传感器获取上述目标区域的测量数据；基于上述测量数据生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。本发明方案集成线结构光传感器、距离测量传感器以及姿态测量传感器对焊缝结构进行自动、全面的测量并获得待检测焊缝架构的三维点云。因此相较现有技术中依赖于操作人员使用焊接校验尺对焊缝结构进行人工测量的方案，本发明方案能提高焊缝测量的效率和测量精度，且能实现对焊缝的全面覆盖测量并获得焊缝结构的三维点云，能满足现代焊接技术的测量要求。

具体的，上述测量数据包括距离数据、姿态数据以及断面数据，如图2所示，本实施例中，上述步骤S20包括：

步骤S21，基于上述距离测量传感器测量获取上述距离数据。

步骤S22，基于上述姿态测量传感器测量获取上述姿态数据。

步骤S23，基于上述线结构光传感器测量获取上述断面数据。

步骤S24，基于上述距离数据、上述姿态数据以及上述断面数据获取上述测量数据。

可选的，上述距离测量传感器可以包括里程编码器、光电接近开关、机器视觉三维定位系统等；上述姿态测量传感器可以包括惯性测量传感器、机器视觉三维定姿系统等。上述距离数据包括待检测的焊缝结构的运动距离；上述姿态数据包括上述线结构光传感器运动过程中的姿态，可以结合断面数据实现断面姿态修正；上述断面数据包括上述线结构光传感器测量获得的对应焊缝的各断面的数据。上述距离数据和上述姿态数据可以融合用于对焊缝的绝对定位。

可选的，还可以基于上述断面数据实时计算焊缝的高和宽，对缺陷断面实时告警，以便筛选出存在缺陷的焊缝结构。进一步的，还可以基于测量获得的焊缝结构的三维点云进行焊缝整体质量评估，输出质量报告，在此不做具体限定。

具体的，如图3所示，本实施例中，上述步骤S23包括：

步骤S231，控制上述线结构光传感器每次测量上述目标领域的一个三维断面。

步骤S232，移动上述线结构光传感器，分别对上述目标领域的各个三维断面进行测量，获取上述断面数据。

本实施例中，上述线结构光传感器采用外触发模式工作，其触发信号由控制电路依据距离测量传感器测量的运动距离计算，从而实现与运动速度无关的等距触发测量。

具体的，如图4所示，本实施例中，上述步骤S21包括：

步骤S211，控制上述距离测量传感器每前进一个预设距离后输出一个脉冲信号。

步骤S212，对上述脉冲信号进行计数，并获得上述距离数据。

其中，上述距离测量传感器与待检测的焊缝结构接触设置。上述预设距离为预先设置的发送脉冲信号的间隔距离，可以根据实际需求进行调整，在此不做具体限定。

由于上述距离测量传感器每前进一个预设距离后输出一个脉冲信号，因此对上述脉冲信号进行计数，再将脉冲数目乘以上述预设距离即可获得对应的距离传感器前进的实际距离，从而获得焊缝结构实际的运动距离。

具体的，如图5所示，本实施例中，上述步骤S231包括：

步骤S2311，基于上述距离数据生成触发信号。

步骤S2312，基于上述触发信号触发上述线结构光传感器测量上述目标区域的一个三维断面。

如上所述，基于上述距离数据可以获得焊缝结构实际的运动距离。上述基于上述距离数据生成触发信号具体为：获取焊缝结构的运动距离，在焊缝结构每前进一预设的测量间距时，触发信号计数器向上述线结构光传感器发送脉冲触发信号，触发上述线结构光传感器测量上述目标区域的一个三维断面。

本实施例中，上述方法还包括：基于同步控制电路控制上述距离测量传感器、上述姿态测量传感器以及上述线结构光传感器进行同步数据测量。具体的，在触发信号计数器向上述线结构光传感器发送脉冲触发信号的同时，触发信号计数器向姿态测量传感器发送脉冲触发信号，触发姿态测量传感器进行测量。

可选的，上述基于上述距离数据、上述姿态数据以及上述断面数据获取上述测量数据，包括：获取同步信号，基于上述同步信号对上述距离数据、上述姿态数据以及上述断面数据进行逐帧打包并获取上述测量数据。

其中，上述同步信号由系统时钟分频计数产生。本实施例中，使用经过PLL倍频的高稳晶振信号作为系统时钟，FPGA同步控制器将采集到的数据存入寄存器中，等待同步信号跳边沿到来，从寄存器中取出传感器测量数据(包括距离数据、姿态数据和断面数据)，并打上时间戳，完成一帧数据的时间同步。

如此，可实现与运动速度无关的等距离多传感器同步触发测量，实现测量断面时，断面数据、距离数据以及姿态数据的等距离同步采集，并将结果打包成单帧测量数据。综合考虑焊缝高速三维检测过程中的典型技术需求，实现数据高效率、高精度、高可靠性的同步采集和处理，使得上述方法适用于高精度时空精度动态场景下，多传感器的同步控制采集过程。

具体的，如图6所示，本实施例中，上述步骤S30包括：

步骤S31，建立测量断面坐标系和测量基准坐标系。

步骤S32，基于上述断面数据、姿态数据以及上述距离数据进行反演，生成上述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。

可选的，通过嵌入式采集程序采集上述测量数据，并对上述时间同步后的每一帧数据中的断面数据、姿态数据以及距离数据进行高精度反演，依次将各帧的断面数据映射至测量基准坐标系，并输出高质量的焊缝结构三维点云。

具体的，如图7所示，本实施例中，上述步骤S32包括：

步骤321，基于上述姿态数据求解上述测量断面坐标系与上述测量基准坐标系之间的旋转矩阵。

步骤322，基于上述距离数据求解上述测量断面坐标系与上述测量基准坐标系之间的平移矩阵。

步骤323，建立测量断面空间与测量基准空间的对应关系。

步骤324，将上述断面数据映射至上述测量基准坐标系，生成焊缝断面的三维点云并输出。

如此，实现基于测量数据生成对应的焊缝断面的三维点云，实现对焊缝的全面覆盖测量，且提升测量效率、实时性和精度，实现了对焊缝的高速三维测量，有利于满足现代焊接技术的测量要求。

可选的，上述焊缝结构三维点云测量方法除了应用于对焊缝结构进行测量以外，还可以用于测量其它类型的接缝结构，例如胶合接缝结构，在此不做具体限定。

具体的，图8示出了本实施例提供的一种在焊缝结构三维点云测量过程中的数据采集方法流程，其中，上述焊缝结构三维点云测量过程中集成线结构光传感器、距离测量传感器、姿态测量传感器和控制电路进行测量。具体的，控制线结构光传感器投射激光线覆盖焊缝及其附近区域，每次测量一个三维断面，通过移动上述线结构光传感器实现对应焊缝的三维断面数据采集。线结构光传感器采用外触发模式工作，触发信号由控制电路依据距离测量传感器测量的焊缝结构的运动距离计算，实现与运动速度无关的等距触发测量。线结构光传感器运动过程中的姿态通过姿态测量传感器测量，结合断面数据实现断面姿态修正。对距离测量传感器和姿态测量传感器测量获得的数据进行融合并用于对被测焊缝的绝对定位。

控制电路使用高稳晶振作为时间基准，经过PLL进行倍频作为同步控制电路的系统时钟。传感器的工作触发信号由系统时钟计数分频产生，多传感器数据同步信号由系统时钟分频计数产生。系统上电后，同步控制电路进入工作状态，产生周期性的触发信号触发多传感器的数据采集。随后，控制电路等待同步信号的跳边沿到来，将多传感器数据按预设格式打包通过高速接口发送至嵌入式采集程序进行相关处理计算。其中，上述多传感器数据包括距离数据、姿态数据以及断面数据；上述预设格式为预先设置的打包格式，可以根据实际需求进行设置和调整，在此不做具体限定。

可选的，上述数据采集可以有多种实现方式，本实施例中，以FPGA与MPU结合的方式为例进行说明，实际使用中还可以有其它方式，在此不做具体限定。具体的，系统上电后，MPU通过串口或IO主动向FPGA发送开始指令或触发电平。FPGA接收开始指令或触发电平后开始工作，生成触发信号、同步信号等。传感器(包括距离测量传感器、姿态测量传感器以及线结构光传感器)接收到FPGA同步控制电路输出的触发信号后进入工作状态，以触发信号的动作频率输出测量数据。同步控制电路根据传感器数据输出接口以及通信协议接收测量数据并存入相应的寄存器中，新的一帧数据来到后刷新寄存器。同步信号到来时，从寄存器中取出相应的数据按照预设的协议进行打包，通过网口、高速USB等接口发送至MPU进行数据解析以及处理计算。处理结果和原始数据传输并存储到存储单元中。

进一步的，上述嵌入式采集程序接收线结构光传感器测量的断面数据，融合距离数据、姿态数据形成一次完整测量数据，输出给数据存储设备或焊缝尺寸参数计算程序。嵌入式采集程序利用姿态数据求解测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的旋转矩阵，利用融合距离数据求解测量断面坐标系与焊缝测量基准坐标系之间的平移矩阵，建立线结构光测量断面空间与焊缝测量基准空间的对应关系。嵌入式采集程序将结构光传感器测量断面数据映射至焊缝测量基准坐标系，实时生成焊缝断面的三维点云。可选的，上述嵌入式采集程序还可以将生成的三维点云输出给数据存储设备或输出给焊缝尺寸参数计算程序。

可选的，上述数据处理过程以嵌入式采集程序为执行主体进行说明，实际使用中，上述数据处理过程还可以由其它设备、装置或程序执行，在此不做具体限定。

具体的，在进行上述焊缝结构三维点云测量的过程中，需要保持高精度、高可靠性的时空同步。其中，空间同步基于刚性平台实现。刚性平台固定线结构光传感器、姿态测量传感器、距离测量传感器等装置，保证测量过程之中任一刻装置间的位置姿态关系在以刚性平台为基准的坐标系内固定。此时，姿态测量传感器输出的姿态变化等价于结构光传感器对应的测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的姿态变化R，距离测量传感器输出的位移变化等价于结构光传感器对应的测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的距离变化T。

本实施例中，时间同步基于同步控制电路实现，图9为本发明实施例提供的一种同步控制电路的工作原理示意图。具体的，距离测量传感器与焊缝结构接触，并沿焊缝结构前进固定距离y_step后向外输出一个脉冲信号，经过信号调理电路进入里程计数器。触发信号计数器会对脉冲的个数进行计数、以实现数字测量、运算和控制。系统时钟产生一个标准的时间信号，作为分频计数器的计数标准时间。当触发信号计数器采集的到脉冲信号个数k满足触发条件方程时，触发信号计数器向结构光传感器和姿态测量传感器发送脉冲触发信号，触发结构光传感器和姿态测量传感器工作，其中，上述y_step为预设距离，上述触发条件方程如下：

Y_step＝k*y_step (1)

其中，Y_step为预先设置的测量间距，在焊缝结构每前进一预设的测量间距时，触发信号计数器向上述线结构光传感器发送脉冲触发信号。

进一步的，同步控制电路使用高稳晶振作为时间基准，经过PLL进行倍频作为同步控制电路的系统时钟。传感器的工作触发信号由系统时钟计数分频产生，多传感器数据同步信号由系统时钟分频计数产生。系统上电后，同步控制电路进入工作状态，产生周期性的触发信号触发多传感器的数据采集。传感器工作触发信号触发传感器数据采集，FPGA同步控制器通过传感器的通信接口以及通信协议，将采集到的数据存入数据寄存器中。随后，FPGA同步控制器等待同步信号跳边沿到来，取出传感器测量数据，按照预设格式打包数据和时间戳，完成单帧数据同步采集。以此类推，连续采集多帧同步数据，并输出到数据存储单元或数据计算程序。其中，上述多传感器数据包括距离数据、姿态数据以及断面数据；上述预设格式为预先设置的打包格式，可以根据实际需求进行设置和调整，在此不做具体限定。

可选的，图10为本发明实施例提供的一种具体的焊缝结构三维点云生成方法示意图，如图10所示，利用姿态数据求解测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的旋转矩阵，利用距离数据求解测量断面坐标系与焊缝测量基准坐标系之间的平移矩阵。通过建立线结构光测量断面空间与焊缝测量基准空间的对应关系，生成焊缝结构三维点云。

具体的，线结构光传感器测量的第i个测量断面点云为S_i(p₁,p₂,p₃,…,p_n)。其中，p_n为点云中的独立点，坐标表示为p_n(x_n,y_n)。基于姿态数据得到测量断面坐标系与测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w之间的姿态角度(α_i,β_i,γ_i)，基于距离数据得到测量断面坐标系与测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w之间的移动距离(Δx_i,Δy_i,Δz_i)。线结构光传感器测量的第i个测量断面空间与焊缝测量基准空间的满足关系方程：

其中，p′_n(x′_n,y′_n,z′_n)为p_n点在测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w中的坐标，m为测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的缩放系数，R_α为姿态角α_i对应的旋转矩阵，R_β为姿态角β_i对应的旋转矩阵，R_γ为姿态角γ_i对应的旋转矩阵，T为测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的距离变化，且有：

其中，α_i为测量基准坐标系x_w方向旋转角，β_i为测量基准坐标系y_w方向旋转角，γ_i为测量基准坐标系z_w方向旋转角。

将测量断面S_i中，所有的点通过上述方法投影至测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w中，可以得到一组以测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w作为测量基准的点云集合S′_i，该集合即为该断面在测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w内的三维点云。将连续的测量断面∑(S₁,S₂,S₃,…,S_i)中，所有的点通过上述方法投影至测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w中，可以得到一组以测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w作为测量基准的点云集合∑(S′₁,S′₂,S′₃,…,S′_i)，该集合即为焊缝结构在测量基准坐标系o_wx_wy_wz_w内的三维点云。

进一步的，本申请实施例还公开一个具体的焊缝结构三维点云测量流程，以下进行具体说明。线结构光传感器通过激光三角测量物体表面轮廓，如图11所示。激光二极管经过射出透镜形成一束激光线条聚焦在被测表面，相机从另一角度对物体表面上的激光线条进行成形，根据不同的表面高度，反射光经过受光透镜，被投射到受光元件(一般为CCD或CMOS)上不同的位置。根据透镜成像原理，物方高程ΔH和像方高程Δh之间满足近似方程：

其中，θ为光束光轴与摄像机光轴之间的夹角，f为激光束光轴和镜头透镜光轴的交点到接受透镜前主面的距离，d为接收透镜后主面到成像面中心点的距离。

焊缝结构的三维点云测量通过移动线结构光传感器实现，如图12所示。测量断面坐标系下任一点P_m(x_m,y_m)在测量基准坐标系下表示为P_w(x_w,y_w,z_w)，两者满足如下公式：

其中，R为姿态测量传感器获取的测量平面坐标系与测量基准坐标之间的旋转矩阵；T为距离测量传感器获取的测量平面坐标系与测量基准坐标之间的平移矩阵。

图13为本实施例提供的一种测量装置的典型结构示意图。线结构光传感器投射激光线覆盖焊缝及其附近区域，每次测量一个三维断面，通过移动线结构光传感器采集焊缝的三维点云数据。线结构光传感器采用外触发模式工作，触发信号由控制电路依据距离里程编码器的运动距离计算，实现与运动速度无关的等距触发测量。线结构光传感器运动过程中的姿态通过惯性测量传感器测量，结合断面数据实现断面姿态修正。里程编码器和惯性测量传感器数据融合进行被测焊缝的绝对定位。

本实施例提供一个焊缝结构三维点云测量过程的案例，被测焊缝结构为图14所示的T型母材结构。检测人员手持放置于焊缝上方的测量装置沿焊缝方向推动，里程编码器与焊缝贴合，线结构光测量断面与焊缝方向垂直。

嵌入式采集程序完成一次完整的断面数据采集后，进行数据存储或输出给焊缝尺寸参数计算程序。嵌入式采集程序连续接收完整测量数据，将线结构光传感器测量连续获得的断面数据依次映射至焊缝测量基准坐标系，生成焊缝结构的三维点云并进行数据存储。其中，焊缝结构尺寸参数计算过程如图15所示。

计算程序将断面轮廓点云S分割成三个子集，包括焊缝左侧母材轮廓点云S_L、焊缝轮廓点云S_M、焊缝右侧母材轮廓点云S_R。点云子集间的交汇点为焊缝两侧的焊脚点p_L(x_L,y_L)和p_R(x_R,y_R)，其中，(x,t)为点在测量断面坐标系中的坐标。

计算程序使用一元线性回归方程将左右两侧母材点云拟合成直线l_L和l_R，拟合直线的交点为母材拼接点p_M(x_M,y_M)。左侧焊脚厚度t_L和右侧焊脚厚度t_R

分别等于焊脚点p_L(x_L,y_L)和p_R(x_R,y_R)到母材拼接点p_M(x_M,y_M)的距离：

焊脚点p_L(x_L,y_L)和p_R(x_R,y_R)的连线长度为焊缝宽度w：

计算程序选择合适的焊缝顶点，通常为距离两侧母材最远的焊缝点

p_h(x_h,y_h)。焊缝高度h为焊缝点与母材拼接点间的距离：

计算程序将左侧焊脚厚度t_L、右侧焊脚厚度t_R、焊缝宽度w和焊缝高度h等参数作为该角焊缝结构的尺寸参数进行数据存储。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用程序功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机程序和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是程序方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述集成的模块/单元如果以程序功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述计算机程序可存储于以计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。上述计算机可读介质可以包括：能够携带上述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及程序分发介质等。需要说明的是，上述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述方法包括：

控制线结构光传感器投射激光线覆盖目标区域，其中，所述目标区域为待检测的焊缝所在区域；

基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及所述线结构光传感器获取所述目标区域的测量数据；所述测量数据包括距离数据、姿态数据以及断面数据，所述基于距离测量传感器、姿态测量传感器以及所述线结构光传感器获取所述目标区域的测量数据，包括：

基于所述距离测量传感器测量获取所述距离数据；

所述基于所述距离测量传感器测量获取所述距离数据，包括：

控制所述距离测量传感器每前进一个预设距离后输出一个脉冲信号；

对所述脉冲信号进行计数，将脉冲数目乘以所述预设距离获得所述距离数据；

基于所述姿态测量传感器测量获取所述姿态数据；

基于所述线结构光传感器测量获取所述断面数据；

基于所述距离数据、所述姿态数据以及所述断面数据获取所述测量数据；

基于所述测量数据生成所述待检测的焊缝结构的三维点云并输出；

所述基于所述测量数据生成所述待检测的焊缝结构的三维点云并输出包括：

利用所述姿态数据求解测量断面坐标系与测量基准坐标系之间的旋转矩阵；

利用所述距离数据求解测量断面坐标系与焊缝测量基准坐标系之间的平移矩阵；

通过建立线结构光测量断面空间与焊缝测量基准空间的对应关系，生成焊缝结构的三维点云。

2.根据权利要求1所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述基于所述线结构光传感器测量获取所述断面数据，包括：

控制所述线结构光传感器每次测量所述目标区域的一个三维断面；

移动所述线结构光传感器，分别对所述目标区域的各个三维断面进行测量，获取所述断面数据。

3.根据权利要求2所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述线结构光传感器采用外触发模式工作。

4.根据权利要求1所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述控制所述线结构光传感器每次测量所述目标区域的一个三维断面，包括：

基于所述距离数据生成触发信号；

基于所述触发信号触发所述线结构光传感器测量所述目标区域的一个三维断面。

5.根据权利要求4所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于同步控制电路控制所述距离测量传感器、所述姿态测量传感器以及所述线结构光传感器进行同步数据测量。

6.根据权利要求5所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述基于所述距离数据、所述姿态数据以及所述断面数据获取所述测量数据，包括：

获取同步信号，基于所述同步信号对所述距离数据、所述姿态数据以及所述断面数据进行逐帧打包并获取所述测量数据。

7.根据权利要求1至6任一项所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述基于所述测量数据生成所述待检测的焊缝结构的三维点云并输出，包括：

建立测量断面坐标系和测量基准坐标系；

基于所述断面数据、姿态数据以及所述距离数据进行反演，生成所述待检测的焊缝结构的三维点云并输出。

8.根据权利要求7所述的焊缝结构三维点云测量方法，其特征在于，所述基于所述断面数据、姿态数据以及所述距离数据进行反演，生成所述待检测的焊缝结构的三维点云并输出，包括：

基于所述姿态数据求解所述测量断面坐标系与所述测量基准坐标系之间的旋转矩阵；

基于所述距离数据求解所述测量断面坐标系与所述测量基准坐标系之间的平移矩阵；

建立测量断面空间与测量基准空间的对应关系；

将所述断面数据映射至所述测量基准坐标系，生成焊缝断面的三维点云并输出。

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