CN112818428B - 一种用于cad模型面结构光全自动扫描路径规划方法 - Google Patents

一种用于cad模型面结构光全自动扫描路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，包括以下步骤：S1、模型采样：从CAD模型的每个面片选取采样点；S2、视点计算：根据采样点和扫描仪中预设的标准扫描距离，生成采样点对应的视点；S3、视点精简：遍历每个采样点及其邻域采样点并进行分析，初步精简部分采样点、视点；然后遍历剩下的视点及其邻域视点并进行分析，再次精简部分视点及其对应的采样点；S4、生成路径：将CAD模型划分为多个空间，每个空间中的视点进行排列后，选取运动代价最小的排列作为执行路径，根据所有执行路径确定全局路径。本发明可以保证所有采样点均在CAD模型上能被扫描到，极大的提高了扫描效率。

Description

一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法
技术领域
本发明涉及扫描路径计算机规划方法邻域，具体是一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法。
背景技术
现阶段自动化扫描基本上以人工示教为主，通过人工提前示教出扫描点位、扫描姿态以及扫描路径来实现自动化扫描，这一过程效率低下，对不同的被测物都需要重新示教，且示教出的扫描位姿并不一定是最优的。随着技术的发展，逐渐发展出虚拟示教系统。
虚拟示教系统是指在计算机上完成示教过程，但是虚拟示教本质上还是人工示教，只是减少了人工示教的工作量。近年来在全自动扫描方向上出现了一些研究成果，在自动化扫描算法上目前主要有两种方案，一种是基于扫描球面的视点计算，一种是基于包围盒的最优化视点计算。基于扫描球面的视点计算方法是根据被测物体上的目标点与扫描球面相交来获取视点，这种方法在视点计算时没有考虑被测物体表面信息，因此这种方法无法保证视点位置在扫描仪的标准扫描范围下。基于包围盒的最优化视点计算方法是先对被测物的模型进行包围盒划分，然后对每个包围盒内的曲面进行扫描质量参数计算，以此来寻找包围盒每个面的最优视点。这种方法充分考虑了被测物的表面信息，但是由于包围盒的每个面只能生成一个视点，因此对复杂模型表面的细节扫描效果较差，无法实现精确完整的扫描。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，以解决现有技术计算机实现的扫描方法存在的扫描效率低下、自动化程度低、细节完整性不好的问题，实现完整、精确的自动化扫描。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，包括以下步骤：
S1、模型采样：
模型采样是对CAD模型表面的每一个面进行采样从而获取一系列采样点的一种方法。采样点用于视点初始位置的生成，因此模型采样至关重要。
分别从CAD模型的每个面片选取采样点，由此得到多个面片各自对应的采样点，由此可以保证该采样点在面片上。
S2、视点计算：
采样完成后，可以获取CAD模型每个面片上的采样点和该采样点的法向，确定选取的每个面片的采样点的法向后，并根据扫描仪中预设的标准扫描距离，结合采样点及其法向生成该采样点对应的视点。
S3、视点精简：
CAD模型的每个面片至少有一个采样点，每个采样点都对应着一个视点，因此，当CAD模型比较复杂包含的面比较多时，视点就会非常多，导致扫描效率低下。为了提高扫描效率并且要保证扫描的完整性的条件下进行视点的精简是必须的。
遍历每个采样点及其邻域采样点并进行分析，基于分析结果初步精简部分采样点及其对应的视点；然后遍历初步精简后剩下的每个视点及其邻域视点并进行分析，基于分析结果再次精简部分视点及其对应的采样点，最终两次精简后剩余的视点作为有效的视点。
S4、生成路径：将CAD模型划分为多个空间，并将划分到相同空间内的有效的视点分为一组，分别将每组中的视点进行全排列得到多个排列方式，然后计算每组中每个排列方式下运动件的运动代价，选取运动代价最小的排列方式作为该组的执行路径，最后根据各组的执行路径得到全局路径作为扫描路径。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S1中，首先获取CAD模型每个面片在参数域内的边界，然后在参数域内的一个方向上取一条直线与该参数域相交，并取交点之内的中心点作为该面片的采样点。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S1中，对于面积小于预设面积阈值的面片，在参数域内直接取中心点作为面片的采样点；
对于面积大于面积阈值的面片，对参数域进行等份分割，然后取每个分割区域的中心点作为采样点。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S1中，对于曲率大于预设曲率阈值的面片，在曲率方向上插入至少一个点，从而得到多个采样点。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S2中，采样点处的法向不能保证准确朝外，因此需要进行法向的一致定向，各个采样点的法向一致定向为向外方向。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S2中，扫描仪的扫描方向为视点向对应采样点的连线方向。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S2中，视点生成后，还需要进行碰撞检测和遮挡检测，并把视点调整到可扫描的最优状态。生成每个采样点对应的视点后，对每个视点分别依次进行碰撞检测和遮挡检测，其中碰撞检测结果为存在碰撞的视点给予删除，遮挡检测结果为存在遮挡的视点则进行调整，直至视点不存在遮挡。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S3中，初步精简过程为：遍历每个采样点的邻域采样点，并删除与采样点距离小于预设距离阈值的邻域采样点，同时删除对应的视点，实现初步精简。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S3中，再次精简过程为：遍历每个视点的邻域视点，在邻域视点中计算出每个视点可以扫描到的所有CAD模型的区域，然后删除扫描区域相同以及扫描区域差距小于预设阈值的视点，并记录每个视点对应的扫描区域，最后继续遍历下一个视点及其邻域视点，当CAD模型上的每个面片均被扫描到之后停止计算，实现再次精简。
所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法步骤S4中，对每组执行路径的首尾视点进行判断，并对各组执行路径进行排序后，再按首尾视点拼接各组执行路径得到全局路径。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有程序指令，计算机运行程序指令时执行所述的方法。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1)利用CAD模型采样步骤，保证模型每个面都生成至少一个视点，且本算法可以保证所有采样点均在CAD模型上，并可以根据曲面特征自适应取点，以此保证每个面都能被扫描到。
2)利用生成视点步骤，生成视点的最优姿态，并考虑了碰撞和遮挡以及遮挡调整算法来实现对难以扫描的区域的最佳扫描。
3)利用视点精简步骤，对视点做最优的精简处理，在保证扫描完整性的前提下极大的提高了扫描效率。
4)利用生成路径步骤，实现最优路径的规划，最大程度减少了运动件的运动代价。
附图说明
图1是本发明实施例方法流程图。
图2a是本发明实施例模型采样时三维CAD面片示意图。
图2b是本发明实施例模型采样时CAD面片的参数域示意图。
图3a是本发明实施例中面积较大的面片采样自适应示意图。
图3b是本发明实施例中大曲率面片采样自适应示意图。
图4是本发明实施例中视点生成示意图。
图5是本发明实施例中法向定向示意图。
图6是本发明实施例中碰撞检测示意图。
图7a是本发明实施例中遮挡检测时视点遮挡示意图。
图7b是本发明实施例中遮挡检测时视线遮挡示意图。
图8a是本发明实施例中遮挡检测时无遮挡情形示意图。
图8b是本发明实施例中遮挡检测时有遮挡情形示意图。
图9a是本发明实施例中遮挡调整原理图。
图9b是本发明实施例中在曲面上的遮挡调整示意图。
图10是本发明实施例中初步精简示意图。
图11是本发明实施例中再次精简示意图。
图12是本发明实施例中路径生成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本实施例主要步骤包括模型采样、视点计算、视点精简、生成路径几个步骤，每个步骤的具体过程如下。
S1、模型采样
模型采样是对CAD模型表面的每一个面进行采样从而获取一系列采样点的一种方法。采样点用于视点位置的生成，因此模型采样至关重要。采样时首先获取每个面片在参数域内的边界，然后在参数域内的一个方向上(u或v)取一条直线与该参数域相交，取交点之内的中心点作为采样点，即可保证该采样点在CAD面片上。示例采样的三维面如图2a所示，对应的参数域如图2b所示，参数域内取到采样点p(u0,v0)对应的三维点为P(x(u0,v0),y(u0,v0),z(u0,v0))。
为了针对不同的面片的大小、曲率都能正常的扫描，因此采样时需要针对不同的特征进行优化。首先，根据扫描仪的扫描幅面对CAD模型表面的每一个面片进行划分，如公式1所示，其中S为面片的面积，S0为扫描仪的扫描幅面面积，k为比例系数，一般取0.6-0.8。对于面积较小的面片，在参数域内取中心点即可；对于面积较大的面，对参数域进行等份分割，然后取每个区域的中心点作为采样点，如图3a所示；对于曲率较大面片，需要在曲率较大的方向上多插入一个点，保证该面片的细节也可以扫到，采样自适应示意图如图3b所示。
Figure BDA0002880794610000051
S2、视点计算
采样完成后，可以获取模型每个面上的采样点和该点的法向，然后根据采样点的位置和法向以及扫描仪的标准扫描距离生成一个视点，该视点即为一个扫描点位，扫描方向即为视点与采样点连线的方向。如图4所示，表面S上一点P，其法向为n，以D为扫描仪标准扫描距离，沿着法向n延长距离D即可得到一个扫描视点Vp。但是采样点处的法向有时候不能准确朝外，因此需要法向的一致定向。初始视点生成后，还需要进行碰撞检测和遮挡检测，并把视点调整到可扫描的最优状态。
1)扫描方向的准确定向
首先，利用模型采样的方式把CAD模型进行离散成点云，此时对每一个面采样时要把采样间隔设置的小一点以获得尽可能多的采样点。然后，利用Delaunay三角化的原理对点云模型进行三角化，并计算每个面片的法向。最后，如图5所示，计算采样点的最邻近三角形t的法向N，并通过t的一环邻域三角形进行法向的校正，如果N是正确的，则进行判断N与该采样点原始法向n以及-n的夹角，夹角较小的即为正确的方向，从而实现采样点处的法向的准确定向。
2)碰撞检测
视点的碰撞检测需要检测扫描仪与模型的碰撞以及扫描仪与扫描场景的碰撞。碰撞检测的原理采用基于OBB包围盒的碰撞检测。首先根据视点位姿计算扫描仪的OBB包围盒，然后计算被测物的包围盒以及场景的包围盒，如图6所示，然后判断两个包围盒是否发生了碰撞，如果发生碰撞则删除该视点。
3)遮挡检测
遮挡检测包括视点的遮挡和视线的遮挡。视点的遮挡是指在扫描方向上存在模型本身的遮挡，视点遮挡示意图如图7a所示，在扫描方向上，曲面S上的点P被CAD模型本身的元素遮挡了，导致无法扫描。视线的遮挡是指在相机视线方向上存在遮挡，视线遮挡示意图如图7b所示，扫描仪的相机中心视线被CAD模型自身的元素遮挡，导致至少一个相机无法拍摄到曲面S上的点，从而导致无法扫描。在视点遮挡的情况下，视线遮挡一定存在，但是当视点不遮挡时，也可能存在视线的遮挡，所以在进行视点的遮挡检测时需要同时检测视线的遮挡。
遮挡检测是通过判断以视点和两相机光心为起点，与采样点连线为方向的射线与模型的交点是否是采样点实现的，如果最近的交点是其采样点，则认为没有发生遮挡，如果不是其对应的采样点，则认为发生了遮挡。遮挡检测原理如图8所示，图8a中，射线与模型相交且最近交点为p1，p1也是采样点P，此时认为没有发生遮挡；图8b中，射线与模型如果发生多次相交，且与起点距离最近的点p1不是采样点P，则认为发生了遮挡。
如果发生了遮挡，不能直接删除该视点，因为直接删除可能导致该点对应的目标面片无法被扫描，因此检测到遮挡后需要进行遮挡调整，以达到该面片可扫描的状态。遮挡调整原理图如图9a所示，在曲面上的遮挡调整示意图如图9b所示，以目标面片的采样点为起点，以角度a绕扫描方向旋转，在旋转圆弧上按角度b取一系列点作为候选视点，逐个判断这些点是否依然存在视点遮挡和视线遮挡，直到找到无遮挡的点停止，该点即为调整后的视点，其中角度a和b的大小一般取15度左右。
S3、视点精简
本实施例中CAD模型的每个面至少一个采样点，每个采样点都对应着一个视点，因此，当模型比较复杂包含的面比较多时，视点就会非常多，导致扫描效率低下。为了提高扫描效率并且要保证扫描的完整性的条件下进行视点的精简是必须的。
本实施例视点精简算法包含两个部分，首先根据采样点进行初步精简，然后根据视点进行精简。根据采样点的精简原理是遍历每个点的邻域点，并按照一定距离r删除较近的采样点，同时删除采样点对应的视点，实现视点的初步精简。初步精简原理示意图如图10所示，图中P0为当前采样点，r为搜索半径且r的大小一般不大于扫描仪标准扫描幅面的内接圆半径的一半，Pn1,Pn2为需要删除的邻域点。
完成初步精简之后，仍然会有大量视点，需要直接对视点进行再次精简。精简过程先按照一定距离D查找视点邻域视点，在邻域视点中计算出每个视点可以扫描到的所有模型上的区域，首先删除扫描区域相同或者差距在10％以内的点，然后记录每个视点对应的扫描区域，继续遍历下一个点及其邻域视点，当模型上的每个面片均被扫描到之后停止计算。其中，搜索距离D一般为扫描仪标准扫描幅面的内接圆半径，也可以适当缩小或增大不会影响精简结果。视点精简示意图如图11所示，对待扫描区域的扫描位置有三个视点P1、P2、P3，其中P2是扫描最完整且扫描角度最优，因此P1的两个临近点P2和P3被删除。
S4、生成路径
在生成全部视点后，需要对路径进行分组排序来确定扫描顺序。分组时根据CAD模型中心位置把空间划分为几等份，然后被划分到相同空间内的视点被分为一组。完成分组之后，对每个组内的点进行全排列，然后计算每种排列下机械臂的运动代价(运动代价为机械臂各个轴的旋转角度，不同的机械臂获取的方式不同，以ABB机械臂为例，ABB机械臂是通过轴配置参数提供运动代价)，取运动代价最小的那一组排列作为该组的执行路径，然后对所有组的首尾视点进行排序以实现全局路径生成，路径生成的示意图如图12所示。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别从CAD模型的每个面片选取采样点，由此得到多个面片各自对应的采样点；
S2、确定选取的每个面片的采样点的法向，并根据扫描仪中预设的标准扫描距离，结合采样点及采样点法向生成该采样点对应的视点；
S3、遍历每个采样点及采样点邻域采样点并进行分析，基于分析结果初步精简部分采样点及采样点对应的视点；然后遍历初步精简后剩下的每个视点及视点邻域视点并进行分析，基于分析结果再次精简部分视点及视点对应的采样点，最终两次精简后剩余的视点作为有效的视点；
初步精简过程为：遍历每个采样点的邻域采样点，并删除与采样点距离小于预设距离阈值的邻域采样点，同时删除对应的视点，实现初步精简；
再次精简过程为：遍历每个视点的邻域视点，在邻域视点中计算出每个视点可以扫描到的所有CAD模型的区域，然后删除扫描区域相同以及扫描区域差距小于预设阈值的视点，并记录每个视点对应的扫描区域，最后继续遍历下一个视点及视点邻域视点，当CAD模型上的每个面片均被扫描到之后停止计算，实现再次精简；
S4、将CAD模型划分为多个空间，并将划分到相同空间内的有效的视点分为一组，分别将每组中的视点进行全排列得到多个排列方式，然后计算每组中每个排列方式下运动件的运动代价，选取运动代价最小的排列方式作为该组的执行路径，最后根据各组的执行路径得到全局路径作为扫描路径。
2.根据权利要求1所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S1中，首先获取CAD模型每个面片在参数域内的边界，然后在参数域内的一个方向上取一条直线与该参数域相交，并取交点之内的中心点作为该面片的采样点。
3.根据权利要求2所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S1中，对于面积小于预设面积阈值的面片，在参数域内直接取中心点作为面片的采样点；
对于面积大于面积阈值的面片，对参数域进行等份分割，然后取每个分割区域的中心点作为采样点。
4.根据权利要求2所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S1中，对于曲率大于预设曲率阈值的面片，在曲率方向上插入至少一个点，从而得到多个采样点。
5.根据权利要求1所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S2中，各个采样点的法向一致定向为向外方向。
6.根据权利要求1所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S2中，扫描仪的扫描方向为视点向对应采样点的连线方向。
7.根据权利要求1所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S2中生成每个采样点对应的视点后，对每个视点分别依次进行碰撞检测和遮挡检测，其中碰撞检测结果为存在碰撞的视点给予删除，遮挡检测结果为存在遮挡的视点则进行调整，直至视点不存在遮挡。
8.根据权利要求1所述的一种用于CAD模型面结构光全自动扫描路径规划方法，其特征在于，步骤S4中，在生成全部视点后，对每组执行路径的首尾视点进行判断，并对各组执行路径进行排序后，再按首尾视点拼接各组执行路径得到全局路径。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述方法。
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