CN112861228B - 一种大型钢铁结构定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了大型钢铁结构定位方法及系统，方法包括以下步骤：获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元；使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征；分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像；将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置。该方法针对钢铁结构提出基于焊接单元拆分的初始定位方法，由于钢铁结构一般体积巨大，采用焊接单元拆分的方法极大地提高了定位效率与准确率。该方法采用视觉定位钢铁结构初始位置，可实现快速切换，直接为后续的激光线扫提供初始路径，省去现有技术中示教焊接等步骤。该方法极大地提高了钢铁结构焊接的柔性。

Description

一种大型钢铁结构定位方法及系统

技术领域

本发明属于工业制造技术领域，具体涉及一种大型钢铁结构定位方法及系统。

背景技术

现代建筑中已大量使用钢铁结构，包括工厂、桥梁等，在这些钢铁结构中存在大量的焊接工作。钢铁结构的焊接存在种类繁多、切换频繁等特点。传统的基于单纯的激光焊缝引导的焊接已无法满足钢铁结构焊接的要求。单纯的基于激光焊缝引导的焊接对焊接物体的初始位置有较高的要求，一般要求焊接体的初始位置偏差<10厘米，但大型钢铁结构由于体积庞大，要实现这么高精度的初始位置定位成本较高。另外，由于钢铁结构焊接切换频繁，使用工装夹具进行初定位会产生很大的工作量，浪费很多时间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种大型钢铁结构定位方法及系统，提高了定位的效率与准确率。

第一方面，一种大型钢铁结构定位方法，包括以下步骤：

获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元；

使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征；

分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像；

将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置。

优选地，所述获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元具体包括：

获取钢铁结构的CAD图纸；

按照预设的焊接单元模型将CAD图纸拆分成多个焊接单元；

所述焊接单元包括多个标准三维线段。

优选地，所述在点云上抽取线特征具体包括：

从点云中拟合生成所有的空间矩形；

根据该空间矩形生成多个实时三维线段；

对该实时三维线段中重复的线段进行筛选，得到所述线特征。

优选地，所述分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上具体包括：

将焊接单元中的标准三维线段和线特征的实时三维线段投影到同一个指定的方向上。

第二方面，一种大型钢铁结构定位系统，包括：

图纸线段获取单元：用于获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元；

实时线段获取单元：用于使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征；

匹配单元：用于分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像；

定位单元：用于将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置。

优选地，所述图纸线段获取单元具体用于：

获取钢铁结构的CAD图纸；

按照预设的焊接单元模型将CAD图纸拆分成多个焊接单元；

所述焊接单元包括多个标准三维线段。

优选地，所述实时线段获取单元具体用于：

从点云中拟合生成所有的空间矩形；

根据该空间矩形生成多个实时三维线段；

对该实时三维线段中重复的线段进行筛选，得到所述线特征。

优选地，所述匹配单元具体用于：

将焊接单元中的标准三维线段和线特征的实时三维线段投影到同一个指定的方向上。

由上述技术方案可知，本发明提供的大型钢铁结构定位方法及系统，针对钢铁结构提出基于焊接单元拆分的初始定位方法，由于钢铁结构一般体积巨大，采用焊接单元拆分的方法极大地提高了定位效率与准确率。该方法采用视觉定位钢铁结构初始位置，可实现快速切换，直接为后续的激光线扫提供初始路径，省去现有技术中示教焊接等步骤。该方法极大地提高了钢铁结构焊接的柔性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例一提供的大型钢铁结构定位方法的流程图。

图2为本发明实施例一提供的钢铁机构的CAD图纸。

图3为对图2进行拆分得到的焊接单元。

图4为图3的焊接单元中的三维线段。

图5为钢铁结构初始定位的原理图。

图6为本发明实施例一提供的大型钢铁结构定位系统的模块框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

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”和“包含”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，在此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。

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”。类似地，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[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

实施例一：

一种大型钢铁结构定位方法，参见图1，包括以下步骤：

S1：获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元，具体包括：

获取钢铁结构的CAD图纸；按照预设的焊接单元模型将CAD图纸拆分成多个焊接单元；所述焊接单元包括多个标准三维线段。

参见图2、3，焊接单元模型定义为焊接单元模型同样由不同的标准三维线段组成，其中l_j(j＝1，2，…，N_i)为焊接单元模型中的标准三维线段，N_i为焊接单元模型中的标准三维线段的数量。i＝1，2，…，N_u，i是焊接单元模型序号，N_u为焊接单元模型的总数量，标准三维线段定义为l_j＝[P_j，1，P_j，2]，其中p_j，1和p_j，2为线段l_j的两个端点。

CAD图纸拆分得到的焊接单元集合定义为其中，/>为第j个焊接单元，对应于前面定义的焊接单元模型的序号为I_j，M为焊接单元的数量。

S2：使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征，具体包括：

从点云中拟合生成所有的空间矩形；根据该空间矩形生成多个实时三维线段；对该实时三维线段中重复的线段进行筛选，得到所述线特征。

具体地，从点云中拟合的空间矩形定义为其中r_j(j＝1，2，…，N)为第j个空间矩形，N_R为拟合到的所有空间矩形的数量。对实时三维线段进行筛选后，得到的线特征定义为/>其中N_d为去重后实时三维线段的总数量。其中根据该空间矩形生成多个实时三维线段具体包括以下步骤：

1)为每个检测到的空间矩形r_i生成4条边缘线段其中边缘线段的定义方式与标准三维线段的定义方式一致，由其包含的两个端点组成。

2)逐一选取检测到的所有空间矩形的边缘线段对(每个空间矩形包括4条边缘线段)l_i及l_j，两条边缘线段对应的三维点分别为(P_i，1，P_i，2)及(P_j，1，P_j，2)，判断这对边缘线段是否重叠，判断方法包括：

a)计算两条边缘线段的方向距离dis＝cosDis(P_i，1-P_i，2，P_j，1-P_j，2)，其中cosDis(x，y)表示计算两个向量的余弦距离，如果|dis|＜T_cos，则两条边缘线段不重叠，判断结束，其中|.|表示计算绝对值，T_cos表示余弦角度阈值。

b)将点对(P_i，1，P_i，2)与(P_j，1，P_j，2)投影到(P_i，1，P_i，2)所在的直线，设P_i，1为零点，投影结果如下：设P_i，1为零点，d_i，1＝0，d_i，2＝||P_i，1P_i，2||₂，d_j，1＝cosDis(P_i，2-P_i，1，P_j，1P_i，1)*||P_j，1-P_i，1||₂，d_j，2＝cosDis(P_i，2-P_i，1，P_j，2-P_i，1)*||P_j，2-P_i，1||₂，其中|| ||₂表示向量的模值。如果max(d_j，1，d_j，2)＜d_i，1+ε或者min(d_j，1，d_j，2)＞d_i，2-ε，则两条边缘线段不重叠，判断结束。其中，ε表示相交判断阈值。

c)计算线段端点(P_j，1，P_j，2)到线段(P_i，1，P_i，2)所在直线的距离分别为与/>如果/>则两边缘线段不重叠，否则边缘两线段重叠，舍弃长度较短的边缘线段，判断结束。其中，T_d为判断两条线段距离的阈值，一般取值为5.0mm。

S3：分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像，具体包括：

将焊接单元中的标准三维线段和线特征的实时三维线段投影到同一个指定的方向上。

具体地，设模型坐标系中投影平面由2条相互垂直的向量生成，记为x_p及y_p，建立投影平面坐标系统[x_p，y_p，z_p]，其中 表示向量叉乘，设投影平面坐标系原点与CAD模型坐标系原点重合，那么投影平面坐标系与CAD模型坐标系之间的关系为：X_m＝M_m2pX_p；

其中，X_m，X_p分别表示模型坐标系与投影坐标系中的坐标点，M_m2p＝[x_p，y_p，z_p]表示由投影坐标系转为模型坐标系的旋转矩阵。焊接单元U_j包含的三维线段表示为由于每条三维线段由两个三维点组成，投影完后，三维点变成二维点，参见图4，即将两个三维点/>投影至投影平面，得到：

将焊接单元用其包含的三维线段投影在投影平面的二维线段表示为其中二维线段/>由2个三维端点/>投影到平面的2个二维端点/>表示，由于三维线段投影到二维线段后，线段会存在重复的可能，所以进行线段去重。

同理，将从点云上检测得到的线段投影到指定的二维平面上，得到二维线段集合/>其中二维线段/>由三维线段s_i投影得到，CAD的投影平面根据CAD模型得到，点云的投影平面根据实际平面得到，这两个投影平面理论上是同一个平面，只是计算时所处的坐标系不同，这里的投影平面可选实际工作平台上的平面，可以事先通过平台上的点云(未放置任何钢铁结构时)拟合计算得到，在平台的搭建过程中只需要计算一次。

S4：将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置，具体包括：

1)钢铁结构初始定位。

基于矢量线段的二维平面匹配相比传统的基于边缘像素的模板匹配，更加灵活与简洁。设CAD模板的二维线段集合为将该二维线段集合重新编号排列为/>其中N_m为CAD模板二维线段的数目。从当前点云中检测出来的线段集合为/>N_d为实际检测出来的二维线段数目。

设在匹配位置(x，y，α)处的代价函数为搜索空间范围为(x，y，α)∈S_xyα＝{(x_min，x_max)×(y_min，y_max)×(α_min，α_max)}，那么最佳匹配位置即钢铁结构的初始位置为/>其中/>为将线段/>通过平移(x，y)与旋转α度后的新线段，/>线段之间的距离/>定义为：

其中，θ_d为2条线段距离夹角阈值，一般取值为θ_d＝20，dis_const为最大线段距离，为常量，当线段之间的夹角大于θ_d时，线段之间的距离设为该常量。为线段之中的点距离线段/>所在的直线的距离，/>为线段之中的点/>距离线段/>所在的直线的距离，参见图5。

2)钢铁结构焊接单元初始定位。

当钢铁结构初始定位确定了目标的初始位置，但每个焊接单元相对整个CAD模型的相对位置并不是不变的，由于钢铁结构焊接一般以强度考虑为重要指标，精度一般不要求很高，所以焊接单元的点焊位置并不能完全由整体模型的初始匹配来确定，需要在初始匹配位置(x_best，y_best，α_best)的基础上进行进一步匹配。

标准焊接单元的二维投影线段为其中二维线段/>由两个二维端点/>表示，钢铁结构的初始位置确定后，标准焊接单元的二维投影线段/>中点的初始位置为：

其中，为旋转矩阵，焊接单元由于初始位置比整体钢铁结构的初始位置更为准确，焊接单元的定位只需要进行一次遍历搜索即可。设其搜索范围为/>

αrange＝[α_best-μ_u：δ_u：α_best+μ_u]，其中ε_u为焊接单元搜索的范围，s_u为焊接单元的位置搜索步长，μ_u为焊接单元角度的搜索范围，δ_u为焊接单元角度的初始搜索步长。

其中，f(x，y，α)为焊接单元内的所有线段匹配分数之和。

该大型钢铁结构定位方法，针对钢铁结构提出基于焊接单元拆分的初始定位方法，由于钢铁结构一般体积巨大，采用焊接单元拆分的方法极大地提高了定位效率与准确率。该方法采用视觉定位钢铁结构初始位置，可实现快速切换，直接为后续的激光线扫提供初始路径，省去现有技术中示教焊接等步骤。该方法极大地提高了钢铁结构焊接的柔性。

实施例二：

一种大型钢铁结构定位系统，参见图6，包括：

图纸线段获取单元：用于获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元；

实时线段获取单元：用于使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征；

匹配单元：用于分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像；

定位单元：用于将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置。

优选地，所述图纸线段获取单元具体用于：

获取钢铁结构的CAD图纸；

按照预设的焊接单元模型将CAD图纸拆分成多个焊接单元；

所述焊接单元包括多个标准三维线段。

优选地，所述实时线段获取单元具体用于：

从点云中拟合生成所有的空间矩形；

根据该空间矩形生成多个实时三维线段；

对该实时三维线段中重复的线段进行筛选，得到所述线特征。

优选地，所述匹配单元具体用于：

将焊接单元中的标准三维线段和线特征的实时三维线段投影到同一个指定的方向上。

该大型钢铁结构定位系统，针对钢铁结构提出基于焊接单元拆分的初始定位方法，由于钢铁结构一般体积巨大，采用焊接单元拆分的方法极大地提高了定位效率与准确率。该方法采用视觉定位钢铁结构初始位置，可实现快速切换，直接为后续的激光线扫提供初始路径，省去现有技术中示教焊接等步骤。该方法极大地提高了钢铁结构焊接的柔性。

本发明实施例所提供的系统，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种大型钢铁结构定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元；

使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征；

分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像；

将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置，具体包括：

1)钢铁结构初始定位；设CAD模板的二维线段集合为S_m，将该二维线段集合重新编号排列为其中N_m为CAD模板二维线段的数目；从当前点云中检测出来的线段集合为/>N_d为实际检测出来的二维线段数目；

设在匹配位置(x，y，α)处的代价函数为搜索空间范围为(x，y，α)∈S_xyα＝{(x_min，x_max)×(y_min，y_max)×(α_min，α_max)}，那么钢铁结构的初始位置为其中/>为将线段/>通过平移(x，y)与旋转α度后的新线段，/>线段之间的距离/>定义为：

其中，θ_d为2条线段距离夹角阈值，取值为θ_d＝20，dis_const为最大线段距离，为常量，当线段之间的夹角大于θ_d时，线段之间的距离设为该常量；为线段之中的点/>距离线段所在的直线的距离，/>为线段之中的点/>距离线段/>所在的直线的距离；

2)钢铁结构焊接单元初始定位；

标准焊接单元的二维投影线段为其中二维线段/>由两个二维端点表示，钢铁结构的初始位置确定后，标准焊接单元的二维投影线段/>中点的初始位置为：

其中，为旋转矩阵，设其搜索范围为/> arange＝[α_best-μ_u：δ_u：α_best+μ_u]其中ε_u为焊接单元搜索的范围，s_u为焊接单元的位置搜索步长，μ_u为焊接单元角度的搜索范围，δ_u为焊接单元角度的初始搜索步长；

其中，f(x，y，α)为焊接单元内的所有线段匹配分数之和。

2.根据权利要求1所述大型钢铁结构定位方法，其特征在于，所述获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元具体包括：

获取钢铁结构的CAD图纸；

按照预设的焊接单元模型将CAD图纸拆分成多个焊接单元；

所述焊接单元包括多个标准三维线段。

3.根据权利要求2所述大型钢铁结构定位方法，其特征在于，所述在点云上抽取线特征具体包括：

从点云中拟合生成所有的空间矩形；

根据该空间矩形生成多个实时三维线段；

对该实时三维线段中重复的线段进行筛选，得到所述线特征。

4.根据权利要求3所述大型钢铁结构定位方法，其特征在于，所述分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上具体包括：

将焊接单元中的标准三维线段和线特征的实时三维线段投影到同一个指定的方向上。

5.一种大型钢铁结构定位系统，其特征在于，包括：

图纸线段获取单元：用于获取钢铁结构的图纸，将该图纸拆分成多个焊接单元；

实时线段获取单元：用于使用激光扫描该钢铁结构，以获得点云，在点云上抽取线特征；

匹配单元：用于分别将图纸和线特征投影到同一个指定的方向上，形成两个二维线条图像；

定位单元：用于将两个二维线条图像进行匹配，以获得钢铁结构的初始位置，具体包括：

1)钢铁结构初始定位；设CAD模板的二维线段集合为S_m，将该二维线段集合重新编号排列为其中N_m为CAD模板二维线段的数目；从当前点云中检测出来的线段集合为/>N_d为实际检测出来的二维线段数目；

设在匹配位置(x，y，α)处的代价函数为搜索空间范围为(x，y，α)∈S_xyα＝{(x_min，x_max)×(y_min，y_max)×(α_min，α_max)}，那么钢铁结构的初始位置为其中/>为将线段/>通过平移(x，y)与旋转α度后的新线段，/>线段之间的距离/>定义为：

其中，θ_d为2条线段距离夹角阈值，取值为θ_d＝20，dis_const为最大线段距离，为常量，当线段之间的夹角大于θ_d时，线段之间的距离设为该常量；为线段之中的点/>距离线段所在的直线的距离，/>为线段之中的点/>距离线段/>所在的直线的距离；

2)钢铁结构焊接单元初始定位；

标准焊接单元的二维投影线段为其中二维线段/>由两个二维端点表示，钢铁结构的初始位置确定后，标准焊接单元的二维投影线段/>中点的初始位置为：

其中，为旋转矩阵，设其搜索范围为/> arange＝[α_best-μ_u：δ_u：α_best+μ_u]，其中ε_u为焊接单元搜索的范围，s_u为焊接单元的位置搜索步长，μ_u为焊接单元角度的搜索范围，δ_u为焊接单元角度的初始搜索步长；

其中，f(x，y，α)为焊接单元内的所有线段匹配分数之和。

6.根据权利要求5所述大型钢铁结构定位系统，其特征在于，所述图纸线段获取单元具体用于：

获取钢铁结构的CAD图纸；

按照预设的焊接单元模型将CAD图纸拆分成多个焊接单元；

所述焊接单元包括多个标准三维线段。

7.根据权利要求6所述大型钢铁结构定位系统，其特征在于，所述实时线段获取单元具体用于：

从点云中拟合生成所有的空间矩形；

根据该空间矩形生成多个实时三维线段；

对该实时三维线段中重复的线段进行筛选，得到所述线特征。

8.根据权利要求7所述大型钢铁结构定位系统，其特征在于，所述匹配单元具体用于：

将焊接单元中的标准三维线段和线特征的实时三维线段投影到同一个指定的方向上。