CN112882441B - 一种用户自定义的轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

一种用户自定义的轨迹规划方法，可依据用户的需求快速实现目标区域内的轨迹规划，其特征是通过将用户指定的基准几何在目标区域内部进行距离变换，进而按用户指定间隔提取等距线作为轨迹，能够克服传统轨迹生成方法复杂、通用性差的弊端，所规划的轨迹实时可见，简单高效，通用性好。

Description

一种用户自定义的轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助（CAX）技术领域，尤其是一种根据用户需求快速生成目标区域内轨迹的方法，具体地说是一种用户自定义的轨迹规划方法。
背景技术
在航空航天复杂结构零件的加工过程中，轨迹规划往往是零件加工的关键技术。同时轨迹规划在各种方面都有应用，大到自动化及智能制造的数控编程、工业机器人运动轨迹生成，小到民用机器人的行走路径规划、扫地机器人的行进路线的设计等等。因此，一种简单有效的轨迹生成方法能为方方面面智能化工作的推进起到事半功倍的效果。
图像作为一种通用的信息表征方法，克服了传统路径规划过程中模型表征方式的多样性问题，实现了模型表征方式的统一。同时，利用图像信息能够有效减少计算资源，大大提高轨迹规划的效率。目前，有学者提出了基于图像处理的环切刀轨生成方法，算法效率较高，也能够满足于特定条件下的加工要求。然而，现有的基于图像的轨迹规划方法只能基于目标区域的固有属性生成某种固定形态的轨迹，难以确保所生成的轨迹满足用户的需求，且所生成的轨迹也难以实现快速的修改与更正。
基于上述图像的优势与目前轨迹规划所存在的缺陷，本发明提出了一种轨迹快速生成的方法，可由用户根据目标自行设定所规划的轨迹形态。由于人与人的需求千差万别，难以统一定义，因此本发明通过基于用户设定的基准所生成的等距线和用户自定义轨迹间隔来实现需求的统一度量，进而丰富了所规划轨迹的形态，使得生成轨迹适应任意形态的目标区域。同时本发明可实现生成轨迹的实时可视化，这使得用户对所生成的轨迹进行及时地修改成为可能。
发明内容
本发明的目的是针对现有基于图像的轨迹规划难以符合用户需求的问题，发明一种用户自定义的轨迹规划方法。用户可指定的平面目标区域内部或外部选取基准几何，以所选基准几何对目标区域内部进行距离变换，进而按用户指定间隔提取等距线作为轨迹。
本发明的具体技术方案如下：
一种用户自定义的轨迹规划方法，其特征在于：首先，由用户在指定的平面目标区域内部或外部选取基准几何；然后，以所选基准几何对目标区域内部进行距离变换；最后按用户指定间隔提取等距线作为轨迹。
所述的在指定的平面目标区域内部或外部选取基准几何是指：目标区域和基准几何在电脑系统中以栅格化图像进行表征；基准几何预设为目标区域边界或其中一部分，或根据用户选取，在电脑系统中表示为一个或多个像素点构成的像素点集合，记作G。
所述的距离变换是分别计算目标区域内部所有像素点到基准几何的最短距离，并将距离值存入各像素点作为其灰度值，即为所述距离图像M。
所述的按用户指定间隔提取等距线作为轨迹是指：用户根据需求指定间隔后，求取距离图像M中灰度值符合用户所指定间隔值的一系列像素点，经拟合连接后作为所规划的轨迹。
所述的目标区域由一个或多个封闭轮廓构成，因此可严格区分内部与外部；目标区域为用户给定三维模型的某个表面，或是模型指定深度的剖面。模型指定深度的剖面的实现具体步骤为：
首先利用平行于指定方向的分层深度图将模型进行栅格化表征，对应像素点内保存了由该点为起点平行于指定方向的射线与模型的交点的深度值。
其次，在指定深度层进行切片，将目标区域表征成为二值图像：属于目标区域的像素点为1，不属于目标区域的像素点为0。
本发明的有益效果是：
本发明能够根据用户需求快速地生成多种形态的轨迹，以适应任意形态的目标区域，丰富了所规划轨迹的形态。同时基于图像轨迹规划方式计算方法简单效率高，可实现所规划轨迹的实时可视化。
附图说明
图1（a）为目标区域内像素点到基准点的距离示意。
图1（b）为经过距离变换后的灰度图像。
图2（a）为本发明实施例1中户型图。
图2（b）为本发明实施例1中所选取的目标区域。
图2（c）为本发明实施例1中所选取的基准。
图2（d）为本发名实施例1中对目标区域的轨迹规划结果。
图3为分层深度法向图原理示意。
图4（a）为本发明实施例2模型示意。
图4（b）为本发明实施例2模型演其z方向进行切片后，某一深度的目标区域二值图像。
图4（c）为本发明实施样例2中所选取的目标区域及基准。
图4（d）为本发明实施样例2中对目标区域的轨迹规划结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1-4所示。
一种用户自定义的轨迹规划方法，该方法包括以下步骤：
S1:将目标区域和基准几何在电脑系统中以栅格化图像进行表征。基准几何在电脑系统中表示为一个或多个像素点构成的像素点集合，记作G。
S2:将目标区域内部所有像素点依据所选取基准G（即像素点集合）进行距离变换，并表征为灰度图像作为距离图像M。目标区域内像素点与基准的距离如图1（a）所示，图中目标区域外的点即为所述基准G，距离变换后的灰度图像如图1（b）所示。
S3：对变换后的距离图像，按用户指定间隔提取等灰度线，经过拟合连接后作为所规划的轨迹。
详述如下：
例1：扫地机器人轨迹规划
用户需求：扫地机器人需要满足特定区域内清扫无残留，房间边角灰尘较多，需要多加清扫。房间角落有一个落地柜，下方无需清扫。
为证明本发明所述方法有效性及通用性，特选取如图2（a）所示的较为少见的户型，以客厅为目标区域（如图2（b）所示）进行轨迹规划。依据柜子下方无需清扫与房间边角需要多加清扫的需求，用户选取柜子与房间的共同轮廓（即图2（c）加粗部分）作为基准，设定轨迹间隔由边界至内部逐步增大。根据用户需求所生成的轨迹如图2（d）所示。
例2：结构件刀轨规划。
用户需求：生成满足刀具半径的等距无自交的刀具轨迹。
本例采用模型指定深度的剖面作为目标区域，其具体步骤为：
(1)首先利用平行于指定方向的分层深度图将模型进行栅格化表征，对应像素点内保存了由该像素点为起点平行于指定方向的射线与模型的交点的深度值，如图3所示。
(2)在指定深度层进行切片，将目标区域表征成为二值图像：属于目标区域的像素点为1，不属于目标区域的像素点为0。
本例对如图4（a）模型沿z方向某一深度进行切片后，目标区域如图4（b）所示，其中属于目标区域的像素点为白色，不属于目标区域的像素点为黑色。
为便于展示结果，本例选取如图4（b）圈出的区域为目标区域，表示为如图4（c）所示。假设用户未选取基准，因此预设目标区域轮廓为基准。依据所选取基准及所规定间隔，所生成的轨迹如图4（d）所示。
本发明所述的可由用户自定义的轨迹规划方法，创新地依据用户需求实现了目标区域内多种形态轨迹的规划，方法简单有效具有通用性。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种用户自定义的轨迹规划方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
首先，对给定三维几何模型，用户定义一投影方向，将模型投影到该方向垂直的平面进行栅格化形成像素点，并计算各像素点沿该方向的分层深度信息，像素点内保存了由该点为起点平行于投影方向的射线与模型的各交点的深度值；
然后，在用户指定的深度将该平面目标区域表征成为二值图像，即属于目标区域的像素点为1，不属于目标区域的像素点为0；
然后，在平面目标区域对应的二值图像上，用户自行选取基准几何G；
然后，分别计算目标区域内部所有像素点到G的最短距离，并将距离值存入各像素点作为其灰度值，得到距离图像M；
最后，按用户指定间隔提取等灰度值线作为轨迹；
在确定目标区域的前提下，可实现“用户选取基准”与“显示所生成轨迹”的实时交互。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征是，所述的在平面目标区域对应的二值图像上，用户自行选取基准几何G是指：目标区域和基准几何在电脑系统中以栅格化图像进行表征；基准几何预设为目标区域边界或其中一部分，或根据用户选取，在电脑系统中表示为一个或多个像素点构成的像素点集合，记作G。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征是，所述的将模型投影到该方向垂直的平面进行栅格化形成像素点，并计算各像素点沿该方向的分层深度信息是指：设定一垂直于投影方向的平面，并将三维模型投影至该平面后，以栅格化图像进行表征；设定该平面深度为0，模型表面各处深度为其到该平面的距离；栅格化投影图像的每一个像素以向量形式存储对应位置处的所有深度信息，称为分层深度信息。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征是，所述的按用户指定间隔提取等距线作为轨迹是指：用户根据需求指定间隔后，求取距离图像M中灰度值符合用户所指定间隔值的一系列像素点，经连接后作为所规划的轨迹。
5.根据权利要求1中所述方法，其特征是，所述的目标区域由一个或多个封闭轮廓构成，因此可严格区分内部与外部像素点。
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