CN113340215A - 基于平行约束的平面间断差在线测量方法 - Google Patents

基于平行约束的平面间断差在线测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的基于平行约束的平面间断差在线测量方法，包括如下步骤：1）数据采集，获得原始点云数据；2）对原始点云数据进行预处理；3）通过去除局外点和平面拟合两个阶段，利用平面相互平行的约束，提高平面间断差计算的精度与效率。本发明基于半径滤波与直通滤波，去除原始点云中的噪声与无效区域，提高了后续计算的速度；通过欧式聚类快速实现目标区域选择；利用随机采样一致性方法筛选平面点集，去除影响平面拟合的局外点，提高了平面拟合的准确度；使用点到平面的距离作为目标函数，考虑平行约束，通过最小二乘方法直接求解平面参数，进而计算断差；实现在线式测量工件平面间断差，能够在生产线中实时检测，提高工业产品质量。

Description

基于平行约束的平面间断差在线测量方法
技术领域
本发明涉及三维机器视觉、工业自动化、工业测量应用等领域，特别涉及一种适用于对汽车制造等工业应用中工件的平面间断差在线测量，具体的，其展示一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法。
背景技术
随着工业智能化的发展，测量几乎遍及生产的各个环节，工业测量数据既能保证产品的质量，又能提升工厂自动化程度以提高生产效率。传统制造业中的测量大多是在生产过程后的抽查式测量，而随着智能制造的发展，在3C电子、汽车制造等行业与领域，测量已经深入到生产过程中，即在线测量。在线测量一般指通过在生产线上实时检测零部件，判断其是否合格，在生产过程中进行残次品的排除，进而成为工业制造过程中一个必不可少的关键环节。
工业测量主要获取工件的几何量，包括角度、距离、位移、平面度和空间位置等，通过几何量的精密测量，与标准量比对，判断工件是否合格，提高产品质量。三坐标测量机是传统的通用三维坐标测量仪器，通过测头沿导轨的直线运动以实现精确的坐标测量。三坐标测量机测量准确、效率高、通用性好，但是其属于接触式测量，对测量环境要求高，部署不便。随着光学和计算机技术的发展，由传统的机械式测量逐步转变为视觉测量。视觉测量可以实现非接触、高效便捷地获取空间三维物体的几何尺寸、长度等信息，已经成为目前热门的研究领域。根据使用的视觉设备，视觉测量系统可以分为2D视觉测量系统和3D视觉测量系统。
在工业测量中，平面间断差的计算是常见的应用需求。平面间断差是指两相互平行平面的高度差。在汽车零配件等产品加工后，需要测量产品中平行面的断差以判断产品是否合格。找到点集中的平面是计算断差的必要步骤。在获取的原始点云中查找平面，得到平面参数，通常使用随机采样一致性方法，随机选择3个不共线的点所在平面作为初始平面，通过点集中点到平面的距离筛选符合阈值的点，通过一定次数的迭代，获取理想的平面。但是在计算工件中平面间的断差时，得到的平面不完全平行，给计算带来误差。最小二乘法也是常用的拟合方法，通过使平面点集中的各点与最小二乘平面的距离的平方和最小，直接计算最小二乘平面的参数。但是，当点集中存在较多远离理想平面的点时，得到的最小二乘平面与实际平面偏离较多，给后续计算引入较大误差。
因此，有必要提供一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，以精确及快速地在线测量产品的平面间断差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：
一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，包括如下步骤：
1）数据采集，获得原始点云数据；
2）对原始点云数据进行预处理；
3）通过去除局外点和平面拟合两个阶段，利用平面相互平行的约束，提高平面间断差计算的精度与效率，具体如下：
31）去除局外点阶段：
a.使用聚类选择待计算的两个目标平面点集，利用点集中点与点的距离进行欧式聚类；
b.利用随机采样一致性方法去除平面点集中的局外点，保留平面上的点；对于目标点云，随机选择三个点拟合初始平面，通过设置点到平面的距离阈值，保留到平面距离小于阈值的点；通过设置迭代次数n，经过n次迭代保留位于平面上的点集；
32）平面拟合阶段：
引入平面相互平行的约束，直接计算平面参数，进一步计算平面间断差：
两个平行平面a、b的方程分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1-1）；
Figure 681269DEST_PATH_IMAGE002
（1-2）；
平面a的点集中的点为(x1,y1,z1) ，平面b的点集中的点为(x2,y2,z2),
构造代价函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（1-3）；
约束为：
Figure 783217DEST_PATH_IMAGE004
且
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
利用点集中所有点求解平行平面参数，代价函数Loss最小，即：
Figure 710328DEST_PATH_IMAGE006
（1-4）；
求导，并令其为0，得：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（1-5）；
AX=B，使用最小二乘法求解参数A,B,C,D；
平面间断差为：
Figure 719872DEST_PATH_IMAGE008
（1-6）。
进一步的，步骤1）为通过非接触式进行工件的点云数据的采集。
进一步的，步骤1）具体为根据待测工件尺寸，选择深度相机，实现非接触式地采集工件的点云数据。
进一步的，步骤2）具体为对于原始点云数据使用半径滤波或直通滤波方式去除噪点和过滤无关区域。
进一步的，步骤32）中，平面相互平行的约束，即两平面共法向量，简化代价函数，直接使用最小二乘法求解平面参数。
与现有技术相比，本发明在线测量平面间断差方法的有益效果是：
1) 利用深度相机采集数据，实现非接触式在线测量平面间断差；
2) 利用平面相互平行的约束，直接使用最小二乘法得到最小二乘平面，进而计算平面间的断差，较大地提高了计算的准确度；
3）使用滤波方式对原始点云数据进行去噪、去除无关区域，提高了后续点云处理的精度与计算的速度；
4）使用欧式聚类的方法获取目标点云，能够实现目标区域的快速选择，同时可以实现人工交互；
5）利用随机采样一致性方法，对预处理后的点云进行局外点的去除，保留待计算的平行平面的点，提高了平面拟合的精度。
附图说明
图1为基于平行约束的平面间断差在线测量方法的整体流程图；
图2为原始点云数据的可视化结果，其中（a）、（b）为不同角度的视图；
图3为滤波处理后的点云数据的可视化结果，其中（a）为正视图，（b）为俯视图；
图4为欧氏距离聚类算法流程；
图5为对预处理后的点云聚类的结果示例，其中（a）为正视图，（b）为俯视图。
具体实施方式
参考图1所示为本发明实施例的基于平行约束的平面间断差在线测量方法的整体流程图，主要包括数据采集、点云数据预处理、平面间断差计算三个部分，其中平面间断差计算包含去除局外点和平面拟合两个阶段。该方法主要包含以下步骤：
步骤1：实现非接触式地采集工件的点云数据，具体操作：
在实施例中，根据待测齿轮的尺寸，选择3D结构光相机或线激光相机作为深度相机，实现非接触式地采集齿轮的点云数据，可视化结果如参考图2所示，其中，（a）、（b）表示不同角度的视图，采集的点云数据存在较多噪点。
步骤2：对原始点云数据进行预处理，具体包括：
对于原始点云数据，使用半径滤波处理。在实施例中，设置搜索半径为0.8，点数阈值为50，去除噪点。通过直通滤波方式过滤无关区域，减少后续处理时间。滤波后点云可视化如参考图3所示，其中，（a）为正视图，（b）为俯视图。
步骤3：计算待测工件的平面间断差，包含去除局外点和平行平面拟合两个阶段。具体包括如下子步骤：
步骤31：去除局外点阶段，包括以下步骤：
a.使用聚类方法选择待计算的两个目标平面点集。聚类时利用点集中点与点的距离进行欧式聚类，欧式聚类算法流程如参考图4所示。在实施例中，设置保留点云中的点数为后处理点云中的点数的0.05~0.6倍，聚类结果如参考图5所示，其中，（a）为正视图，（b）为俯视图。
b.利用随机采样一致性方法去除平面点集中的局外点，保留平面上的点。对于目标点云，随机选择3个点拟合初始平面，通过设置点到平面的距离阈值，保留到平面距离小于阈值的点。通过设置迭代次数n，经过n次迭代保留位于平行平面上的点集，用于后续的计算。
在实施例中，设置点到平面的距离阈值为0.02，通过迭代50次，去除局外点并保留用于平面拟合的点云。
步骤32：在平面拟合阶段，引入平面相互平行的约束，直接计算平面参数，进一步计算平面间断差。具体包括：
两个平行平面a、b的方程分别为：
Figure 566606DEST_PATH_IMAGE001
（1-1）；
Figure 619881DEST_PATH_IMAGE002
（1-2）；
平面a的点集中的点为(x1,y1,z1) ，平面b的点集中的点为(x2,y2,z2),
构造代价函数如下：
Figure 614382DEST_PATH_IMAGE003
（1-3）；
约束如下：
Figure 162038DEST_PATH_IMAGE004
且
Figure 128857DEST_PATH_IMAGE005
；
利用点集中所有点求解平行平面参数，使得代价函数Loss最小，即：
Figure 103766DEST_PATH_IMAGE006
（1-4）；
对（1-4）求导，并令其为0，得（1-5）：
Figure 273979DEST_PATH_IMAGE007
（1-5）；
考虑AX=B形式，使用最小二乘法求解参数A,B,C,D；
那么，平面间断差即为：
Figure 625326DEST_PATH_IMAGE008
（1-6）。
在实施例中，计算得到平面间断差为8.387mm，多次计算单步平均耗时1.55ms。
与现有技术相比，本实施例具有如下有益效果：
本实施例提出的一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，该方法主要包括数据采集、点云数据预处理、平面间断差计算三个部分，其中平面间断差计算包含去除局外点和平面拟合两个阶段：
基于半径滤波与直通滤波，去除原始点云中的噪声与无效区域，提高了后续计算的速度；
通过欧式聚类可快速实现目标区域选择；
利用随机采样一致性方法筛选平面点集，去除影响平面拟合的局外点，提高了平面拟合的准确度，提高了平面间断差计算的精度；
使用点到平面的距离最小作为目标函数，考虑平行约束，通过最小二乘方法直接求解平面参数，进而计算断差，较大地提升了测量断差的效率与精度；
本实施例可精确及快速地线式测量工件平面间断差，使用于生产线中进行实时检测，提高产品合格率。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）数据采集，获得原始点云数据；
2）对原始点云数据进行预处理；
3）通过去除局外点和平面拟合两个阶段，利用平面相互平行的约束，提高平面间断差计算的精度与效率，具体如下：
31）去除局外点阶段：
a.使用聚类选择待计算的两个目标平面点集，利用点集中点与点的距离进行欧式聚类；
b.利用随机采样一致性方法去除平面点集中的局外点，保留平面上的点；对于目标点云，随机选择三个点拟合初始平面，通过设置点到平面的距离阈值，保留到平面距离小于阈值的点；通过设置迭代次数n，经过n次迭代保留位于平面上的点集；
32）平面拟合阶段：
引入平面相互平行的约束，直接计算平面参数，进一步计算平面间断差：
两个平行平面a、b的方程分别为：
Figure 31261DEST_PATH_IMAGE001
（1-1）；
Figure 177072DEST_PATH_IMAGE002
（1-2）；
平面a的点集中的点为(x1,y1,z1) ，平面b的点集中的点为(x2,y2,z2),
构造代价函数为：
Figure 349427DEST_PATH_IMAGE003
（1-3）；
约束为：
Figure 238886DEST_PATH_IMAGE004
且
Figure 931029DEST_PATH_IMAGE005
；
利用点集中所有点求解平行平面参数，代价函数Loss最小，即：
Figure 247741DEST_PATH_IMAGE006
（1-4）；
求导，并令其为0，得：
Figure 641813DEST_PATH_IMAGE007
（1-5）；
AX=B，使用最小二乘法求解参数A,B,C,D；
平面间断差为：
Figure 334963DEST_PATH_IMAGE008
（1-6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，其特征在于：步骤1）为通过非接触式进行工件的点云数据的采集。
3.根据权利要求2所述的一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，其特征在于：步骤1）具体为根据待测工件尺寸，选择深度相机，实现非接触式地采集工件的点云数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于平行约束的平面间断差在线测量方法，其特征在于：步骤32）中，平面相互平行的约束，即两平面共法向量，简化代价函数，直接使用最小二乘法求解平面参数。
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