CN113340247A - 一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，本发明结合被测量车身的结构模型和测点信息，对测头所扫描的轨迹进行碰撞点的检测，短时间内获得所有碰撞点，提高了三坐标测量仪检测碰撞的效率。本发明首先根据测量车身的测点信息，同时结合测头矢量方向要求的公差要求，利用覆盖集求解方法测点集进行聚类，获得需标定测头角度集合，减少了测头在测量过程中转动的时间；利用测头连续运动构建包络空间；利用包络空间减少测量点云的数目；最终，利用二分法对碰撞路径进行细分，得到无遗漏的碰撞点，保证传统碰撞检测过程的“隧道效应”的消失，提升接触式测量的路径规划效率与精度，加快工艺开发节奏。

Description

一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法
技术领域
本发明涉及三坐标测量仪的碰撞检测技术领域，尤其涉及一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法。
背景技术
对车身进行尺寸检测，以确保其符合设计规范是制造过程中的重要检测项目，常用的测量方式主要分为接触式和非接触式，三坐标测量仪是典型的接触式测量设备，因其测量的准确性在车身检测中被广泛使用，三坐标测量仪在使用前需要规划测量路径，而规划测量路径前需要找到碰撞点，避免发生碰撞，损耗财力物力。但车身结构复杂，且测点数目众多，矢量多样，测量前期的人力和时间成本花费较大，且难以保证找到所有的碰撞点，出现隧道效应，损耗财力。
目前现有的碰撞检测主要有以下两种方法：
方法一：静态碰撞检测，静态碰撞检测是在某一时间点或者是物体不发生运动的情况下，判断检测的对象之间是否发生了碰撞，这种方法对实时性要求较低，但是对精确度要求比较高，算法的复杂性较高。
方法二：动态碰撞检测
1)离散碰撞检测技术
离散碰撞检测是时间轴上每个离散点t0，t1,…,tn，即为每一时刻，在每一个时刻，对场景中静态物体进行检测以判断是否发生碰撞。Larsen等人利用一种基于扫掠球的离散碰撞检测方法，通过对扫掠球之间距离的判断来检测对象之间是否发生碰撞。Rober等针对柔性体之间的干涉问题提出了一种离散的代数方法，该方法可以实现穿透深度的计算和自交检测，并且检测精度较高。从整体的时间轴来看，离散的碰撞检测通过离散时间轴上的每一刻来实现干涉检查，类似于静态碰撞检测，但其更注重于效率，同时，时间的离散可能导致离散的时间点内发生的碰撞不能被检测或者发生了穿透现象。
(2)连续碰撞检测技术
为了解决离散碰撞检测中存在的问题，连续碰撞检测是一个很好的解决方案。Redon等提出了连续的碰撞检测算法，该算法在一定程度上解决了因离散的碰撞检测而产生的漏检现象，但其计算的复杂度增高，在执行碰撞检测时会增加检测计算机的内存，计算速度较慢，计算时间较长，无法用于车身等类似的复杂场景中。Gilbert提出了GJK算法，算法通过与Minkowski和、差相结合，通过两凸体的Minkowski差的位置来判断两凸体间的位置关系，通过做差，若发现远点位于凸体内，则说明对象之间发生干涉，反之，不发生干涉。该算法稳定性好，但仅适用于简单图形的碰撞检测。
附图说明
图1为本发明的功能流程图；
图2为本发明实施例中的待测车身结构模型的零件点云图及测点坐标位置示意图。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在较短时间内检测出所有碰撞点的检测方法。
为达到上述目的，本发明提出一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，包括以下步骤：
步骤1：对待测车身结构模型进行点云化处理，提取点云信息以及测点信息；
步骤2：根据测量车身的测点信息，获取需要标定侧头角度集合；
步骤3：根据测点信息和需要标定侧头角度集合形成侧头包围盒；
步骤4：根据测点信息，对任意的两检测特征间的测头运动轨迹进行连续包络空间构建；
步骤5：检测车身点云是否位于所述连续包络体内；
步骤6：将包络体三角剖分，变成多个四面体，判断点云是否在包络体内部，如果点云在任意一个四面体内部，那么测头连续运动包络体与车身碰撞；否则，车身点云与测头运动空间无碰；
步骤7：基于步骤6判断，通过车身点云坐标和四面体坐标进一步检测车身点云是否在四面体内部；
步骤8：若检测出所有点云不在包络体内，从步骤4开始，依次进行下两个测点间的检测；若检测出有点云在包络体内，说明测头由测点a至测点b的过程中发生了碰撞,此时将测头走过的路径段二分，令a和b的中点为c；
步骤9：基于步骤8二分出来的路径，此时四面体包围盒也二分为两个，分别判断路径ac中是否有点云在对应的包围盒中，路径cb中是否有点云在对应的包围盒中；
步骤10：基于步骤9二分出来的路径段ac和cb，若路径段ac中有点云在包围盒内，路径段cb中没有发生碰撞，则令c＝b；若路径段cb中发生碰撞，路径段ac中没有发生碰撞，则令c＝a；若路径段ac和路径段cb同时发生碰撞，重复步骤8和步骤9；
步骤11：将所发现的碰撞点储存起来，重复步骤4，直到检测出包围盒内没有发生碰撞或者小于阈值的点云，此时能够将碰撞点无遗漏的寻找出来，停止检测，进行下两个测点间连续运动过程的碰撞检测。
进一步的，在步骤1中，通过网格划分将测量车身的结构模型进行点云化处理，提取所有网格节点坐标作为所测量车身的点云信息，根据所测量车身的设计图纸提取车身尺寸及测点坐标和矢量方向信息，将点云信息和测点信息分别整合成矩阵形式。
进一步的，在步骤2中，基于步骤1中所测量车身的测点信息，同时结合测头矢量方向要求的公差要求，利用覆盖集求解方法测点集进行聚类，获得需标定测头角度集合。
进一步的，在步骤3中，基于步骤1和步骤2的测点信息及测头聚类信息，同时结合接触式测头本身半径、接长杆长度等测头信息，利用OBB包围盒原理形成测头包围盒。
进一步的，在步骤5中，检测车身点云是否位于所述连续包络体内，利用车身局部点云提取规则获得缩小的检测点云范围。
进一步的，在步骤7中，检测车身点云是否在四面体内部，将点云的坐标和表示四面体的坐标值构成行列式，若点在两个面的同一侧，则行列式的值大于0，则，不在面内；反之，若点在两个面之间，则行列式的值小于0，点云在四面体内部。
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明结合被测量车身的结构模型和测点信息，采用上述技术方案对测头所扫描的轨迹进行碰撞点的检测，短时间内获得所有碰撞点，提高了三坐标测量仪检测碰撞的效率。
本发明首先根据测量车身的测点信息，同时结合测头矢量方向要求的公差要求，利用覆盖集求解方法测点集进行聚类，获得需标定测头角度集合，减少了测头在测量过程中转动的时间；
利用测头连续运动构建包络空间；利用包络空间减少测量点云的数目；最终，利用二分法对碰撞路径进行细分，得到无遗漏的碰撞点，保证传统碰撞检测过程的“隧道效应”的消失，提升接触式测量的路径规划效率与精度，加快工艺开发节奏。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
本实施例涉及一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101、通过网格划分将测量车身的结构模型进行点云化处理，提取所有网格节点坐标作为所测量车身的点云信息，根据所测量车身的设计图纸提取车身尺寸及测点坐标和矢量方向信息，将点云信息和测点信息分别整合成矩阵形式；
S102、基于S101中所测量车身的测点信息，同时结合测头矢量方向要求的公差要求，利用覆盖集求解方法测点集进行聚类，获得需标定测头角度集合；
S103、基于S101、S102测点信息及测头聚类信息，同时结合接触式测头本身半径、接长杆长度等测头信息，利用OBB包围盒原理形成测头包围盒；
S104、基于S101确定的测点信息，对任意的两检测特征间的测头运动轨迹进行连续包络空间构建；
S105、基于S101、S104，检测车身点云是否位于S104步骤形成的连续包络体内；
S106、基于S105，利用车身局部点云提取规则获得缩小的检测点云范围；
S107、基于S105、S106，判断车身点云是否在包络体内，将包络体三角剖分，变成多个四面体，判断点云是否在包络体内部，如果点云在任意一个四面体内部，那么测头连续运动包络体与车身碰撞；否则，车身点云与测头运动空间无碰；
S108、基于S107，检测车身点云是否在四面体内部，将点云的坐标和表示四面体的坐标值构成行列式，若点在两个面的同一侧，则行列式的值大于0，则，不在面内；反之，若点在两个面之间，则行列式的值小于0，点云在四面体内部；
S109、基于S107，S108，若检测出所有点云不在包络体内，依次进行下两个测点间的检测；若检测出有点云在包络体内，说明测头由测点a至测点b的过程中发生了碰撞,此时将测头走过的路径段二分，令a和b的中点为c；
S110、基于S109二分出来的路径，此时包围盒也二分为两个，分别判断路径ac中是否有点云在对应的包围盒中，路径cb中是否有点云在对应的包围盒中；
S111、基于S110二分出来的路径段ac和cb，若路径段ac中有点云在包围盒内，路径段cb中没有发生碰撞，则令c＝b；若路径段cb中发生碰撞，路径段ac中没有发生碰撞，则令c＝a；
S112、若路径段ac和路径段cb同时发生碰撞，重复S109，S110，S111；
S113、基于S111，S112，将所发现的碰撞点储存起来，直到检测出包围盒内没有发生碰撞或者小于某个阈值，此时能够将碰撞点无遗漏的寻找出来，停止检测，进行下两个测点间连续运动过程的碰撞检测；
为验证方法的有效性，本实施例提出如图2所示的车身的侧围案例实现对碰撞检测的优化。
本实施例中的汽车车身侧围包含测点的空间坐标和矢量方向，点云信息如表1和表2所示，其中(x，y，z)为测点的空间位置，(i,j,k)为测点的矢量方向，(X，Y，Z)为点云的空间位置；
表1：测点信息
Figure BDA0003114650860000071
Figure BDA0003114650860000081
表2点云信息
Figure BDA0003114650860000082
将侧围结构模型导入网格划分软件，网格形状设置为四边形，边长设置为2mm，最终得到1141474个点云坐标，将点云坐标与测点坐标通过Matlab软件可视化。设置触测距离为5mm，逼近点矢量方向与测点矢量方向一致，可得到20个逼近点坐标。
表3逼紧点信息
Figure BDA0003114650860000091
检测两逼近点之间的线段是否会与零件实体发生干涉，6、利用车身局部点云提取规则获得缩小的检测点云范围，筛选点云(X，Y，Z)；
为验证本方法的有效性，对车身的侧围进行连续的碰撞检测。下表是其中两个测点之间的碰撞结果输出。
表4
Figure BDA0003114650860000101
本发明提出一种用于车身精度检测的接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法。本方法结合被测量车身结构模型和测点信息，通过碰撞检测算法对测量路径的可行性进行判定，结合测点是否在测头连续运动包络体内的判断：若对象之间没有发生干涉，进入下一个测点的碰撞检测，若发生干涉，将测头走过的路径二分，并根据路径的长度是否小于阈值，判断是否停止细分并输出碰撞结果，从而保证不会发生传统碰撞检测过程的“隧道效应”，提升接触式测量的路径规划效率与精度，加快工艺开发节奏
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对待测车身结构模型进行点云化处理，提取点云信息以及测点信息；
步骤2：根据测量车身的测点信息，获取需要标定侧头角度集合；
步骤3：根据测点信息和需要标定侧头角度集合形成侧头包围盒；
步骤4：根据测点信息，对任意的两检测特征间的测头运动轨迹进行连续包络空间构建；
步骤5：检测车身点云是否位于所述连续包络体内；
步骤6：将包络体三角剖分，变成多个四面体，判断点云是否在包络体内部，如果点云在任意一个四面体内部，那么测头连续运动包络体与车身碰撞；否则，车身点云与测头运动空间无碰；
步骤7：基于步骤6判断，通过车身点云坐标和四面体坐标进一步检测车身点云是否在四面体内部；
步骤8：若检测出所有点云不在包络体内，从步骤4开始，依次进行下两个测点间的检测；若检测出有点云在包络体内，说明测头由测点a至测点b的过程中发生了碰撞,此时将测头走过的路径段二分，令a和b的中点为c；
步骤9：基于步骤8二分出来的路径，此时四面体包围盒也二分为两个，分别判断路径ac中是否有点云在对应的包围盒中，路径cb中是否有点云在对应的包围盒中；
步骤10：基于步骤9二分出来的路径段ac和cb，若路径段ac中有点云在包围盒内，路径段cb中没有发生碰撞，则令c＝b；若路径段cb中发生碰撞，路径段ac中没有发生碰撞，则令c＝a；若路径段ac和路径段cb同时发生碰撞，重复步骤8和步骤9；
步骤11：将所发现的碰撞点储存起来，重复步骤4，直到检测出包围盒内没有发生碰撞或者小于阈值的点云，此时能够将碰撞点无遗漏的寻找出来，停止检测，进行下两个测点间连续运动过程的碰撞检测。
2.根据权利要求1所述的用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，其特征在于，在步骤1中，通过网格划分将测量车身的结构模型进行点云化处理，提取所有网格节点坐标作为所测量车身的点云信息，根据所测量车身的设计图纸提取车身尺寸及测点坐标和矢量方向信息，将点云信息和测点信息分别整合成矩阵形式。
3.根据权利要求1所述的用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，其特征在于，在步骤2中，基于步骤1中所测量车身的测点信息，同时结合测头矢量方向要求的公差要求，利用覆盖集求解方法测点集进行聚类，获得需标定测头角度集合。
4.根据权利要求1所述的用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，其特征在于，在步骤3中，基于步骤1和步骤2的测点信息及测头聚类信息，同时结合接触式测头本身半径、接长杆长度等测头信息，利用OBB包围盒原理形成测头包围盒。
5.根据权利要求1所述的用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，其特征在于，在步骤5中，检测车身点云是否位于所述连续包络体内，利用车身局部点云提取规则获得缩小的检测点云范围。
6.根据权利要求1所述的用于车身接触式三坐标测量的连续碰撞检测方法，其特征在于，在步骤7中，检测车身点云是否在四面体内部，将点云的坐标和表示四面体的坐标值构成行列式，若点在两个面的同一侧，则行列式的值大于0，则，不在面内；反之，若点在两个面之间，则行列式的值小于0，点云在四面体内部。
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