CN114963974A - 一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法。基于次最佳视点法，通过对待测量工件的CAD模型动态拾取待测面，基于等参数采样在待测量面生成一系列的待测量点，基于路径最短原则，生成待测量点的最佳位置，并进行路径平滑处理，从而得到了最终的激光线扫描路径。可以在保证测量精度的前提下，生成最短扫描路径，有效地避免激光扫描测量的重复测量问题，避免测量过程中机器人带动激光扫描测头的振动问题，从而提高了测量效率，降低了测量成本。

Description

一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法

技术领域：

本发明属于测量仪器领域，具体是一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法。

背景技术：

随着现代制造业的快速发展，待检测工件的数量越来越多，外观越来越复杂，需开展测量的次数也随之快速增加，这对测量效率也提出了更高的要求。

目前测量领域常采用的测量方式是使用3D激光线扫描测头，对待测量工件进行扫描测量。在扫描测量过程中，3D激光线扫描测头

的位置姿态对测量精度的影响很大，因此需要基于待测量工件的CAD模型，规划扫描测量路径。

常用的3D激光线扫描路径规划方法有：由操作熟练的测量人员手持3D激光线扫描测头根据操作经验对待测量工件进行测量；采用人工示教方式对工业机器人进行编程，由工业机器人末端执行机构搭载3D激光扫描测头对待测量工件进行测量。这两种扫描测量路径规划方式都过于依赖测量人员的测量经验，对于不同的待测量工件不具备重复性，具有测量效率不高、测量精度低的缺点。针对不同的待测量工件的CAD模型，自动生成测量精度高、测量效率高的扫描测量路径，提高测量精度，提高测量效率，降低测量成本，是目前测量领域的研究热点之一。

发明内容：

本发明针对工件测量过程中的路径规划问题，提出一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，能够在保证测量精度的前提下，有效地提高工件测量效率，降低测量成本。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据待测零部件的CAD模型，动态选取待测零部件的待测曲面；

步骤S1具体为，根据待测零件的CAD模型，采用动态拾取功能，将拾取几何元素定义为面，将待测CAD模型离散成点、线、面，将CAD模型中的几何元素-面，进行拾取。

步骤S2：将步骤S1选取的待测曲面由三维参数域映射到二维参数域上，并在二维参数域进行离散采样，将得到的二维参数域上的采样点重新映射到三维参数域上，得到在三维参数域上一系列的待测量点；

具体为，所述的步骤S2中，采用等参数的离散采样方法，设置采样步长，按照采样步长在二维参数域(u，v)上进行采样，将得到的二维参数域上的采样点重新映射到三维参数域(x，y，z)上，得到对应的待测量点C_i在笛卡尔坐标系下的坐标值(x，y，z)。

步骤S3：建立每一个待测量点的局部坐标系，基于球坐标空间表示方法，将在每一个待测量点的局部坐标系下的激光扫描测头的可行位置表示为天顶角和方位角的组合；

所述的步骤S3中，根据步骤S3得到的待测量点C_i，在笛卡尔坐标系下沿二维参数u方向、v方向建立x_li轴、y_li轴，沿x_li轴、y_li轴的单位向量叉乘向量方向建立z_li轴，建立每一个待测量点C_i的局部坐标系x_ti-y_li-z_li，基于球坐标系的空间表示方法，将激光线扫描测头的可选位置表示为由天顶角、方位角组成的向量

其中θ、

的参数取值范围由激光线扫描测头的视场参数所决定，生成每一个待测量点C_i的激光扫描测头的可选位置集合S_i。

步骤S4：采用次最佳视点法，基于路径最短原则，在每一个待测量点的激光扫描测头的可行位姿中选择最佳激光测头位置；

步骤S41，根据机器人的初始位置，基于路径最短原则，在第一个待测量点C₁的3D激光线扫描测头的可选位置集合S₁中确定最佳扫描位置S_1best，进一步地，基于次最佳视点法依次判断最佳扫描位置S_1best是否可以扫描测量到待测量点C₁，C₂…，C_n，其中前k个测量点C₁，C₂…，C_k为最佳扫描位置S_1best可测量点的集合；

所述的次最佳视点法，是根据当前待测量点的最佳扫描位置，判断当前待测量点的最佳扫描位置是否可以扫描测量到当前待测量点的之后的待测量点，其判断依据为：A、当前待测量点的最佳扫描位置与下一待测量点的距离是否小于等于最大次最佳测量距离l_max并且大于等于最小次最佳测量距离l_min；B、当前待测量点的最佳扫描位置与下一待测量点连线的相反方向与下一待测量点的局部坐标系的z_l轴方向的夹角是否小于等于次最佳测量角度α；若A、B条件均满足，则说明当前测量点的最佳扫描位置可以扫描测量下一待测量点，反之，则说明当前测量点的最佳扫描位置无法扫描测量下一待测量点。

所述最大次最佳测量距离l_max与最小次最佳距离l_min为最佳测量距离的上下浮动值，在最佳测量距离l上加上一定距离为最大次最佳测量距离l_max，在最佳测量距离减去一定距离为最小次最佳测量距离l_min，当3D激光线扫描测头位于最小次最佳测量距离l_max到次最大次最佳测量距离l_min范围内时，可以测量到待测量点。

步骤S42，根据最佳扫描位置S_1best，基于路径最短原则，在第k个待测量点C_k的3D激光线扫描测头可选位置集合S_k中确定最佳扫描位置S_kbest，进一步地，基于次最佳视点法依次判断最佳扫描位置S_kbest是否可以测量到待测量点C_k，C_k+1…，C_n，其中前m个测量点C_k，C_k+1…，C_m为最佳扫描位置S_kbest可测量点的集合；

步骤S43，根据最佳扫描位置S_kbest，按照步骤S42的方法，循环，直到生成所有测量点的最佳扫描位置；

步骤S44，最终确定3D激光线扫描测头的最佳扫描位置集合S_best-total。

所述的步骤S44为在最佳扫描位置S_kbest处，沿最佳扫描位置S_kbest与待测量点C_k的连线方向建立z_Si轴，沿工件坐标系x轴建立x_si轴，沿x_si轴、z_si轴的叉乘向量方向建立y_si轴，从而建立了3D激光线扫描测头坐标系x_si-y_si-z_si，其中每一个最佳扫描姿态S_kbestposure由3D激光线扫描测头坐标系x_si-y_si-z_si的x_si轴、y_si轴、z_si轴所决定，进而将每一个最佳扫描姿态组成最佳扫描姿态集合S_{best-total-posture}。

步骤S5：将每一个最佳激光测头位置点进行直线连接，形成扫描测量路径；

步骤S6：在扫描路径的直线角点处，基于5次B样条曲线进行路径平滑处理，从而得到了最终的扫描路径。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的效果：

本发明基于次最佳视点法，通过对待测量工件的CAD模型动态拾取待测面，基于等参数采样在待测量面生成一系列的待测量点，基于路径最短原则，生成待测量点的最佳位置，并进行路径平滑处理，从而得到了最终的激光线扫描路径。可以在保证测量精度的前提下，生成最短扫描路径，有效地避免激光扫描测量的重复测量问题，避免测量过程中机器人带动激光扫描测头的振动问题，从而提高了测量效率，降低了测量成本。

附图说明：

图1为本发明的整体结构图；图中，1为6自由度工业机器人，2为3D激光扫描测头；3为反光标记点，4为待测量工件；

图2为本发明的总体流程图；

图3为本发明的二维参数域-三维参数域映射图；

图4为本发明的3D激光线扫描测头位置示意图；

图5为本发明的3D激光线扫描测头位置限制条件示意图；

图6为本发明的次最佳视点路径规划流程图；

图7为本发明的次最佳视点原理图；

图8为本发明的路径平滑原理图；

图9为本发明的最终扫描路径图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明应用的系统装置包括操作平台(图中未示出)、操作平台上放置的6自由度工业机器人1、待测量工件4，6自由度工业机器人1的末端执行机构上连接有3D激光线扫描测头2，3D激光线扫描测头2上连接有反光标记点3；6自由度工业机器人1可操控3D激光线扫描测头2作空间任意运动，在各个3D激光线扫描测头的位姿下测量获得点云数据，其中反光标记点3用来拼接各个3D激光线扫描测头位姿下获得的点云数据，从而获得完整的待测工件的点云数据。

结合图2对本发明的具体步骤进行说明如下：

步骤S1，根据待测零件的CAD模型，采用动态拾取功能，将拾取几何元素定义为面，将待测CAD模型离散成点、线、面，将CAD模型中的几何元素-面，进行拾取；

步骤S2，如图3所示，将步骤一拾取得到CAD模型的曲面，由三维参数域(x，y，z)映射到二维参数域上(u，v)，采用等参数的采样方法，设置采样步长1mm，按照一定的步长在二维参数域(u，v)上进行采样，将得到的二维参数域上的采样点重新映射到三维参数域(x，y，z)上，得到对应的待测量点C_i在笛卡尔坐标系下的坐标值(x，y，z)；

步骤S3，如图4所示，根据步骤二得到的待测量点C_i，在笛卡尔坐标系下分别沿二维参数u方向、v方向建立x_li轴、y_li轴，沿x_li轴、y_li轴的单位向量的叉乘向量方向建立z_li轴，从而建立了每一个待测量点C_i的局部坐标系x_li-y_li-z_li，基于球坐标系的空间表示方法，将3D激光线扫描测头的可选位置表示为由天顶角θ、方位角

组成的向量

从而3D激光线扫描测头位置S_in可由式1、式2得到，其中θ、

的参数取值范围由3D激光线扫描测头的视场参数所决定，从而生成了每一个待测量点C_i的3D激光线扫描测头的可选位置集合S_i＝{S_i1，S_i2，S_i3，…，S_in}：

S_in＝R·l·v_in+T (式2)

其中，v_in为3D激光线扫描测头位置的单位向量，S_in为3D激光线扫描测头的位置，R为待测工件坐标系到局部坐标系的位姿旋转矩阵；l为3D激光线扫描测头的最佳扫描距离；T为待测工件坐标系到局部坐标系的位姿平移矩阵。

3D激光线扫描测头的可选位置的限制条件如图5所示：

限制条件1，3D激光线扫描测头的可选位置位于z_i的正方向上，从而可以保证激光扫描测头发出的激光束可以达到待测量点，即天顶角θ＞0；

限制条件2，3D激光线扫描测头与待测量点的法线方向的视角范围为30°以内，从而可以保证测量时，可以高精度地测量到待测量点，即天顶角60°＜θ＜90°；

限制条件3，激光线扫描测头发出的激光束应无遮挡，能够直接到达待测量点，即假定激光扫描测头的位置点与待测量点的连线为线段

待测CAD模型为集合S，则

步骤S4，如图6、7所示，步骤S41根据机器人的初始位置，基于路径最短原则，在第一个待测量点C₁的3D激光线扫描测头的可选位置集合S₁中确定最佳扫描位置S_1best，进一步地，基于次最佳视点法依次判断最佳扫描位置S_1best是否可以扫描测量到待测量点C₁，C₂…，C_n，其中前k个测量点C₁，C₂…，C_k为最佳扫描位置S_1best可测量点的集合；

所述的次最佳视点法，是根据当前待测量点的最佳扫描位置，判断当前待测量点的最佳扫描位置是否可以扫描测量到当前待测量点的之后的待测量点，其判断依据为：A、当前待测量点的最佳扫描位置与下一待测量点的距离是否小于等于最大次最佳测量距离l_max并且大于等于最小次最佳测量距离l_min；B、当前待测量点的最佳扫描位置与下一待测量点连线的相反方向与下一待测量点的局部坐标系的z_l轴方向的夹角是否小于等于次最佳测量角度α。若A、B均满足，则说明当前测量点的最佳扫描位置可以扫描测量下一待测量点，反之，则说明当前测量点的最佳扫描位置无法扫描测量下一待测量点。

步骤S42根据最佳扫描位置S_1best，基于路径最短原则，在第k个待测量点C_k的3D激光线扫描测头可选位置集合S_k中确定最佳扫描位置S_kbest，进一步地，基于次最佳视点法依次判断最佳扫描位置S_kbest是否可以测量到待测量点C_k，C_k+1…，C_n，其中前m个测量点C_k，C_k+1…，C_m为最佳扫描位置S_kbest可测量点的集合；所述最大次最佳测量距离l_max与最小次最佳距离l_min为最佳测量距离的上下浮动值，在最佳测量距离l上加上一定距离为最大次最佳测量距离l_max，在最佳测量距离减去一定距离为最小次最佳测量距离l_min，当3D激光线扫描测头位于最小次最佳测量距离l_max到次最大次最佳测量距离l_min范围内时，可以测量到待测量点。

步骤S43根据最佳扫描位置S_kbest，按照步骤S42的方法，循环，直到生成所有测量点的最佳扫描位置；

步骤S44最终确定3D激光线扫描测头的最佳扫描位置集合S_best-total。

具体过程为：在最佳扫描位置S_kbest处，沿最佳扫描位置S_kbest与待测量点C_k的连线方向建立z_si轴，沿工件坐标系x轴建立x_si轴，沿x_si轴、z_si轴的叉乘向量方向建立y_si轴，从而建立了3D激光线扫描测头坐标系x_si-y_si-z_si，其中每一个最佳扫描姿态S_kbestposure由3D激光线扫描测头坐标系x_si-y_si-z_si的x_si轴、y_si轴、z_si轴所决定，进而将每一个最佳扫描姿态组成最佳扫描姿态集合S_{best-total-posture}。

步骤五，将步骤四得到的最佳扫描位置集合S_best-total中的各个最佳扫描位置依次连接，得到初步的扫描路径；

步骤六，如图8所示出的，对步骤五得到的初步扫描路径进行角点连接处

的平滑处理，因考虑到路径的平滑性，这里选用5次B样条曲线进行路径平滑处理，在相应的平滑误差AP的要求下，基函数的节点向量U采用如式3所示，控制点Q_i的分布如式4、5所示，基于节点向量U、控制点Q_i生成的B样条曲线曲线对角点处

的路径进行平滑处理，从而得到了最终的激光线扫描路径(如图9所示)。

U＝[0，0，0，0，0，0，0.5，1，1，1，1，1，1]^T (式3)

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据待测零部件的CAD模型，动态选取待测零部件的待测曲面；

步骤S2：将步骤S1选取的待测曲面由三维参数域映射到二维参数域上，并在二维参数域进行离散采样，将得到的二维参数域上的采样点重新映射到三维参数域上，得到在三维参数域上一系列的待测量点；

步骤S3：建立每一个待测量点的局部坐标系，基于球坐标空间表示方法，将在每一个待测量点的局部坐标系下的激光扫描测头的可行位置表示为天顶角和方位角的组合；

步骤S4：采用次最佳视点法，基于路径最短原则，在每一个待测量点的激光扫描测头的可行位姿中选择最佳激光测头位置；

步骤S5：将每一个最佳激光测头位置点进行直线连接，形成扫描测量路径；

步骤S6：在扫描路径的直线角点处，基于5次B样条曲线进行路径平滑处理，从而得到了最终的扫描路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为，根据待测零件的CAD模型，采用动态拾取功能，将拾取几何元素定义为面，将待测CAD模型离散成点、线、面，将CAD模型中的几何元素-面，进行拾取。

3.根据权利要求1所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S2中，采用等参数的离散采样方法，设置采样步长，按照采样步长在二维参数域(u，v)上进行采样，将得到的二维参数域上的采样点重新映射到三维参数域(x，y，z)上，得到对应的待测量点C_i在笛卡尔坐标系下的坐标值(x，y，z)。

4.根据权利要求1所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S3中，根据步骤S3得到的待测量点C_i，在笛卡尔坐标系下沿二维参数u方向、v方向建立x_li轴、y_li轴，沿x_li轴、y_li轴的单位向量叉乘向量方向建立z_li轴，建立每一个待测量点C_i的局部坐标系x_li-y_li-z_li，基于球坐标系的空间表示方法，将激光线扫描测头的可选位置表示为由天顶角、方位角组成的向量

其中θ、

的参数取值范围由激光线扫描测头的视场参数所决定，生成每一个待测量点C_i的激光扫描测头的可选位置集合S_i。

5.根据权利要求1所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S4包括，

步骤S41，根据机器人的初始位置，基于路径最短原则，在第一个待测量点C₁的3D激光线扫描测头的可选位置集合S₁中确定最佳扫描位置S_1best，进一步地，基于次最佳视点法依次判断最佳扫描位置S_1best是否可以扫描测量到待测量点C₁，C₂…，C_n，其中前k个测量点C₁，C₂…，C_k为最佳扫描位置S_1best可测量点的集合；

步骤S42，根据最佳扫描位置S_1best，基于路径最短原则，在第k个待测量点C_k的3D激光线扫描测头可选位置集合S_k中确定最佳扫描位置S_kbest，进一步地，基于次最佳视点法依次判断最佳扫描位置S_kbest是否可以测量到待测量点C_k，C_k+1…，C_n，其中前m个测量点C_k，C_k+1…，C_m为最佳扫描位置S_kbest可测量点的集合；

步骤S43，根据最佳扫描位置S_kbest，按照步骤S42的方法，循环，直到生成所有测量点的最佳扫描位置；

步骤S44，最终确定3D激光线扫描测头的最佳扫描位置集合S_best-total。

6.根据权利要求5所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述的次最佳视点法，是根据当前待测量点的最佳扫描位置，判断当前待测量点的最佳扫描位置是否可以扫描测量到当前待测量点的之后的待测量点，其判断依据为：A、当前待测量点的最佳扫描位置与下一待测量点的距离是否小于等于最大次最佳测量距离l_max并且大于等于最小次最佳测量距离l_min；B、当前待测量点的最佳扫描位置与下一待测量点连线的相反方向与下一待测量点的局部坐标系的z_l轴方向的夹角是否小于等于次最佳测量角度α；若A、B条件均满足，则说明当前测量点的最佳扫描位置可以扫描测量下一待测量点，反之，则说明当前测量点的最佳扫描位置无法扫描测量下一待测量点。

7.根据权利要求6所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述最大次最佳测量距离l_max与最小次最佳距离l_min为最佳测量距离的上下浮动值，在最佳测量距离l上加上一定距离为最大次最佳测量距离l_max，在最佳测量距离减去一定距离为最小次最佳测量距离l_min，当3D激光线扫描测头位于最小次最佳测量距离l_max到次最大次最佳测量距离l_min范围内时，可以测量到待测量点。

8.根据权利要求5所述的一种基于次最佳视点的激光线扫描路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S44为在最佳扫描位置S_kbest处，沿最佳扫描位置S_kbest与待测量点C_k的连线方向建立z_si轴，沿工件坐标系x轴建立x_si轴，沿x_si轴、z_si轴的叉乘向量方向建立y_si轴，从而建立了3D激光线扫描测头坐标系x_si-y_si-z_si，其中每一个最佳扫描姿态S_kbestposure由3D激光线扫描测头坐标系x_si-y_si-z_si的x_si轴、y_si轴、z_si轴所决定，进而将每一个最佳扫描姿态组成最佳扫描姿态集合S_{best-total-posture}。

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