CN114998381A - 管板焊接中焊接轨迹拟合方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管板焊技术领域，公开了一种管板焊接中焊接轨迹拟合方法、装置、设备及存储介质，该方法获取待焊接管板的有序点云对应的四角网格数据进行平面分割，获得钢板平面网格和圆管端面网格，根据钢板平面边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面，将圆管端面网络边缘点云投影到管板交线投影平面，获得投影圆环，提取投影圆环外轮廓，对投影圆环外轮廓点云进行空间圆拟合，根据空间圆参数计算投影圆环外轮廓点云各顶点与拟合圆圆心距离最大的目标顶点，根据目标顶点计算获得的实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，先投影后提取圆环外轮廓，适应钢管截面为椭圆、锯齿等工况，稳定拟合管板交线位置，提高焊接准确性。
Description
技术领域
本发明涉及管板焊技术领域，尤其涉及一种管板焊接中焊接轨迹拟合方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
管板焊指的是多根相同钢管与钢板的交线处进行焊接，钢管的截面形状多为圆形，钢板多为平面，焊接过程具有重复性。但实际工况中，由于切割工艺瑕疵、热变形等影响因素，钢管端面可能呈现椭圆，弧面，或者锯齿形等不规则形状，切割钢板可能存在变形，导致实际焊接面是小曲率的曲面，焊接过程存在差异性。
离线编程和示教编程是管板焊接领域比较常见的焊接方式，但是均存在一些弊端。具体地，离线编程：可一次性生成多条焊接曲线程序，但需要钢管与钢板相交的曲线完全一致，对于不同钢管与钢板平面相交时存在的曲线大小、位置和姿态上的差异无法适应。示教编程：工作量大、工作枯燥、效率低、可移植性差、编程困难。
因此，现有的焊接方式，无法适应钢管截面为椭圆、锯齿等多种工况，管板焊接效率低、误差大是亟待解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种管板焊接中焊接轨迹拟合方法、装置、设备及计算机存储介质，旨在解决现有技术中无法适应钢管截面为椭圆、锯齿等多种工况，管板焊接效率低、误差大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种管板焊接中焊接轨迹拟合方法，所述管板焊接中焊接轨迹拟合方法包括以下步骤：
获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管；
根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格；
根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面；
将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环；
根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云；
对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点；
根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点；
根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
可选地，所述根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点，包括：
以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合；
通过k-d树搜索算法，在所述投影圆环外轮廓点云中搜索与所述圆弧顶点坐标最接近的点，作为实际焊接圆弧顶点。
可选地，以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合，包括：
以所述目标顶点为起点，将所述目标顶点绕拟合圆圆心按照预设方向转动多个不同预设角度，得到多个拟合焊接轨迹顶点；
多个所述拟合焊接轨迹顶点构成焊接轨迹圆弧的顶点集合。
可选地，对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点，包括：
对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，获得拟合圆圆心坐标；
计算投影圆环外轮廓点云中各顶点与所述拟合圆圆心坐标之间的第一距离，获得距离集合；
对所述距离集合中的第一距离按照距离大小排序，获取第一距离最大的目标顶点的坐标值作为拟合焊接轨迹的起点。
优选地，所述根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云，包括：
根据所述投影圆环，计算每个所述投影圆环的点云中心和平均半径；
计算所述投影圆环中每个顶点与所述点云中心之间的第二距离；
判断所述第二距离是否大于所述平均半径；
若是，则保留所述第二距离对应的顶点；
根据保留的顶点提取各投影圆环外轮廓点云。
可选地，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面，包括：
计算每个圆管端面网格边缘点云中心和圆环顶点数量
计算所述钢板平面的边缘点云中任意顶点与所述圆环点云中心的距离，计算获得的距离构成的距离集合记为Dv；
按照预设规则记录所述距离集合Dv中
个值所对应的顶点坐标；
根据
个所述顶点坐标，采用随机采样一致性算法进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面。
可选地，所述根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云之前，还包括：
将圆管端面面积与点云分辨率关联，计算网格面顶点数量阈值；
根据所述钢板所在平面网格和所述圆管端面网格，提取网格面的集合；
判断所述网格面的集合中各网格面顶点数是否大于所述网格面顶点数量阈值；
若大于，则保留对应的网格面，根据保留的网格面计算待焊接管板的轨迹个数；
相应地，所述根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，包括：
根据所述待焊接管板的轨迹个数和所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种管板焊接中焊接轨迹拟合装置，所述管板焊接中焊接轨迹拟合装置包括：
构建模块，用于获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管；
平面分割模块，用于根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格；
平面拟合模块，用于根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面；
投影模块，用于将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环；
提取模块，用于根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云；
计算模块，用于对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点；
所述计算模块，还用于根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点；
生成模块，用于根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种管板焊接中焊接轨迹拟合设备，所述管板焊接中焊接轨迹拟合设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的管板焊接中焊接轨迹拟合程序，所述管板焊接中焊接轨迹拟合程序被所述处理器执行时实现如上文所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法的步骤。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有管板焊接中焊接轨迹拟合程序，所述管板焊接中焊接轨迹拟合程序被处理器执行时实现如上文所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法的步骤。
本发明中，通过获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管，根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格，对于不同钢管与钢板平面相交时存在的曲线大小、位置和姿态上的差异能够很好地适应；根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面，将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环，根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云，先投影后提取圆环外轮廓点云，能有效适应钢管截面为椭圆、锯齿等多种工况，可以稳定拟合出管板交线位置，生成准确性高的焊接轨迹；对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点，根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点，根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，通过3D相机获取的点云自动生成管板焊接轨迹，机器人无需预先沿焊接轨迹运动，效率高，机器人编程简单，兼顾了管板焊接中的重复性和差异性，能有效适应钢板形变和管板交线不一致的情况。
附图说明
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的管板焊接中焊接轨迹拟合设备的结构示意图；
图2为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法第一实施例的流程示意图；
图3为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法实施例中待焊接管板的边缘点云集合；
图4为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法实施例中钢板平面边缘点云；
图5为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法实施例中圆管端面边缘点云；
图6为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法实施例中拟合平面的点云；
图7为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法实施例中圆环外轮廓投影点云；
图8为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法实施例中焊接轨迹；
图9为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合装置第一实施例的结构框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的管板焊接中焊接轨迹拟合设备结构示意图。
如图1所示，该管板焊接中焊接轨迹拟合设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口，对于用户接口1003的有线接口在本发明中可为USB接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(WIreless-FIdelity，WI-FI)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)存储器，也可以是稳定的存储器(Non-volatileMemory，NVM)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对管板焊接中焊接轨迹拟合设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及管板焊接中焊接轨迹拟合程序。
在图1所示的管板焊接中焊接轨迹拟合设备中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与所述后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接用户设备；所述管板焊接中焊接轨迹拟合设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的管板焊接中焊接轨迹拟合程序，并执行本发明实施例提供的管板焊接中焊接轨迹拟合方法。
基于上述硬件结构，提出本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法的实施例。
参照图2，图2为本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法第一实施例的流程示意图，提出本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法第一实施例。
在第一实施例中，所述管板焊接中焊接轨迹拟合方法包括以下步骤：
步骤S10：获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管。
应理解的是，本实施例的执行主体是所述管板焊接中焊接轨迹拟合设备，所述管板焊接中焊接轨迹拟合设备可为个人电脑、工控机、机器人或服务器等电子设备，本实施例对此不加以限制。将3D相机固定于待焊接管板正上方，触发拍照获取待焊接管板有序点云。对于所述有序点云中的任意一点vi,j，依照行列排序的索引规则查找vi,j的相邻点vi,j+1，vi+1,j+1，vi+1,j。其中，有序点云数据中第i行j列、第i行j+1列、第i+1行j+1列、第i+1行j列分别对应的vi,j，vi,j+1，vi+1,j+1，vi+1,j四个点，这四个点构成一个四角面片，构成四角面片的点称为网格顶点。依据索引关系，添加四角面片，直至搜索完有序点云中的所有点，顶点和四角面片共同构成四角网格。所述待焊接管板包括钢板和多根圆管，即所述四角网格数据为所述钢板和多根所述圆管对应的三维立体全方位信息。
步骤S20：根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格。
需要说明的是，设定网格面夹角阈值θ，对上述管板工件四角网格进行平面分割，提取四角网格面的集合MF。具体为：对所述四角网格数据中的任意四角面片Fi，在其邻域Ωi内进行搜索，若
且Fi的网格面法相
与Fj的网格面法相
的夹角小于阈值θ，则认为Fi与Fj属于同一个网格面，并以Fj为起始面继续查找，由此可以得到多个四角网格面，即获得钢板所在平面网格和圆管端面网格，多个所述四角网格面构成集合MF。
步骤S30：根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面。
可理解的是，在实际工况中，由于切割工艺，运输过程等影响因素，钢板实际上并不是一个严格的平面，而是一个小曲率的曲面，用钢板平面边缘点云的所有顶点进行平面拟合难以适应局部小曲率形变，误差较大，本实施例通过局部平面拟合，以适应局部小曲率形变，减小误差。
应理解的是，由四角网格顶点间的拓扑关系，任意一个网格的内顶点vi,j，它的相邻顶点数必然为四个，否则顶点vi,j为边缘点。由此，提取出钢板平面和多个圆管端面的边缘顶点的集合Bv。Bv为待焊接管板的边缘点云集合，如图3。其中，顶点数量最多的集合为钢板平面边缘点云如图4所示，其余为圆管端面边缘点云，圆管端面边缘点云为如图5所示的双层圆环。
在本实施例中，所述根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面，具体包括：
计算每个圆管端面网格边缘点云中心和圆环顶点数量
计算所述钢板平面的边缘点云中任意顶点与所述圆环点云中心的距离，计算获得的距离构成的距离集合记为Dv；
按照预设规则记录所述距离集合Dv中
个值所对应的顶点坐标；
根据
个所述顶点坐标，采用随机采样一致性算法进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面。
在具体实现中，计算每个圆管端面网格边缘点云的圆环点云中心
和每个圆环点云的顶点数量Nk。对于所述钢板平面的边缘点云中任意顶点vi＝(xi,yi,zi)，计算vi与圆环点云中心ok的距离
平面边缘点云中所有点云与圆环中心的距离集合记为D。对D由小到大排序，并纪录前
个值所对应的顶点坐标，此时
个顶点位于如图6所示矩形区域内。利用记录的
个顶点坐标，采用随机采样一致性算法拟合平面方程，形式如下：Ax+By+Cz+D＝0，其中(A,B,C)为空间平面法向，D为原点到平面的距离，获得拟合平面，即所述管板交线投影平面。
步骤S40：将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环。
应理解的是，在3D扫描获得的有序点云以及生成的四角网格中，由于噪声，遮挡，以及圆管侧面管壁的影响，并不能直接获取管板交线处的点云坐标，需要由圆管端面圆环的外层轮廓点云来估计管板交线位置。切割工艺的差异导致圆管截面并不都是规则的圆环，有时是椭圆，有时有凹凸感。为了适应实际工况，需对圆环外轮廓进行提取，具体步骤是首先将圆环外轮廓点云投影至拟合平面。
圆环外轮廓点云任意顶点坐标为(x0,y0,z0)，其在空间平面上的投影点为坐标为(xp,yp,zp)。因为投影点与当前点连线与平面垂直，根据垂直约束条件，可知yp,zp满足如下条件：
将yp,zp带入空间平面方程Ax+By+Cz+D＝0，可解得
将xp代入yp,zp表达式可解得yp,zp，形式如下：
由此可以计算出圆环外轮廓点云在钢板平面上的投影点云，获得所述投影圆环。
步骤S50：根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云。
需要说明的是，计算第k个投影圆环点云平均半径rk，根据计算出的点云中心ok和点云平均半径rk提取出投影圆环外轮廓，即保留第k个圆环点云中d(vi,ok)＞rk的所有顶点，第k个圆环外轮廓点云顶点个数记为
投影圆环外层轮廓提取结果如图7所示。
步骤S60：对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点。
可理解的是，通过随机采样一致性算法对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，获取拟合圆圆心坐标，计算投影圆环外轮廓点云中顶点与圆心的距离的集合D，记录距离集合D中距离最大的点的坐标值，以该点为拟合焊接轨迹起点
即所述目标顶点。
步骤S70：根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点。
应理解的是，以所述目标顶点
为起点，绕拟合圆圆心转动，计算其余的拟合焊接轨迹顶点，焊接轨迹圆弧的顶点集合，记为P。通过搜索算法在投影圆环外轮廓点云中搜索与P最接近的点作为实际焊接轨迹圆弧顶点。
步骤S80：根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
需要说明的是，由于所述待焊接管板包括钢板和多根圆管，所以最后获得多个管板焊接轨迹，如图8所示，黑色的点为所述实际焊接圆弧顶点，所述实际焊接点通过圆弧连接，获得管板焊接轨迹，有多根圆管，从而获得多个焊接轨迹，根据获得的多个所述管板焊接轨迹按顺时针方向或逆时针方向进行焊接，则完成所述待焊接管板的焊接。
进一步地，对得到的多个所述管板焊接轨迹进行排序，并将排序后焊接轨迹输出给机器人。本实施例中，所述步骤S80之后，还包括：对多个所述管板焊接轨迹进行排序，获得目标焊接轨迹。
在本实施例中，通过获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管，根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格，对于不同钢管与钢板平面相交时存在的曲线大小、位置和姿态上的差异能够很好地适应；根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面，将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环，根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云，先投影后提取圆环外轮廓点云，能有效适应钢管截面为椭圆、锯齿等多种工况，可以稳定拟合出管板交线位置，生成准确性高的焊接轨迹；对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点，根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点，根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，通过3D相机获取的点云自动生成管板焊接轨迹，机器人无需预先沿焊接轨迹运动，效率高，机器人编程简单，兼顾了管板焊接中的重复性和差异性，能有效适应钢板发形变和管板交线不一致的情况。
继续参照图2，基于上述第一实施例，提出本发明管板焊接中焊接轨迹拟合方法的第二实施例。
在第二实施例中，所述步骤S70，包括：
以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合；
通过k-d树搜索算法，在所述投影圆环外轮廓点云中搜索与所述圆弧顶点坐标最接近的点，作为实际焊接圆弧顶点。
进一步地，在本实施例中，以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合，包括：
以所述目标顶点为起点，将所述目标顶点绕拟合圆圆心按照预设方向转动多个不同预设角度，得到多个拟合焊接轨迹顶点；
多个所述拟合焊接轨迹顶点构成焊接轨迹圆弧的顶点集合。
应理解的是，以所述目标顶点
为起点，所述预设方向可以是顺时针或逆时针方向，多个所述不同预设角度可以根据实际待焊管板的圆管直径大小进行设定，圆管直径较大，可以多设置几个预设角度，圆管直径较小，可以少设置几个预设角度，本实施例对此不加以限制。
例如：将所述目标顶点
绕拟合圆圆心顺时针转动
得到转动后的点
为顶点，将焊接轨迹划分为两段圆弧，以便于所述管板焊接中焊接轨迹拟合设备实现焊接操作。
表1 拟合圆圆弧顶点
计算拟合圆圆心ok指向
点的向量
计算
绕法向
旋转后的向量：
其中，θ取值分别为
对应的圆弧顶点
坐标为
通过kd-Tree搜索，在圆环投影点云外轮廓上搜索与拟合焊接轨迹圆弧顶点最接近的点做为实际焊接轨迹圆弧顶点。
进一步地，在本实施例中，对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点，包括：
对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，获得拟合圆圆心坐标；
计算投影圆环外轮廓点云中各顶点与所述拟合圆圆心坐标之间的第一距离，获得距离集合；
对所述距离集合中的第一距离按照距离大小排序，获取第一距离最大的目标顶点的坐标值作为拟合焊接轨迹的起点。
可理解的是，拟合的空间圆参数包括拟合圆圆心坐标，采用随机采样一致性算法对投影圆环外轮廓点云进行空间圆拟合。得到拟合空间圆的圆心坐标ok(ox,oy,oz)，法向
计算投影圆环外轮廓点云中每个点与拟合圆圆心的距离，构成集合D。对集合D由大到小排序，或者由小到大排序，并记录与拟合圆圆心距离最大的点的坐标，记为
进一步地，在本实施例中，所述步骤S50，包括：
根据所述投影圆环，计算每个所述投影圆环的点云中心和平均半径；
计算所述投影圆环中每个顶点与所述点云中心之间的第二距离；
判断所述第二距离是否大于所述平均半径；
若是，则保留所述第二距离对应的顶点；
根据保留的顶点提取各投影圆环外轮廓点云。
需要说明的是，计算每个所述投影圆环点云的点云中心，第k个投影圆环点云中心
计算方式如下：
其中Nk为提取的第k个投影圆环点云的顶点个数。
计算第k个投影圆环点云平均半径rk。rk为点云中每个顶点到投影圆环点云中心的距离的平均值，即
其中
为投影圆环点云中每个顶点vi(xi,yi,zi)到点云中心ok的距离，即所述第二距离。
根据计算出的点云中心ok和点云平均半径rk提取出投影圆环外轮廓，即保留第k个圆环点云中d(vi,ok)＞rk的所有顶点，第k个圆环外轮廓点云顶点个数记为
进一步地，所述步骤S30之前，还包括：
将圆管端面面积与点云分辨率关联，计算网格面顶点数量阈值；
根据所述钢板所在平面网格和所述圆管端面网格，提取网格面的集合；
判断所述网格面的集合中各网格面顶点数是否大于所述网格面顶点数量阈值；
若大于，则保留对应的网格面，根据保留的网格面计算待焊接管板的轨迹个数；
相应地，所述根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，包括：
根据所述待焊接管板的轨迹个数和所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
在具体实现中，将圆管端面面积与点云分辨率关联，计算网格面顶点数量阈值，分别提取出钢板平面网格和圆管端面网格。可通过测量工具测量圆管内直径d和外直径D，所述测量工具为游标卡尺，Nv计算方式如下：
Nv＝S*Rc；
其中，
为圆管端面圆环面积，Rc为点云分辨率。
保留四角网格面的集合MF中，网格顶点数
大于Nv的网格面，得到钢板平面网格和圆管端面网格的集合M'F，其中顶点数量最多的网格面为钢板平面，其余的网格面为圆管端面。待焊接管板中焊接轨迹的个数为：N＝len(M'F)-1；其中len(M'F)表示M'F所包含的边缘顶点集合的数量。
相应地，所述根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，包括：
根据所述待焊接管板的轨迹个数和所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
计算获得焊接轨迹的个数，从而准确识别所述待焊接管板中待焊接的圆管的个数，从而提高焊接准确性。
进一步地，可对所述四角网格数据进行导向滤波，去除3D成像过程中的噪声和异常值的影响，降低计算误差。
进一步地，在本实施例中，在步骤S20之前，还包括：
对所述四角网格数据进行导向滤波，获得降噪管板网格。
相应地，对所述四角网格数据进行平面分割，获得网格面集合，具体包括：
对所述降噪管板网格进行平面分割，获得网格面集合。
需要说明的是，具体地，导向滤波的流程为：对所述四角网格数据中任意四角面片，查找对应的引导法向滤波候选块；根据所述引导法向滤波候选块进行法向量一致性估计，获得目标候选块；计算所述目标候选块的引导法向；根据所述引导法向通过联合双边滤波算法，对所述四角网格数据的网格法向进行滤波，获得滤波后网格法向；根据所述滤波后网格法向，对所述四角网格数据的网格顶点进行更新，获得降噪管板网格。后续就对所述降噪管板网格进行平面分割。通过导向滤波处理过的管板工件点云，网格面更加平滑。
在具体实现中，对引导法向候选块进行法向量一致性估计，寻找一致性最好的候选块。所述目标候选块为一致性最好的候选块，一致性是根据网格面间的法向量的差值来定义的，值越小，代表网格的一致性越好，寻找一致性最好的候选块。计算中心四角网格的引导法向，计算一致性最好的候选块对应的引导法向，根据联合双边滤波的定义，对网格法向进行滤波，根据滤波后的网格法向，对网格顶点进行更新。通过导向滤波处理过的管板工件点云，网格面更加平滑。
在本实施例中，通过以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合，通过k-d树搜索算法，在所述投影圆环外轮廓点云中搜索与所述圆弧顶点坐标最接近的点，作为实际焊接圆弧顶点，无需复杂的计算，计算便捷，使得焊接轨迹生成效率提高。
此外，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有管板焊接中焊接轨迹拟合程序，所述管板焊接中焊接轨迹拟合程序被处理器执行时实现如上文所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法的步骤。
此外，参照图9，本发明实施例还提出一种管板焊接中焊接轨迹拟合装置，所述管板焊接中焊接轨迹拟合装置包括：
构建模块10，用于获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管；
平面分割模块20，用于根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格；
平面拟合模块30，用于根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面；
投影模块40，用于将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环；
提取模块50，用于根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云；
计算模块60，用于对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点；
所述计算模块60，还用于根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点；
生成模块70，用于根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
本发明所述管板焊接中焊接轨迹拟合装置的其他实施例或具体实现方式可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如只读存储器镜像(Read Only Memory image，ROM)/随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，所述管板焊接中焊接轨迹拟合方法包括以下步骤：
获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管；
根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格；
根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面；
将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环；
根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云；
对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点；
根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点；
根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
2.如权利要求1所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，所述根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点，包括：
以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合；
通过k-d树搜索算法，在所述投影圆环外轮廓点云中搜索与所述圆弧顶点坐标最接近的点，作为实际焊接圆弧顶点。
3.如权利要求2所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，以所述目标顶点为起点，绕拟合圆圆心转动，计算拟合焊接轨迹顶点，获得焊接轨迹圆弧的顶点集合，包括：
以所述目标顶点为起点，将所述目标顶点绕拟合圆圆心按照预设方向转动多个不同预设角度，得到多个拟合焊接轨迹顶点；
多个所述拟合焊接轨迹顶点构成焊接轨迹圆弧的顶点集合。
4.如权利要求1所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点，包括：
对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，获得拟合圆圆心坐标；
计算投影圆环外轮廓点云中各顶点与所述拟合圆圆心坐标之间的第一距离，获得距离集合；
对所述距离集合中的第一距离按照距离大小排序，获取第一距离最大的目标顶点的坐标值作为拟合焊接轨迹的起点。
5.如权利要求1所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，所述根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云，包括：
根据所述投影圆环，计算每个所述投影圆环的点云中心和平均半径；
计算所述投影圆环中每个顶点与所述点云中心之间的第二距离；
判断所述第二距离是否大于所述平均半径；
若是，则保留所述第二距离对应的顶点；
根据保留的顶点提取各投影圆环外轮廓点云。
6.如权利要求1所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面，包括：
计算每个圆管端面网格边缘点云中心和圆环顶点数量
计算所述钢板平面的边缘点云中任意顶点与所述圆环点云中心的距离，计算获得的距离构成的距离集合记为Dv；
按照预设规则记录所述距离集合Dv中
个值所对应的顶点坐标；
根据
个所述顶点坐标，采用随机采样一致性算法进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面。
7.如权利要求1～6中任一项所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法，其特征在于，所述根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云之前，还包括：
将圆管端面面积与点云分辨率关联，计算网格面顶点数量阈值；
根据所述钢板所在平面网格和所述圆管端面网格，提取网格面的集合；
判断所述网格面的集合中各网格面顶点数是否大于所述网格面顶点数量阈值；
若大于，则保留对应的网格面，根据保留的网格面计算待焊接管板的轨迹个数；
相应地，所述根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹，包括：
根据所述待焊接管板的轨迹个数和所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
8.一种管板焊接中焊接轨迹拟合装置，其特征在于，所述管板焊接中焊接轨迹拟合装置包括：
构建模块，用于获取待焊接管板的有序点云，根据所述有序点云构建所述待焊接管板对应的四角网格数据，所述待焊接管板包括钢板和多根圆管；
平面分割模块，用于根据所述四角网格数据进行平面分割，获得钢板所在平面网格和圆管端面网格；
平面拟合模块，用于根据所述钢板所在平面网格提取钢板平面的边缘点云，根据所述钢板平面的边缘点云和圆环点云中心进行局部平面拟和，获得管板交线投影平面；
投影模块，用于将圆管端面网络边缘点云投影到所述管板交线投影平面，获得投影圆环；
提取模块，用于根据所述投影圆环提取投影圆环外轮廓点云；
计算模块，用于对所述投影圆环外轮廓点云，进行空间圆拟合，根据拟合的空间圆参数，计算所述投影圆环外轮廓点云中各顶点中与拟合圆圆心距离最大的目标顶点；
所述计算模块，还用于根据所述目标顶点，计算实际焊接圆弧顶点；
生成模块，用于根据所述实际焊接圆弧顶点生成多个管板焊接轨迹。
9.一种管板焊接中焊接轨迹拟合设备，其特征在于，所述管板焊接中焊接轨迹拟合设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的管板焊接中焊接轨迹拟合程序，所述管板焊接中焊接轨迹拟合程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法的步骤。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有管板焊接中焊接轨迹拟合程序，所述管板焊接中焊接轨迹拟合程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的管板焊接中焊接轨迹拟合方法的步骤。
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- 2022-05-31 CN CN202210607941.6A patent/CN114998381A/zh active Pending
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