CN116503409A - 一种焊缝缺陷3d点云检测方法、设备和介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊缝缺陷3D点云检测方法、设备和介质，包括以下具体步骤：获取被测件点云C0，构建三维坐标系，采用最小二乘法确定基准面；根据基准面对被测件点云数据进行过滤，确定需检测的目标点云C1；根据目标点云C1确定投影点云C2，采用过最小二乘法对点云C2进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p；获取焊缝路径曲线p的法向量进行切片，得到切片点云C3；对切片点云C3进行二次曲线拟合，根据拟合曲线确定焊缝参数。通过对点云进行三次曲线拟合提取焊缝路径，根据焊缝路径的法向量进行切片，保证每一个切片当前段焊缝路径的切线是垂直的，能够根据焊缝本身结构进行检测，提高了对复杂的焊缝结构的检测全面性和检测精度。

Description

一种焊缝缺陷3D点云检测方法、设备和介质
技术领域
本发明涉及3D图像数据处理技术领域，具体涉及一种焊缝缺陷3D点云检测方法、设备和介质。
背景技术
对于新能源中的锂电池外壳，在产出后需要进行焊缝技术检测，如果焊接不达标，会导致锂电池外壳密封型差，尤其是由于焊缝缺陷主要有漏焊，虚焊影响很大，存在质量问题和安全隐患。现有技术上中针对焊接缺陷检测，主要有以下几个方向：
1.从整体上面来判断缺陷，比如深度学习，和模型配准（主要是ICP算法，配准后，比较对应点之间的距离之和），这类技术主要是从整个焊缝来检测缺陷，由于从整个焊缝来检测缺陷，对模型配准主要问题是计算量很大，速度很慢而且有很多不控制的因素，比如配准本来就存在误差，如果检测的缺陷很小会导致检测要求不符合要求。且深度学习需要大量样本，当样本量不足时，会导致检测精度下降
2.对焊缝进行切片，按照每一个切片进行对比。这类技术主要是将焊缝分割成很多段，依次检测每一段是否满足设定的要求。检测时通常将采集设备放置到一个匀速运动装置上，每个一段时间或者位移，取出一部风，直接作为切片点云。但是这部风存在一个很大局限性，运作装置的路径需要和焊缝的路径保持一致，如果是焊缝是简单的直线或者圆环，可以控制运动装置的路径，但焊缝的路径一旦复杂，就无法根据焊缝的路径对运动装置的路径进行控制，会导致检测不全面，检测无效等结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是无法对复杂的焊缝结构进行检测，检测精度低，目的在于提供一种焊缝缺陷3D点云检测方法、设备和介质，通过对点云进行三次曲线拟合提取焊缝路径，根据焊缝路径的法向量来进行切片，保证每一个切片是与当前段焊缝路径的切线是垂直的，能够根据焊缝本身结构进行焊缝检测，提高了对复杂的焊缝结构的检测全面性和检测精度。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明第一方面提供一种焊缝缺陷3D点云检测方法，包括以下具体步骤：
S1、获取被测件点云C0，构建三维坐标系，采用最小二乘法确定基准面；
S2、根据基准面对被测件点云数据进行过滤，确定需检测的目标点云C1；
S3、根据目标点云C1确定投影点云C2，采用过最小二乘法对点云C2进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p；
S4、获取焊缝路径曲线p的法向量进行切片，得到切片点云C3；
S5、对切片点云C3进行二次曲线拟合，根据拟合曲线确定焊缝参数。
本发明通过对点云进行三次曲线拟合提取焊缝路径，根据焊缝路径的法向量来进行切片，保证每一个切片是与当前段焊缝路径的切线是垂直的，能够根据焊缝本身结构进行焊缝检测，提高了对复杂的焊缝结构的检测全面性和检测精度。
进一步的，所述S1具体包括：构建三维坐标系，在点云C0中选取多个参考点，结合参考点坐标获取平面系数。
进一步的，所述S2具体包括：
基于三维坐标系，将基准面校正到与XOY平面平行；
获取点云C0到校正后的基准面的距离，将小于距离设定阈值的点云C0过滤，得到需检测的目标点云C1。
进一步的，所述将基准面校正到与XOY平面平行具体包括：
获取基准面的法向量a；
根据平面系数确定法向量a与XOZ平面之间的三角函数，构建绕X轴的旋转的旋转矩阵R1；
根据平面系数确定法向量a与YOZ平面之间的三角函数，构建绕Y轴的旋转的旋转矩阵R2；
根据旋转矩阵R1和旋转矩阵R2，确定基准面和XOY平面平行的点云C4；
根据点云C4将基准面校正到与XOY平面平行。
进一步的，所述S3具体包括：
将点云C1投影到XOY平面，得到投影点云C5；
将点云C5中所有点的x坐标和y坐标通过最小二乘法进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p。
进一步的，所述S4具体包括：
获取焊缝路径曲线p上任意一点Xm，对焊缝路径曲线p进行求导，根据求导后的焊缝路径曲线p确定Xm的斜率；
获取点Xm的切片所在平面的法向量，结合焊缝路径曲线p确定切平面的系数；
获取切片厚度，确定切片点云C3。
进一步的，所述切片获取过程还包括：
将切片点云C3中的点云校正到与YOZ平面平行；
获取Xm处切片平面系数与YOZ平面的夹角；
根据夹角构建绕Z轴旋转的旋转矩阵R3；
根据切片点云C3和旋转矩阵R3，得到所有需要检测的拱形点云的切片数据。
进一步的，所述S5具体包括：
遍历切片点云C3，获取每一个切片点云的y轴和z轴坐标；
对y轴和z轴坐标进行二次曲线拟合；
根据拟合的二次曲线确定焊缝的参数。
本发明第二方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现一种焊缝缺陷3D点云检测方法。
本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种焊缝缺陷3D点云检测方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
通过对点云进行三次曲线拟合提取焊缝路径，根据焊缝路径的法向量来进行切片，保证每一个切片是与当前段焊缝路径的切线是垂直的，能够根据焊缝本身结构进行焊缝检测，提高了对复杂的焊缝结构的检测全面性和检测精度；
本方案通过按准确的姿态切片，为下一步提供姿态一致的切片点云，对于每一个切片的点云，进行抛弧线拟合，根据拟合的曲线系数，判断每一个切片点云的形状，根据每一个点到曲线的距离，和判断切片点云是否合理分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中的检测流程；
图2为本发明实施例中的焊缝路径曲线切线图；
图3为本发明实施例中的对切片点云拟合的结果；
图4为本发明实施例中的焊缝中的漏焊的检测结果；
图5为本发明实施例中的一个焊缝中有针孔的检测结果。
实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
作为一种可能的实施方式，如图1所示，本实施例提供本发明第一方面提供一种焊缝缺陷3D点云检测方法，包括以下具体步骤：
S1、获取被测件点云C0，构建三维坐标系，采用最小二乘法确定基准面；
S2、根据基准面对被测件点云数据进行过滤，确定需检测的目标点云C1；
S3、根据目标点云C1确定投影点云C2，采用过最小二乘法对点云C2进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p；
S4、获取焊缝路径曲线p的法向量进行切片，得到切片点云C3；
S5、对切片点云C3进行二次曲线拟合，根据拟合曲线确定焊缝参数。
本实施例通过根据目标点云C1确定投影点云C2，采用过最小二乘法对点云C2进行三次曲线拟合提取焊缝路径，根据焊缝路径的法向量来进行切片，保证每一个切片是与当前段焊缝路径的切线是垂直的，能够根据焊缝本身结构进行焊缝检测，提高了对复杂的焊缝结构的检测全面性和检测精度。
其中，提取基准面具体包括：构建三维坐标系，在点云C0中选取多个参考点，选取的参考点包括至少三个，结合参考点坐标获取平面系数，利用最小二乘法拟合平面，构建平面方程，根据参考点坐标，确定平面系数A、B、C和D，其中XYZ为三维坐标系中的X轴，Y轴Z轴，x为X轴坐标，y为Y轴坐标，z为Z轴坐标。
其中，根据基准面对被测件点云数据进行过滤，确定需检测的目标点云C1具体包括：
基于三维坐标系，将基准面校正到与XOY平面平行；
将基准面校正到与XOY平面平行具体包括：
获取基准面的法向量a；
根据平面系数确定法向量a与XOZ平面之间的三角函数，构建绕X轴的旋转的旋转矩阵R1；
上述计算步骤具体包括，获取平面系数A、B、C和D，根据平面系数A、B、C和D确定基准面的法向量，获取校正后的基准面的法向量与XOZ平面之间的三角函数/>，根据三角函数cosx，sinx构建绕X轴的旋转的旋转矩阵R1。
根据平面系数确定法向量a与YOZ平面之间的三角函数，构建绕Y轴的旋转的旋转矩阵R2；
上述计算步骤具体包括，获取平面系数A、B、C和D，根据平面系数A、B、C和D确定基准面的法向量，获取校正后的基准面的法向量与YOZ平面之间的三角函数/>，根据三角函数cosx，sinx构建绕Y轴的旋转的旋转矩阵R2。
根据旋转矩阵R1和旋转矩阵R2，确定基准面和XOY平面平行的点云C4：
即C4=C0·R1·R2；
根据点云C4将基准面校正到与XOY平面平行；
获取点云C0到校正后的基准面的距离，将小于距离设定阈值的点云C0过滤，得到需检测的目标点云C1，即焊缝轮廓
因为基准面目前已经和XOY平面平行，通过界面设定数值（即目标点云C0到XOY面距离来过滤点云，这里可以直接比较点云中Z坐标和设定数值），通过调整数值，可以得到一个拱形焊缝目标点云C1。
其中，根据目标点云C1确定投影点云C2，采用过最小二乘法对点云C2进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p具体包括：
将点云C1投影到XOY平面，得到投影点云C5；
将点云C5中所有点的x坐标和y坐标通过最小二乘法进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p：，其中w0、w1、w2和w3表示拟合曲线的参数。
其中，如图2所示，获取焊缝路径曲线p的法向量进行切片，得到切片点云C3具体包括：
获取焊缝路径曲线p上任意一点Xm，对焊缝路径曲线p进行求导，根据求导后的焊缝路径曲线p确定Xm的斜率。
根据点Xm斜率得到切片所在平面的法向量，结合焊缝路径曲线p确定切平面的系数；
获取切片厚度，确定切片点云C3。具体的，点云是空间散乱点的集合表征了物体表面轮廓特征信息，点云切片是用一组平面与点云求交给定一个平面，一块点云，求出点云在平面中的轮廓线。由于点云的密度是有限的，故利用点云在平面中的点求出轮廓线是行不通的。所以引入“带宽”，在平面法矢方向生成两个等距离的平面W1和W2，取W1和W2之间的点来生成平面W的轮廓曲线。W和之间的距离即带宽，带宽就是切片厚度
切片获取过程还包括：
将切片点云C3中的点云校正到与YOZ平面平行；
获取Xm处切片平面系数与YOZ平面的夹角；
根据夹角构建绕Z轴旋转的旋转矩阵R3；
根据切片点云C3和旋转矩阵R3，得到所有需要检测的拱形点云的切片数据。
具体计算步骤包括：求导后的焊缝路径曲线p为：；
每隔相同距离，取一点Xm，则Xm点的斜率K为：；
设Xm点的切片所在平面的法向量为：；
因为焊缝路径曲线p在XOY平面,因此可以得到Xm点的切线的向量可以表示为（1,K,0）从而可以到对应的；
将Xm代入焊缝路径曲线p中得Ym_D：
；
因为点(Xm,Ym_D,0)在Xm点的切片平面上，因此；
推出Xm点切片平面的系数为Lm（1,K,0,Xm+KYm_D），按照设定的切片厚度，取出该切片的点云为C3，将切片中点云校正到与YOZ平面平行，在这里我们可以设置将切片中点云校正到平面系数为Ln（1，0，0，0）与YOZ平面平行，
根据平面的系数Lm和平面的系数Ln，计算Xm处切片平面系数与YOZ平面的夹角为：
；
根据夹角构建绕Z轴旋转的旋转矩阵R3；
将切片点云C3与旋转矩阵R3相乘，重复上述过程，直到把所有需要检测的拱形点云全部切完，得到所有切片点云C3i，i=1,2,3…n。
其中，如图3所示，对切片点云C3进行二次曲线拟合，根据拟合曲线确定焊缝参数S5具体包括：
遍历切片点云C3i，i=1,2,3…n，获取每一个切片点云的y轴和z轴坐标；
对y轴和z轴坐标进行二次曲线拟合,得到拟合曲线；
根据拟合的二次曲线确定焊缝的参数，包括焊缝高度。
其中系数越大，抛弧线越尖锐。如果是同一种工艺制作，/>应该在一定范围内波动,所以可以通过/>的范围，来监控焊缝质量。
如果切片上面的点在拟合曲线的上方，那么这些点是属于凸包，如果曲线上面点是在曲线下方，那么这些点是属于凹包。计算每一个点到拟合曲线，做标准差，如果拱形点云上面有凹陷或者凸起，就会导致标准差偏大。
本实施例第二方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现一种焊缝缺陷3D点云检测方法。
本实施例第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种焊缝缺陷3D点云检测方法。
作为一种可能的实施方式，如图4所示，提供了一个焊缝中的漏焊检测示例，如图5所示，提供了一个焊缝中有针孔的检测示例，使用本方式，可以准确测量出焊缝中存在的漏焊，虚焊问题，通过提供了详细的切片方式，经过验证，可以按准确的姿态切片，为下一步提供姿态一致的切片点云。对于每一个切片的点云，进行抛弧线拟合，根据拟合的曲线系数，判断每一个切片点云的形状。就算每一个点到曲线的距离，和判断切片点云是否合理分布。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1、获取被测件点云C0，构建三维坐标系，采用最小二乘法确定基准面；
S2、根据基准面对被测件点云数据进行过滤，确定需检测的目标点云C1；
S3、根据目标点云C1确定投影点云C2，采用过最小二乘法对点云C2进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p；
S4、获取焊缝路径曲线p的法向量进行切片，得到切片点云C3；
S5、对切片点云C3进行二次曲线拟合，根据拟合曲线确定焊缝参数。
2.根据权利要求1所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述S1具体包括：构建三维坐标，在点云C0中选取多个参考点，结合参考点坐标获取平面系数。
3.根据权利要求1所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述S2具体包括：
基于三维坐标，将基准面校正到与XOY平面平行；
获取点云C0到校正后的基准面的距离，将小于距离设定阈值的点云C0过滤，得到需检测的目标点云C1。
4.根据权利要求3所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述将基准面校正到与XOY平面平行具体包括：
获取基准面的法向量a；
根据平面系数确定法向量a与XOZ平面之间的三角函数，构建绕X轴的旋转的旋转矩阵R1；
根据平面系数确定法向量a与YOZ平面之间的三角函数，构建绕Y轴的旋转的旋转矩阵R2；
根据旋转矩阵R1和旋转矩阵R2，确定基准面和XOY平面平行的点云C4；
根据点云C4将基准面校正到与XOY平面平行。
5.根据权利要求1所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述S3具体包括：
将点云C1投影到XOY平面，得到投影点云C5；
将点云C5中所有点的x坐标和y坐标通过最小二乘法进行三次曲线拟合，确定焊缝路径曲线p。
6.根据权利要求1所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述S4具体包括：
获取焊缝路径曲线p上任意一点Xm，对焊缝路径曲线p进行求导，根据求导后的焊缝路径曲线p确定Xm的斜率；
获取点Xm的切片所在平面的法向量，结合焊缝路径曲线p确定切平面的系数；
获取切片厚度，确定切片点云C3。
7.根据权利要求6所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述切片获取过程还包括：
将切片点云C3中的点云校正到与YOZ平面平行；
获取Xm处切片平面系数与YOZ平面的夹角；
根据夹角构建绕Z轴旋转的旋转矩阵R3；
根据切片点云C3和旋转矩阵R3，得到所有需要检测的拱形点云的切片数据。
8.根据权利要求1所述的焊缝缺陷3D点云检测方法，其特征在于，所述S5具体包括：
遍历切片点云C3，获取每一个切片点云的y轴和z轴坐标；
对y轴和z轴坐标进行二次曲线拟合；
根据拟合的二次曲线确定焊缝的参数。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述的一种焊缝缺陷3D点云检测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的一种焊缝缺陷3D点云检测方法。
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