一种基于局部特征对齐的管件三维点云对比检测方法

技术领域

本发明属于汽车、航空航天、船舶等行业成型管件的定性检测领域，具体的是涉及一种基于局部特征对齐的管件三维点云对比检测方法。

背景技术

成型管件是汽车、航空航天、船舶等行业中机电产品的重要组成部分，成型管以气体、液体等流体作为工作介质，实现产品的运行、控制和操纵等功能。管件系统的合理布局设计、精确制造与可靠施工直接关系到机电产品的质量、可靠性和工作寿命。图1所示为某车型左后制动硬管图。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

工业成型管件检测分为定性检测和定量检测，定性检测指通过一定设备或技术手段间接判断管件是否满足设计技术指标，定性检测适用于批量生产管件时的快速检测；定量检测则是指通过一定设备或技术手段直接获得加工成型管件的实际技术指标，通过将测量的技术指标与设计的技术指标对比判断管件是否合格，管件的定量检测适用于分析和调整管件加工工艺参数的场合。

定性检测常用的设备为空间分布的组合卡槽检具，这些卡槽及其空间分布充分考虑了管件的制造公差，每一个卡槽都对管件的一部分进行定位约束，使用时如果管件的整体能够放入组合卡槽内则视为管件制造满足公差要求，也即合格，否则视为不合格。

定量检测，即要测量管件的主要设计指标，成型管件的主要设计参数有五个，其一是节点坐标，也即相邻管件直线段轴线的相交点，其二是折弯角，也即相邻管件直线段轴线之间的夹角，其三是折弯半径，也即相邻管件直线段之间弯曲段轴线的弯曲半径，其四是二面角，也即对于连续的三段管件直线段，第一、二段管件直线段轴线所在平面，与第二、三段管件直线段轴线所在平面之间的二面角，其五是管件直线段部分的外径(内径)，但管件直线段部分的内径和外径是在管件弯折加工前就确定的；管件在折弯加工时的主要加工工艺参数有四个，其一是管件进给长度，也即管件从当前弯曲中心点进给到下一个管件弯曲中心点所移动的距离，其二是管件弯折角度，其三是管件弯折半径，一般管件不同区域的弯折半径参数设置保持一致，其四是二面角。对管件进行定量检测时主要检测管件的设计参数和加工工艺参数。

由限位块、仿形块或其他卡槽式检具组成的管件检具，一般为专用检具，在调整检具时十分不便，往往需要用专用工具检测检具调整是否到位以及是否能够应用于对应管件的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种虚拟的电子检具，扩充新型号检具或者调整现有检具十分方便，只需修改计算机程序中的输入参数即可，另外对比实物检具，调整后不需要专用设备进行精确的测量的基于局部特征对齐的管件三维点云对比检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于局部特征对齐的管件三维点云对比检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)确定管件局部三维设计模型及对应的电子检具：

组成电子检具的圆柱体和圆环体的尺寸根据管件图纸中的设计参数及公差要求确定，设计的电子检具完全包含住设计的管件三维模型；

对应的电子检具中第i个圆柱体由以下参数确定：

其中，

第i个圆环体由以下参数确定：

其中，

2)借助电子检具对管件进行定性检测需要将管件电子检具与检测点云对齐，管件电子检具与管件图纸中的管件模型同在一个坐标系下描述，即管件设计坐标系，而管件检测点云则在测量设备中的测量坐标系下描述，为了能将二者进行直接比对，需要进行坐标系对齐；

3)建立管件检测点云的局部坐标系；

4)检测对比判断。

上述第3)步中，包括如下步骤：

a)在管件检测点云中选择两片直线段点云，第一直线段点云和第一直线段点云，且要求此两片点云对应的管件第一直线段和管件第二直线段的轴线彼此不平行，按照最小二乘法拟合此两片管件直线段点云的轴线，根据两个轴线按照步骤(1)中方式在管件检测点云中建立局部坐标系CF，建立管件检测点云的局部坐标系CF后，将整个管件检测点云从管件点云测量坐标系转换至此坐标系下进行描述；

b)在管件电子检具中选择对应的两个圆柱体，即选择第一圆柱体和第二圆柱体，根据选中的第一圆柱体和第二圆柱体的轴线，按照与步骤(1)中方式在管件电子检具中建立局部坐标系MF，建立管件电子检具中的局部坐标系MF后，将电子检具所有圆柱体和圆环体描述参数从管件设计坐标系转换至此坐标系下进行描述。

上述第4)步中，检测对比方法为：对齐局部坐标系CF和MF，此时等同于将转换坐标系后的管件检测点云和转换描述参数后的管件电子检具所有圆柱体和圆环体放在同一个坐标系下进行描述，然后对管件所有N-1个管件直线段逐个判断其直线段点云是否完全包含于电子检具对应的圆柱体内，如全部包含则视为合格。

在检测完管件直线段后，如需要，继续对管件所有N-2个管件弯曲段逐个判断其管件弯曲段点云是否完全包含于电子检具中对应的圆环体内，如全部包含则视为合格。

对于解决包含极短直线段的管件的定性检测问题，检测方法为：假定极短直线段为管件的第i段，则相邻的管件弯曲段为弯曲段i-1和弯曲段i，将对应的管件弯曲段点云i-1、管件直线段点云i和管件弯曲段点云i组合为一个点云块，对应的将管件电子检具中的圆环体i-1、圆柱体i和圆环体i组合为一个电子检具区域，然后在执行上述坐标系建立及对齐后，检测组合点云块是否包含于此组合的电子检具区域，如果包含于此区域，则认为此部分管件合格，否则视为不合格。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，提出一种虚拟的电子检具，扩充新型号检具或者调整现有检具十分方便，只需修改计算机程序中的输入参数即可，另外对比实物检具，不需要调整后的专用设备进行精确的测量。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的基于局部特征对齐的管件三维点云对比检测方法的管件结构示意图；

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，在获得管件检测点云的基础上，提出一种不同的数据处理方法，即提出一种虚拟电子检具以及对应的定性检测方法。本发明提出的虚拟电子检具是由一系列封闭的几何体组成，典型的是由一些虚拟圆柱体和虚拟圆环体组成，内部为按照图纸设计的管件三维模型的局部，外部则为对应的由圆柱体和圆环体组成的电子检具。

组成电子检具的圆柱体和圆环体的尺寸根据管件图纸中的设计参数及公差要求确定，一般地设计的电子检具能够完全包含住设计的管件三维模型，对应的电子检具中第i个圆柱体可由以下参数确定：

其中，

其中，

借助电子检具对管件进行定性检测需要将管件电子检具与检测点云对其，一般的管件电子检具与管件图纸中的管件模型同在一个坐标系下描述，即管件设计坐标系，而管件检测点云则在测量设备中的测量坐标系下描述，为了能将二者进行直接比对，需要进行坐标系对齐，坐标系具体对齐方式及管件检测方法分为三步，具体如下所示。

第一步，在管件检测点云中选择两片直线段点云，如选择直线段点云1和直线段点云2，且要求此两片点云对应的管件直线段1和管件直线段2的轴线彼此不平行，按照最小二乘法或其他方法拟合此两片管件直线段点云的轴线，根据两个轴线按照一定方式在管件检测点云中建立局部坐标系CF，建立管件检测点云的局部坐标系CF后，可将整个管件检测点云从管件点云测量坐标系转换至此坐标系下进行描述。

第二步，在管件电子检具中选择对应的两个圆柱体，即选择圆柱体1和圆柱体2，根据选中的圆柱体1和圆柱体2的轴线，按照与前述方式在管件电子检具中建立局部坐标系MF，建立管件电子检具中的局部坐标系MF后，可将电子检具所有圆柱体和圆环体描述参数从管件设计坐标系转换至此坐标系下进行描述。

第三步，对齐局部坐标系CF和MF，此时等同于将转换坐标系后的管件检测点云和转换描述参数后的管件电子检具所有圆柱体和圆环体放在同一个坐标系下进行描述，然后对管件所有N-1个管件直线段逐个判断其直线段点云是否完全包含于电子检具对应的圆柱体内，如有必要也可继续对管件所有N-2个管件弯曲段逐个判断其管件弯曲段点云是否完全包含于电子检具中对应的圆环体内，如全部包含则视为合格。

对于解决包含极短直线段的管件的定性检测问题，具体检测方法为，假定极短直线段为管件的第i段，则相邻的管件弯曲段为弯曲段i-1和弯曲段i，将对应的管件弯曲段点云i-1、管件直线段点云i和管件弯曲段点云i组合为一个点云块，对应的将管件电子检具中的圆环体i-1、圆柱体i和圆环体i组合为一个电子检具区域，然后在执行上述坐标系建立及对齐后，检测组合点云块是否包含于此组合的电子检具区域，如果包含于此区域，则认为此部分管件合格，否则视为不合格。

电子检具是由虚拟圆柱体和圆环体组成的，但是应当注意到其他封闭几何体同样可以满足检测要求，如满足公差要求的理想管件的包络体，或类比实际组合卡槽式检具的凹槽形式，长方体或截面为U型封闭截面的拉伸体等均可以作为本发明创造中提出的电子检具的组成单元，此时只需修改对应的包络体、长方体或拉伸体的描述参数以及判断点云是否包含于对应封闭几何体的方法即可。

借助空间中任意两个不平行且不重合的直线可以建立一个坐标系，但是建立坐标系的方法是不唯一的，在本发明创造中，借助两个管件直线段点云拟合轴线建立的管件检测点云局部坐标系CF，以及借助两个管件电子检具圆柱体轴线建立的管件电子检具局部坐标系MF，其建立坐标系的方法是任意的，但必须保持前后一致，另建立坐标系的方法不影响检测结果。

电子检具中虚拟封闭几何体的描述参数是不唯一的，一切能够确定封闭几何体自身形状、空间位置和空间姿态的参数组合都能够应用于本发明创造，且不影响最终的检测效果。

有益效果，(1)虚拟电子检具，仅用较少的参数即可对其进行表达和描述，类比实物检具，不占用大量工厂空间。(2)可扩展性强、调整方便，新型号管件对应的电子检具只需根据图纸要求即可生成，对于已有电子检具的调整只需更改电子检具生成程序的输入参数即可。(3)实物管件检具装配完成后需要专用仪器设备对其进行测量判断是否满足检测要求，电子检具只需保证生成程序和参数无误即可，也即电子检具本身的检测更容易。(4)虚拟电子检具，非接触检测，不会对管件和检具产生影响。(5)用程序自动执行检测，自动化程度高，检测标准明确且一致，相较于人为操作实物检具检测管件，其效率更高、误判率更低。(6)对于包含特殊形状且对其有公差要求的管件，也可采用本发明创造中提出的电子检具和检测方法进行检测。

采用上述的方案后，提出一种虚拟的电子检具，扩充新型号检具或者调整现有检具十分方便，只需修改计算机程序中的输入参数即可，另外对比实物检具，不需要调整后的专用设备进行精确的测量。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。