基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識別，尤其涉及油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計模型的三 維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識別。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于大型油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊，有幾何尺寸和質(zhì)量龐大，接口數(shù)量多等特點，一般采用 分體制造，再總裝拼接的工藝流程。大型鋼結(jié)構(gòu)往往具有嚴(yán)格的外形與準(zhǔn)確度的要求，其 最終質(zhì)量在很大程度上依賴于裝配對準(zhǔn)的質(zhì)量，所以準(zhǔn)確高效地識別斷面特征顯得尤為重 要。目前常采用的三維斷面特征識別技術(shù)，往往通過對三維激光掃描出的點云數(shù)據(jù)進行處 理并直接提取特征，該方法需要處理大量的點云數(shù)據(jù)，所以很難保證提取特征的精度而且 速度慢效率低，不適于大型油氣鋼結(jié)構(gòu)的裝配對準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺點，提供一種計算速度更快、識別精度更高 的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識別方法。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] 本發(fā)明的基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識別方法，它包括以下步驟：
[0006] (1)在CAD三維軟件中建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對理想三維模型斷面 部分的輪廓特征線信息進行提取；
[0007] (2)使用三維激光掃描系統(tǒng)對模塊斷面部分進行掃描，得到實際模塊斷面部分點 云數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化的實際模塊斷面部分點云數(shù)據(jù)；
[0008] (3)將提取的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進行坐標(biāo)變換，統(tǒng)一到點 云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系下；
[0009] (4)以經(jīng)過坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，對每一個輪 廓特征線周圍設(shè)定區(qū)域的鄰域點云數(shù)據(jù)進行搜索；
[0010] (5)將搜索到的鄰域點云數(shù)據(jù)進行特征提取，獲得實際模塊斷面部分輪廓特征 線；
[0011] (6)在CAD三維軟件中建立實際模塊斷面部分的三維模型；
[0012] (7)重復(fù)所述的步驟（1)至步驟（6)建立另一模塊實際斷面部分的三維模型；
[0013] (8)在同一坐標(biāo)系下，對兩端面的特征進行對比分析，判斷出兩個模塊是否能夠?qū)?接裝配。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：利用三維模型輔助點云數(shù)據(jù)特征識別，縮小了點云的搜索范 圍，從而提高了特征識別的速度，并排除了斷面范圍外其他點云數(shù)據(jù)的影響，提高了特征提 取的精度。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識別方 法采用的坐標(biāo)計算三維示意圖；
[0016] 圖2是發(fā)明的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征識別方法 采用的特征信息周圍區(qū)域點云搜索示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)描述。
[0018] 如附圖所示的本發(fā)明的基于油氣鋼結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計模型的三維激光斷面結(jié)構(gòu)特征 識別方法，它包括以下步驟：
[0019] (1)在CAD三維軟件中建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對理想三維模型斷面 部分的輪廓特征線信息進行提??；
[0020] (2)使用三維激光掃描系統(tǒng)對模塊斷面部分進行掃描，得到實際模塊斷面部分點 云數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化的實際模塊斷面部分點云數(shù)據(jù)；三維激光 掃描系統(tǒng)可以在市場購得，三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理為：
[0021] 三維激光掃描系統(tǒng)是采用脈沖激光測距的方法，通過激光脈沖二極管發(fā)射激光脈 沖，射向被測物體，激光碰到被測物體的表面后反射回來，由系統(tǒng)內(nèi)的探測裝置接收并記 錄。根據(jù)激光束發(fā)射和接收的時間差T，計算掃描點到儀器的斜距S，同時獲取此激光束的 水平方向角度a和垂直方向角度0，計算出掃描點用空間坐標(biāo)系中X方向、Y方向、Z方向 3個矢量數(shù)據(jù)表示。見圖1。
[0022] 計算掃描點空間坐標(biāo)時，坐標(biāo)原點為系統(tǒng)內(nèi)部測距激光發(fā)射的幾何中心，Z軸為儀 器的豎軸，Y軸為掃描默認(rèn)起始方位，X軸與Y、Z軸垂直構(gòu)成空間坐標(biāo)系。通過計算可得掃 描點P的坐標(biāo)（Xp，Yp，Zp)，即
[0023]
【主權(quán)項】
1. 基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識別方法，其特征在于，它包括以下步驟： (1) 在CAD三維軟件中建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對理想三維模型斷面部分 的輪廓特征線信息進行提??； (2) 使用三維激光掃描系統(tǒng)對模塊斷面部分進行掃描，得到實際模塊斷面部分點云數(shù) 據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，得到優(yōu)化的實際模塊斷面部分點云數(shù)據(jù)； (3) 將提取的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進行坐標(biāo)變換，統(tǒng)一到點云數(shù) 據(jù)的坐標(biāo)系下； (4) 以經(jīng)過坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，對每一個輪廓特 征線周圍設(shè)定區(qū)域的鄰域點云數(shù)據(jù)進行搜索； (5) 將搜索到的鄰域點云數(shù)據(jù)進行特征提取，獲得實際模塊斷面部分輪廓特征線； (6) 在CAD三維軟件中建立實際模塊斷面部分的三維模型； (7) 重復(fù)所述的步驟（1)至步驟（6)建立另一模塊實際斷面部分的三維模型； (8) 在同一坐標(biāo)系下，對兩端面的特征進行對比分析，判斷出兩個模塊是否能夠?qū)友b 配。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識別方法，其特征在于：所 述的步驟（4)中鄰域點云數(shù)據(jù)搜索具體步驟為： 步驟一、將理想三維模型的輪廓特征信息整合到點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系后，通過人工移動 使點云數(shù)據(jù)和理想三維模型的輪廓線位置基本重合； 步驟二、以經(jīng)過坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，生成圓柱體， 而后用球體對特征周圍形成的圓柱體進行空間填充，用一系列球體所包含的點集近似代替 圓柱體內(nèi)部點； 步驟三、使用k-鄰域點云搜索方法對輪廓線周圍進行鄰域搜索。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識別方法，其特征在于： 所述的步驟（5)中特征提取方法具體如下： 步驟一、先將點云數(shù)據(jù)中具有法向或曲率突變的點舍去； 步驟二、根據(jù)斷面和與其相交的各面內(nèi)點云法向指向不同特性進行區(qū)域分類，然后得 到斷面和與其相交的各面兩區(qū)域點云； 步驟三、利用最小二乘法擬合兩區(qū)域空間平面，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
式中31、131、(31、(11、3 2、132、(32、(12分別為空間平面？1、？ 2表達(dá)式中的系數(shù)，1、7、2分別為 兩面上點的坐標(biāo)； 聯(lián)立兩空間平面方程，求取兩空間平面的交線來表示實際模塊斷面部分輪廓特征線； 相交空間直線方程數(shù)學(xué)表示：
式中，（X(l，yQ，Z(l)為空間直線上任意一點，飩為為)為空間直線的方向向量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于鋼結(jié)構(gòu)模型的激光斷面特征識別方法，包括步驟：建立理想鋼結(jié)構(gòu)模塊的三維模型，并對理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進行提??；使用三維激光掃描系統(tǒng)對模塊斷面部分進行掃描，得到實際模塊斷面部分點云數(shù)據(jù)；將提取的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線信息進行坐標(biāo)變換，統(tǒng)一到點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系下；以經(jīng)過坐標(biāo)變換的理想三維模型斷面部分的輪廓特征線為軸線，對每一個輪廓特征線周圍設(shè)定區(qū)域的鄰域點云數(shù)據(jù)進行搜索，獲得實際模塊斷面部分輪廓特征線；在CAD三維軟件中建立實際模塊斷面部分的三維模型；建立另一模塊實際斷面部分的三維模型，判斷出兩個模塊是否能夠?qū)友b配。采用本方法提高了特征識別的速度。
【IPC分類】G06T17-00, G06F17-50, G06K9-46
【公開號】CN104574502
【申請?zhí)枴緾N201410811567
【發(fā)明人】邢海濤, 馮志肖, 劉必江, 楊宗杰
【申請人】博邁科海洋工程股份有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月22日