[发明专利]一种面向数字化制造的弯管测量和余量定位方法

权利要求书

1.一种面向数字化制造的弯管测量和余量定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用单个激光跟踪仪和一个平面靶标对多个视觉传感器进行全局标定，将不同位置的视觉传感器的坐标系均统一到激光跟踪仪的全局坐标系下；

S2：同步触发多个视觉传感器采集弯管图像，采用边缘检测算法对弯管图像进行边缘检测，采用形态学细化方法获取弯管图像的中心线，剔除中心线上的分支，采用双向极线匹配算法进行中心线三维重建，获取弯管空间中心线；所述剔除中心线上的分支，包括以下步骤：

形态学细化获得弯管中心线骨架，骨架为只包含一个像素宽的轮廓区域，将轮廓区域转换为8领域；用以下三种8领域形式进行说明：

其中1为前景，0为背景；

在8领域内，将存在三个或三个以上连接点的点进行标记：

其中，1为前景，0为背景，2为标记的连接点；

利用连接点将中心线轮廓区域分割成多个只包含一个或两个连接点的轮廓区域，统计每个轮廓区域的点数，剔除小于L个点的轮廓区域，保留的最终轮廓为管件的中心线轮廓，其中L＝80；

S3：将弯管空间中心线离散为中心线三维点云，计算空间中心线的空间三维控制点；所述计算空间三维控制点，包括以下步骤：

将空间中心线离散为中心线三维点云，对连续m个点(P_i,…P_i+m-1)作出拟合直线L_i(a_i,b_i,c_i,x_i,y_i,z_i)，再顺序对m个点(P_i+m,…P_i+2m-1)作出拟合直线L_i+1(a_i+1,b_i+1,c_i+1,x_i+1,y_i+1,z_i+1)；其中，a_i,b_i,c_i分别为空间直线L_i的参数，(x_i,y_i,z_i)表示点P_i的坐标；a_i+1,b_i+1,c_i+1分别为空间直线L_i+1 的参数，(x_i+1,y_i+1,z_i+1)表示点P_i+m的坐标；

那么，两条空间直线L_i与L_i+1的空间夹角为若θ_i小于设定的阈值，则定义点云集PP₁＝{P_i,…P_i+m-1,P_i+m,…P_i+2m-1}，依次类推，直到θ_i大于设定的阈值时，点云集PP₁＝{P_i,……P_i+lm-1}为同一条直线上的点，其中点云集PP₁中点的个数为l×m，其中，选取m＝10；

用上述方法将所有点云分割为直线段点云PP＝{PP₁,PP₂,…,PP_n}和弧线段的点云；

由于弯管加工后会产生回弹力，相邻的两条直线并不共面，因此为了求取控制点，以点集PP₁和点集PP₂为例，利用最小二乘法将点集PP₁、点集PP₂的点拟合为一平面π:a₀x+b₀y+c₀z＝d₀；其中，a₀，b₀，c₀，d₀为平面π的参数；

将第一组点云PP₁拟合为一条直线L₁，其参数方程为:在直线L₁上取点A(x₁,y₁,z₁)，过该点且垂直于平面的直线方程为L₂: 该直线方程和平面π方程联立可得点A在平面π上的投影点B(x_b,y_b,z_b)，即其中，a₁，b₁，c₁为直线L₁的参数；

同理，可以求得直线方程L₁和平面方程π的交点为C(x_c,y_c,z_c)，因此过点B、C的直线方程为即为直线L₁的投影方程；同理，得到相邻直线段L₂的投影方程；

计算L₁和L₂的两条投影直线的交点，得到控制点D₂；同理,可得控制点(D₂,D₃…,D_n),结合弯管两端的两个端点D₁和D_n+1，可得整个空间中心线的所有控制点(D₁,D₂,…,D_n+1)；其中，控制点的总数是n+1个，n为直线段PP＝{PP₁,PP₂,…,PP_n}的个数；

S4：弯管由若干直线段和圆弧段组成，计算弯管空间中心线的每条直线段端点和每个圆弧段圆心位置；

S5：利用得到的直线段端点、空间圆弧圆心、圆弧半径以及管件管径分段进行扫掠得到复杂管件三维模型；

S6：采用最近点迭代ICP匹配算法，建立测量坐标系和设计坐标系之间的转换关系Γ和误差测度d(Γ)，通过对误差测度d(Γ)进行最小化迭代，得到实际转换关系Γ，从而确定与设计坐标系的控制点相匹配的测量坐标系下的实际切割位置；

S7：按照给定的切割量对弯管两端的切割位置进行三维定位，对相机和机器人,机器人和切割机之间的位置关系进行标定，利用机器人协助将弯管放到切割机上进行自动切割。