CN112487576A - 一种管路逆向建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管路逆向建模方法，包括以下步骤：S1、构建多个轴线适配器；S2、将多个轴线适配器夹持于待测管路的直线段；S3、采用测量设备采集包含轴线适配器的待测管路图像；S4、获取图像中每个轴线适配器表面标志点的三维空间坐标，并根据三维空间坐标得到每个轴线适配器夹持处待测管路直线段的空间轴线，进而重建得到整个待测管路中轴线三维空间模型；S5、根据相邻直线段交点，得到待测管路中所有折弯点的三维空间坐标；S6、根据待测管路的尺寸参数、整个待测管路中轴线的三维空间模型以及所有折弯点的三维空间坐标，生成所述待测管路的三维模型。本发明具有精度高的优点，能够达到快速、精确逆向管路数据模型的目的。
Description
技术领域
本发明涉及管路测量建模方法领域，具体是一种管路逆向建模方法。
背景技术
管路***在航空、航天、汽车等众多工业领域承担着燃料输送、气体传输和刹车制动等核心功能，被誉为“工业血管”。因此在工业设备生产过程中，管路***的可靠稳定就显得尤为重要。设备生产过程中往往存在结构差异，致使管路制造同型号间存在数据偏差需要微调或受应力装配变形等实际工况。因此管路更换维修时，需要根据实际装配管型进行逆向建模方可获取管路的精确加工数据，进而由数控弯管机进行生产更换。
实际工况下管路在拆卸过程中，可能受人工因素影响或应力释放导致变形，逆向管路数据模型需要考虑剔除此因素的干扰，提升模型的精确度，并节约材料、人力等经济成本。
管路测量及逆向建模技术目前均采用将待更换的管路先行拆卸，再应用相关逆向测量建模的技术，进行管路模型的逆向获取。目前，管路逆向建模技术主要分为接触式和非接触式两种方式。
其中接触式的测量方式主要有，一种弯管角度检测尺(CN206095072U)发明了一种弯管角度的检测尺，操作复杂并难以避免人工误差。以及常用的三坐标测量机获取管路表面关键点信息，进而人工手动拟合管路参数模型。而非接触的视觉测量方式主要有通过三维扫描仪(CN111238386A)获取管路表面点云，进而人工手动拟合管路参数模型，以及通过多目视觉设备(CN104036513B)高效获取管路的逆向数据模型。
现有测量方式均需要以拆卸的管路实物为基础进行逆向，不可避免地受到人工、运输、应力释放等外界因素影响，造成精度损失，严重可导致逆向数据模型与原始管型不一致。接触式的检测尺、三坐标等设备为人工操作，操作复杂并难以避免人工误差，同时在线检测空间狭小，无法在实际生产线上高效应用。非接触的方式虽然效率有所提升，但设备成本高昂，且通常需要对数据模型进行进一步后处理调整，以贴合真实管路数据模型。因此管路维修行业迫切需要一种能够免拆卸的管路逆向建模的在线测量方法，从而高效、精确的获取管路实物数据模型及加工工艺参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种管路逆向建模方法，以解决现有技术管路测量建模需要拆卸、精度较低的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种管路逆向建模方法，包括以下步骤：
S1、构建多个轴线适配器，其中，所述多个轴线适配器中的每个轴线适配器分别由管夹和设置于所述管夹一个夹板表面的多个标志点构成；
S2、将所述多个轴线适配器分别夹持于待测管路的不同直线段，使得所述多个轴线适配器分布于所述待测管路的所有直线段；
S3、采用测量设备采集包含所述多个轴线适配器及所述多个标志点的待测管路所对应的图像；
S4、获取所述图像中每个轴线适配器表面所有标志点在所述测量设备中的三维空间坐标，并根据所述每个轴线适配器表面所有标志点的三维空间坐标，得到所述每个轴线适配器夹持处的待测管路直线段对应位置的空间轴线，进而重建得到整个待测管路多个直线段的中轴线的三维空间模型；
S5、根据所述直线段中相邻直线段的空间轴线的交点，得到所述待测管路中所有折弯点的三维空间坐标；
S6、根据所述待测管路的尺寸参数、所述整个待测管路多个直线段的中轴线的三维空间模型以及所述待测管路中所有折弯点的三维空间坐标，生成所述待测管路的三维模型。
所述的一种管路逆向建模方法，步骤S2中，所述待测管路的每个直线段夹持至少一个管夹。
所述的一种管路逆向建模方法，步骤S3中，测量设备基于双目摄影测量原理采集图像。
所述的一种管路逆向建模方法，步骤S3中，测量设备由两个工业相机构成，通过两个工业相机基于双目摄影测量原理采集待测管路的图像。
所述的一种管路逆向建模方法，步骤S3中，测量设备在采集待测管路图像前需要进行标定，标定过程如下：
使测量设备的两个工业相机分别在不同位置采集多幅标定板空间中不同摆放姿态下的图像，通过空间后方交会和光束平差算法同时确定测量设备两个工业相机的内外方位参数，完成两个相机的标定。
所述的一种管路逆向建模方法，步骤S2中，每个轴线适配器夹持于待测管路前需要进行标定，标定过程如下：
构建轴线适配器的标定器，轴线适配器的标定器包括轴线适配器表面所贴的标志点、标定底座和固定连接于标定底座的标准圆柱；
将轴线适配器夹持于标准圆柱构成标定装置，采用标定后的测量设备采集标定装置摆放固定后的图像，然后对图像处理完成标志点识别，进而完成标志点中心的空间三维坐标定位；
旋转标准圆柱，使测量设备采集多组轴线适配器在旋转空间中不同摆放姿态的图像，并获取圆心空间坐标；
结合多个标志点所拟合空间圆心坐标拟合整个标定装置的旋转空间轴线，完成轴线适配器的标定操作。
所述的一种管路逆向建模方法，对测量设备采集的图像依次进行边缘检测、亚像素边缘提取和椭圆中心拟合算法处理，完成标志点的识别。
所述的一种管路逆向建模方法，旋转标准圆柱时保持标定底座固定。
所述的一种管路逆向建模方法，利用同一标志点空间旋转过程中多次采集重建的空间三维坐标进行拟合空间圆，获取圆心空间坐标。
所述的一种管路逆向建模方法，步骤S6中，待测管路的尺寸参数包括管径、折弯半径、总长度和各个直线段的轴向长度。
本发明提出了一种管路逆向建模方法，通过设计与管路配套的轴线适配器，并将轴线适配器安装于待测管路上，借助测量设备采集包含轴线适配器在内的待测管路图像，进而通过标志点识别、三维重建等完成管路直线段部分的轴线提取，结合管路相关参数，最终优化得到管路的逆向数据模型。
本发明构建了用于管路免拆卸的在线逆向建模的测量的轴线适配器，通过轴线适配器上标志点识别、检测和重建完成轴线适配器的视觉部分特征识别，通过多个标志点在空间中绕轴线旋转得到的不同空间位置，完成轴线适配器的轴线拟合。测量时将轴线适配器装配至管路上，将轴线适配器上的标记点及几何特征从轴线适配器标定时建立的局部坐标系转换至测量设备中工业相机所在的世界坐标系，完成轴线适配器的轴线到管路中轴线的转换统一。
本发明剔除人工、运输、应力释放等外界因素的干扰，无须拆卸管路即可进行测量，具有精度高的优点，能够达到快速、精确逆向管路数据模型的目的。
附图说明
图1A是本发明实施例中方法流程框图。
图1B是本发明实施例中***标定子流程框图。
图2是本发明实施例中测量设备的标定过程原理示意图。
图3是本发明实施例中轴线适配器示意图。
图4是本发明实施例中轴线适配器标定原理示意图。
图5是本发明实施例中轴线适配器夹持待测管路示意图。
图6是本发明实施例中测量设备测量原理示意图。
图7是本发明实施例中折弯点求解原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1A所示，本实施例一种管路逆向建模方法包括以下步骤：
S1、如图1B所示，构建测量设备、多个轴线适配器，其中测量设备由两个工业相机构成，每个轴线适配器分别由管夹和设置于管夹一个夹板表面的多个标志点构成，然后对测量设备进行标定，测量设备标定完成后利用标定好的测量设备对轴线适配器进行标定；
S2、将各个轴线适配器分别夹持于待测管路不同直线段，且轴线适配器需夹持于待测管路所有直线段，每个直线段至少夹持一个轴线适配器；
S3、采用标定好的测量设备基于双目摄影测量原理采集包含所有轴线适配器及其标志点的待测管路的图像；
S4、对采集的待测管路的图像进行数据解算，过程如下：
获取采集的图像中每个轴线适配器表面所有标志点在测量设备中的三维空间坐标，根据每个轴线适配器表面所有标志点的三维空间坐标，得到每个轴线适配器夹持处的待测管路直线段对应位置的空间轴线，进而重建得到整个待测管路多个直线段的中轴线的三维空间模型；
根据相邻直线段的空间轴线的交点，得到待测管路中所有折弯点的三维空间坐标；
根据待测管路的尺寸参数，结合待测管路多个直线段中轴线的三维空间模型、折弯点的三维空间坐标，生成待测管路模型。
S5、存储待测管路模型数据。
本实施例中，测量设备基于双目摄影测量原理进行设计，由两支高精度的工业相机组成。
工业相机需要进行标定，所用的标定器为表面印有一定数量编码点和非编码点的专用标定板，其中这些编码点和非编码点的空间三维坐标事先通过摄影测量技术获取并导入测量设备。
标定过程中，测量设备需要采集多幅标定板空间中不同摆放姿态下的图像，通过空间后方交会和光束平差算法可同时确定测量设备中相机的内外方位参数(内参数包括相机的焦距、主点偏差以及镜头的畸变+参数等，外参数包含相机坐标系相对于参考点坐标系的旋转和平移矩阵)，此操作用于测量设备的初始标定或设备中相机位置发生重大位移时的标定。
如图2所示为测量设备的标定过程示意图，通过移动标定板摆放不同位置及姿态进行双目测量装置中的相机参数标定。
如图3所示，本实施例中，采用轴线适配器进行待测管路的图像采集测量，轴线适配器包括一个管夹，在管夹的一个夹板表面设置多个圆点作为标志点。为保证测量的精确，需要确保轴线适配器与管路直线段的紧配合，因此需要根据待测管路直径进行轴线适配器的设计，不同管径可参考设计，调整尺寸即可。
轴线适配器可根据待夹持管路的直径选择对应的标定装置进行夹持标定，轴线适配器的设计是以夹爪与导管接触面相切保证其精度的，因此单个轴线适配器可以适配多种弹性范围内的不同管径。
如图4所示，轴线适配器标定操作需要依赖已标定校准的测量设备进行。轴线适配器的标定结构由轴线适配器表面所贴的标志点、标定底座和固定连接于标定底座的标准圆柱和组成。
标定过程中，需将轴线适配器夹持于标准圆柱之上，已标定的测量设备需要采集标定装置摆放固定后的图像并从图像中利用边缘检测、亚像素边缘提取和椭圆中心拟合算法完成标志点识别，进而完成标志点中心的空间三维坐标定位；通过保持标定底座固定，仅旋转标准圆柱(过程中需保持轴线适配器和标准圆柱组合固定，不会发生相对位移)，进而控制测量设备采集多组轴线适配器空间中不同摆放姿态的图像，然后利用同一标志点空间旋转过程中多次采集重建的空间三维坐标进行拟合空间圆，获取圆心空间坐标。结合多个标志点所拟合空间圆心坐标拟合整个标定装置的旋转空间轴线。
至此完成轴线适配器的标定操作，标定操作完成了轴线适配器表面的标志点空间位置重建和轴线适配器夹持时标定装置的空间轴线位置关系。
标定时，将轴线适配器夹持在标定圆柱上，确保轴线适配器夹爪与标定圆柱紧密贴合，保持相互垂直位置关系。保持标定底座固定，将标定圆柱转动不同角度，配合双目测量设备采集多幅不同角度的图像，并结合双相机标定结果进行轴线适配器的标定，求解轴线适配器表面的四个标志点圆心空间坐标、标定圆柱的轴线空间位置以及标定点与空间轴线的相对位置关系，并将局部坐标系转化至标志点上。
如图5所示，本实施例在采集图像前，需要将适配待测管路管径的轴线适配器夹持在待测管路每个直线段中部，并使轴线适配器固定夹紧。
本实施例管路轴线测量如下：
如图6所示，测量设备通过采集表面装配轴线适配器的管路图像，进而重建轴线适配器表面所贴标志点的空间坐标，并调用已标定后的轴线适配器的轴线参数进行特征转化，获取夹持轴线适配器处的管型轴线，进而重建连续多段直线段中轴线的空间三维模型。
将四个轴线适配器夹持在直径为16mm的待测管路每一直线段中间位置，由远处架设的双目测量设备进行图像采集，并根据标志点检测结果，识别每组标志点对应的空间轴线位置，即获得管路直线段的中轴线空间三维模型
本实施例中折弯点重建过程如下：
如图7所示，根据折弯点的定义可明确折弯点位于相邻两段直线段轴线的交点。因此在完成待测管路多段直线段中轴线的基础上，可以通过求取相邻两条空间直线的交点，重建管路所有折弯点的空间坐标位置。
将所获得的空间直线依次首尾相连，如图7所示求解相邻两条轴线的交点即为折弯点重建空间位置。
本实施例中管路模型逆向生成过程如下：
根据用户输入的管径、折弯半径和首尾段长度等初始参数，可在已知直线段轴线和折弯点坐标的基础上自动生成待测管路模型。
例如，结合用户给定的已知直径为16mm，折弯半径为56mm，可以将所有控制点处管型轴线的R角求解，并将直线段的轴线与折弯点出的弧线依次连接，组成完整的管路中轴线，并根据首段长度和尾段长度约束整个中轴线的起始点和终止点位置，根据端点、折弯点和中轴线空间模型，生成待测管路的完整三维模型，至此完成管路免拆卸的在线逆向建模测量流程。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种管路逆向建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建多个轴线适配器，其中，所述多个轴线适配器中的每个轴线适配器分别由管夹和设置于所述管夹一个夹板表面的多个标志点构成；
S2、将所述多个轴线适配器分别夹持于待测管路的不同直线段，使得所述多个轴线适配器分布于所述待测管路的所有直线段；
S3、采用测量设备采集包含所述多个轴线适配器及所述多个标志点的待测管路所对应的图像；
S4、获取所述图像中每个轴线适配器表面所有标志点在所述测量设备中的三维空间坐标，并根据所述每个轴线适配器表面所有标志点的三维空间坐标，得到所述每个轴线适配器夹持处的待测管路直线段对应位置的空间轴线，进而重建得到整个待测管路多个直线段的中轴线的三维空间模型；
S5、根据所述直线段中相邻直线段的空间轴线的交点，得到所述待测管路中所有折弯点的三维空间坐标；
S6、根据所述待测管路的尺寸参数、所述整个待测管路多个直线段的中轴线的三维空间模型以及所述待测管路中所有折弯点的三维空间坐标，生成所述待测管路的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：步骤S2中，所述待测管路的每个直线段夹持至少一个管夹。
3.根据权利要求1所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：步骤S3中，测量设备基于双目摄影测量原理采集图像。
4.根据权利要求3所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：步骤S3中，测量设备由两个工业相机构成，通过两个工业相机基于双目摄影测量原理采集待测管路的图像。
5.根据权利要求4所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：步骤S3中，测量设备在采集待测管路图像前需要进行标定，标定过程如下：
使测量设备的两个工业相机分别在不同位置采集多幅标定板空间中不同摆放姿态下的图像，通过空间后方交会和光束平差算法同时确定测量设备两个工业相机的内外方位参数，完成两个相机的标定。
6.根据权利要求1或5所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：步骤S2中，每个轴线适配器夹持于待测管路前需要进行标定，标定过程如下：
构建轴线适配器的标定器，轴线适配器的标定器包括轴线适配器表面所贴的标志点、标定底座和固定连接于标定底座的标准圆柱；
将轴线适配器夹持于标准圆柱构成标定装置，采用标定后的测量设备采集标定装置摆放固定后的图像，然后对图像处理完成标志点识别，进而完成标志点中心的空间三维坐标定位；
旋转标准圆柱，使测量设备采集多组轴线适配器在旋转空间中不同摆放姿态的图像，并获取圆心空间坐标；
结合多个标志点所拟合空间圆心坐标拟合整个标定装置的旋转空间轴线，完成轴线适配器的标定操作。
7.根据权利要求6所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：对测量设备采集的图像依次进行边缘检测、亚像素边缘提取和椭圆中心拟合算法处理，完成标志点的识别。
8.根据权利要求6所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：旋转标准圆柱时保持标定底座固定。
9.根据权利要求6所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：利用同一标志点空间旋转过程中多次采集重建的空间三维坐标进行拟合空间圆，获取圆心空间坐标。
10.根据权利要求1所述的一种管路逆向建模方法，其特征在于：步骤S6中，待测管路的尺寸参数包括管径、折弯半径、总长度和各个直线段的轴向长度。
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