CN112720468A - 一种基于cad的线激光全自动扫描路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAD的线激光全自动扫描路径规划方法，方法中，对CAD模型表面的曲面进行采样，以获取用于生成视点的采样点，计算并校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，基于线激光扫描仪的参数计算可视锥的大小，根据每个采样点的位置、方向以及可视锥的大小生成视点，并建立视点处的坐标系以确定所述视点的扫描姿态，扫描方向为视点与采样点连线的方向，然后合并冗余的视点，检测每个视点处的遮挡，并调整视点以避免遮挡，根据所述视点的位置和姿态生成承载所述线激光扫描仪的机械臂的执行路径，基于所述执行路径，检测每个视点处扫描仪与被测物的碰撞以及执行路径过程的碰撞，然后消除碰撞以形成扫描路径。

Description

一种基于CAD的线激光全自动扫描路径规划方法

技术领域

本发明属于计算机几何设计和计算机视觉领域，特别是一种基于 CAD的线激光全自动扫描路径规划方法。

背景技术

随着数字化工厂的逐步发展，自动化扫描领域也逐渐的被广泛的 研究，而路径规划算法是自动化扫描的核心。为了保证路径规划算法 的稳定性往往需要被测物的三维模型数据。而基于三维模型的自动扫 描的算法，一般使用的三维模型是点云模型或者三角网格模型，对这 两种模型的路径规划原理上都是根据点和其法向来进行视点的计算， 这种算法的缺点是所有的点都是离散的，无法表示模型上曲面信息， 因此无法根据模型的表面特征的进行规划。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景 的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现 有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于CAD的线激光 全自动扫描路径规划方法，可以根据模型表面的每个曲面进行单独规 划，以此来保证每个曲面都尽可能的被扫描到从而大大提高了扫描的 完整性，通过对被测物的CAD模型的路径规划，实现扫描路径的自动 生成。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于CAD的线 激光全自动扫描路径规划方法包括以下步骤：

第一步骤，对CAD模型表面进行采样，以获取用于生成视点的采 样点的位置，其中，所述视点为双目扫描仪两个相机投影中心点的连 线的中点，

第二步骤，计算并校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方 向统一朝外，

第三步骤，基于线激光扫描仪的参数计算扫描仪的可视锥的大 小，然后根据每个采样点的位置、方向以及可视锥的大小生成视点， 并建立视点处的坐标系以确定扫描仪在所述视点的扫描姿态，扫描方 向为视点指向采样点的方向，然后合并冗余的视点，

第四步骤，检测每个视点处的遮挡，并调整视点以避免遮挡，

第五步骤，根据所述视点的位置和姿态生成承载所述线激光扫描 仪的机械臂的执行路径，

第六步骤，基于所述执行路径，检测每个视点处扫描仪与被测物 的碰撞以及执行路径过程的碰撞，然后消除碰撞以形成扫描路径。

所述的方法中，

第一步骤中，读取CAD模型的每个曲面，并转换成NURLS曲面， 曲面面积大于等于预定面积值的曲面为L面，曲面面积小于预定面积 值的曲面为S面，L面中，计算NURBS曲面的在参数域参数u和v两 个方向上的等参线，在u方向或v方向上的中间的等参线上均匀取点， 并计算每个点在等参线上的切向量，在每个点处构造切平面，最后计 算每个点处的切平面与v方向或u方向上的等参线的交点，所述交点 为采样点，S面中，计算S面的中心点，所述中心点为采样点。

所述的方法中，第二步骤中，计算每个采样点在NIRBS曲面的参 数域u和v两个方向上的等参线上的切向量并归一化，然后计算两个 切向量的叉乘，叉乘的结果向量为采样点的方向，计算出所述被测物 的采样点的方向。

所述的方法中，第二步骤中，根据每个采样点的邻域点计算出所 述采样点处的平均方向向量n_m，判断所述采样点的方向n和-n与平 均方向向量n_m的夹角，夹角较小的方向即为所述采样点的方向。

所述的方法中，第三步骤中，线激光扫描仪的参数包括标准扫描 距离H_s、扫描幅面范围、扫描景深DOF、扫描视角α。

所述的方法中，第三步骤中，以采样点的位置为起点、方向为轴 生成可视锥，在可视锥的景深范围内取形心位置作为视点V_p的位置， 其扫描方向为沿所述视点到所述采样点的方向。

所述的方法中，第三步骤中，以扫描方向为Z轴，扫描仪的长边 朝上方向为Y轴，以右手准则定向出X轴，视点位置为坐标原点建立 视点处的坐标系，根据视点的扫描范围合并扫描范围相近的视点以合 并冗余的视点。

所述的方法中，第四步骤中，以所述采样点为原点，所述采样点 与相应的所述视点的连线为方向作射线，检测所述射线与所述被测物 是否相交，如果相交则认为发生遮挡；对于存在遮挡的视点，以当前 视点对应的采样点为原点，扫描方向为轴，按照预定角度和第一预定 间隔生成多个视点，然后逐个检测每个视点的遮挡情况，直到找到不 存在遮挡的视点。

所述的方法中，第五步骤中，按照完成坐标转换后的CAD模型的 坐标系的位置先把空间划分成M个组，每个组内的视点单独排序，对 每个组内的视点按照第二预定间隔从下到上再一次分成K个组，对K 个组内的视点按照从左到右的顺序依次连接，形成K个路径，对所述 K个路径依次进行首尾连接生成每个组的路径，对所有组再进行一次 首尾连接生成完整的执行路径。

所述的方法中，第六步骤中，对所述执行路径中相邻的两个视点 之间等间隔的***N个视点，判断这N个视点与被测物的碰撞，如果 至少有一个点发生碰撞，则认为这条路径发生碰撞，对发生碰撞的视 点和路径按照第三预定间隔向远离被测物的方向调整，直到不发生碰 撞为止。

有益效果

本发明利用CAD模型进行路径规划算法的实现，可以精确到对每 个面进行扫描路径的规划，有效的提高了扫描的完整性。对不同的被 测物具有较强的适应性，且被测物形状不会影响扫描路径的计算，均 可实现高效准确的扫描。本发明中的路径规划算法简单高效，易于实 现且适用于不同的线激光扫描仪。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技 术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以 实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点 能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其 他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附 图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。 显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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 些附图获得其他的附图，而且在整个附图中，用相同的附图标记表示 相同的部件。

在附图中：

图1本发明方法具体流程图；

图2(a)、图2(b)CAD模型曲面采样原理示意图；

图3采样点方向计算方法示意图；

图4采样点方向校正示意图；

图5可视锥的生成示意图；

图6视点坐标系的建立示意图；

图7视点分组示意图；

图8组内视点连接示意图；

图9扫描仪与被测物的碰撞示意图；

图10路径的碰撞检测示意图；

图11(a)、图11(b)、图11(c)实际被测物在各个步骤中的计算结果示意图，其 中，图11(a)为CAD模型采样结果示意图，图11(b)为路径俯视示意图，图11(c) 为完整路径示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图11(c)更详细地描述本发明的具体实施 例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以 各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供 这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范 围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称 特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词 来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区 分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在 通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放 式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本 发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并 非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界 定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为 例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限 定。

一种基于CAD的线激光全自动扫描路径规划方法包括以下步骤：

第一步骤，对CAD模型表面的面片进行采样，以获取用于生成视 点的采样点，其中所述视点为双目扫描仪两个相机投影中心点的连线 的中点位置。

第二步骤，计算并校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方 向统一朝外，该朝向为从被测物表面点向外延伸的方向。

第三步骤，基于线激光扫描仪的参数计算扫描仪的可视锥的大 小，然后根据每个采样点的位置、方向以及可视锥的大小生成视点， 并建立视点处的坐标系以确定扫描仪在所述视点处的扫描姿态，扫描 方向为视点指向采样点的方向，最后合并冗余的视点以提高扫描效 率，通过景深范围确定了可视锥的高度。

第四步骤，检测每个视点处的遮挡，并调整视点以避免遮挡，

第五步骤，根据所述视点的位置和姿态生成承载所述线激光扫描 仪的机械臂的执行路径，

第六步骤，基于所述执行路径，检测每个视点处扫描仪与被测物 的碰撞以及执行路径过程的碰撞，然后消除碰撞以形成扫描路径。

所述的方法的优选实施方式中，

第一步骤中，读取CAD模型的每个曲面，并转换成NURBS曲面， 可以理解的是，在需要的情况下，直面可以看做特殊的曲面。曲面面 积大于等于预定面积值的曲面为L面，曲面面积小于预定面积值的曲 面为S面。L面中，计算NURBS曲面的在参数域参数u和v两个方向上的等参线，然后在u(或v)方向上的中间的等参线上均匀取点， 并计算每个点在等参线上的切向量，最后在每个点处构造切平面，并 计算每个点处的切平面与v(或u)方向上等参线的交点，所述交点为 采样点，S面中，计算S面的中心点，所述中心点为采样点。优选地， 预定面积值取扫描仪标准扫描幅面的60％。

所述的方法的优选实施方式中，根据点法式在每个点处构造切平 面。

所述的方法的优选实施方式中，第二步骤中，计算每个采样点在 u和v两个方向上的等参线上的切向量并归一化，然后计算两个切向 量的叉乘，叉乘的结果向量为采样点的方向，计算出所述被测物的采 样点的方向。

所述的方法的优选实施方式中，第二步骤中，根据每个采样点的 邻域点计算出所述采样点处的平均方向向量n_m，判断所述采样点的方 向n和-n与平均方向向量n_m的夹角，夹角较小的方向即为所述采样 点的方向。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，线激光扫描仪的参数包括标准扫描距离 H_s、扫描幅面范围、扫描景深DOF、扫描视角d。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，以采样点的位置为 起点、方向为轴生成可视锥，在可视锥的景深范围内取形心位置作为 视点V_p的位置，其扫描方向为沿所述视点到所述采样点的方向。

所述的方法的优选实施方式中，第三步骤中，以扫描方向为Z轴， 扫描仪的长边朝上方向为Y轴，以右手准则定向出X轴，视点位置为 坐标原点建立视点处的坐标系，根据视点的扫描范围合并扫描范围相 近的视点以合并冗余的视点。

所述的方法的优选实施方式中，第四步骤中，以所述采样点为原 点，所述采样点与相应的所述视点的连线为方向作射线，检测所述射 线与所述被测物是否相交，如果相交则认为发生遮挡；对于存在遮挡 的视点，以当前视点对应的采样点为原点，扫描方向为轴，按照预定 角度和第一预定间隔生成多个视点，然后逐个检测每个视点的遮挡情 况，直到找到不存在遮挡的视点。优选地，预定角度g的初值一般取 15度，第一预定间隔h的初值一般取20度，如果没有找到不遮挡的 视点，可以适当增大g或减小h来重新生成候选试点。

所述的方法的优选实施方式中，第五步骤中，按照坐标系的位置 先把空间划分成M个组，每个组内的视点单独排序，对每个组内的视 点按照第二预定间隔从下到上再一次分成K个组，对K个组内的视点 按照从左到右的顺序依次连接，形成K个路径，对所述K个路径依次 进行首尾连接生成每个组的路径，对所有组再进行一次首尾连接生成 完整的执行路径。优选地，第二预定间隔的大小要保证K个组中的每 一组的视点的连接路径比较简洁，一般取10mm。

所述的方法的优选实施方式中，第六步骤中，对所述执行路径中 相邻的两个视点之间等间隔的***N个视点，判断这N个视点与被测 物的碰撞，如果至少有一个点发生碰撞，则认为这条路径发生碰撞， 对发生碰撞的视点和路径按照第三预定间隔向远离被测物的方向调 整，直到不发生碰撞为止。进一步地，但是如果调整距离超过了扫描 仪的景深范围则直接删除该视点或路径。优选地，第三预定间隔的大 小一般取扫描仪景深范围的十分之一，为了提高效率也可适当增大。

所述的方法的优选实施方式中，计算被测物的包围盒和每个视点 处的扫描仪的包围盒，判断两个包围盒的各个顶点是否发生相交，如 果相交则认为发生碰撞。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，一种基于CAD的线激 光自动扫描路径规划方法，具体算法步骤如图1所示。

第一步，CAD模型的采样：对CAD模型表面的所有曲面进行采样， 以获取一系列采样点用于生成视点，具体步骤如下：

(1)根据CAD模型的文件格式读取CAD模型的每一个面，并转 换成NURLS曲面；

(2)计算每个面的面积，根据面积把CAD模型的所有面分成两 组，从大到小标记为L面和S面；

(3)如图2(a)、图2(b)所示，对L面，首先按照一定间隔 计算每个曲面的等参线，在中间的等参线C(u_m)上均匀取点，并计算每 个点在等参线上的切向量t，然后根据点法式在每个点处构造切平面 P_ln，最后计算每个点处的切平面与其他等参线的交点，这些交点即为采样点；对S面，直接计算NURLS曲面在u和v两个方向的等参线 的中心点，把该点作为S面的采样点。

第二步，采样点的方向计算和校正：根据采样点在等参线上的切 向量计算采样点的方向并进行方向的校正，使得采样点的方向统一朝 外，具体方法为：

(1)计算采样点的方向：如图3所示，首先计算每个采样点在u 和v两个方向上的等参线上的切向量并归一化，然后计算两个切向量 的叉乘，叉乘的结果向量即为采样点的初始方向。但是两个向量进行 叉乘计算的顺序不同会使得叉乘的结果方向相反，所以需要把采样点 的方向校正到一致朝外；

(2)采样点方向的校正：在计算出整个模型的采样点和方向后， 把这些点当作一个带着方向的点云来处理，所以这个问题变成了点云 的方向一致定向问题。如图4所示，首先根据每个点的邻域点计算出 该点处的平均方向向量n_m，然后判断该点方向n与-n和平均方向向 量n_m的夹角，夹角较小的方向即为该点的方向。本发明给出示例被测 物的采样结果示意图如图11(a)所示。

第三步，视点的计算和合并：根据采样点的位置和方向计算机械 臂的执行点位和姿态，具体的方法为：

(1)确定可视锥：如图5所示，根据线激光扫描仪的参数来确定可视锥大小，需要的参数包括标准扫描距离H_s、扫描幅面范围、扫描景深DOF、扫描视角d；

(2)计算视点：以采样点的位置P为起点、方向n为轴生成可 视锥，在可视锥的景深范围内取形心位置作为视点V_p的位置，扫描方 向n_s沿视点到采样点的方向；

(3)计算视点姿态：视点姿态即建立视点坐标系，因此可以以 扫描方向为Z轴，扫描仪的长边朝上方向为Y轴，以右手准则定向出 X轴，视点位置为坐标原点建立视点的坐标系，视点坐标系如图6所 示。

(4)根据视点的扫描范围合并扫描范围相近的视点，以提高扫 描效率。

第四步，遮挡检测和消除：检测每个视点处的遮挡，并做出位置 和姿态的调整以避免遮挡，具体方法为：

(1)遮挡的检测：以采样点为原点，采样点与视点的连线为方 向作射线，然后检测该射线与被测模型是否相交，如果相交则认为发 生遮挡；

(2)遮挡的去除：对于存在遮挡的点，以当前视点对应的采样 点为原点，扫描方向为轴，按照一定角度和间隔生成多个视点，然后 逐个检测每个视点的遮挡情况，直到不存在遮挡为止。

第五步，扫描路径的生成：根据视点的位置和姿态生成机械臂的 执行路径，具体的方法为：

(1)对视点进行分组：如图7所示，按照坐标系的位置先把空 间划分成M个组，每个组内的视点再单独排序，其中M一般取4或6， 如果模型比较复杂可以适当增大M的值；

(2)实现组内的路径生成：如图8所示，对每个组内的视点按 照一定间隔从下到上再一次分成K个组，然后对K个组内的视点按照 从左到右的顺序依次连接即可形成K个连接好的路径；

(3)生成完整路径：对这K个路径依次进行首尾连接，即可生成每个组的路径，然后对所有组再进行一次首尾连接，即生成了一个完整的路径。本发明给出示例被测物的 扫描路径如图11(b)和11(c)所示。

第六步，碰撞的检测和消除：检测每个视点处扫描仪与被测物的 碰撞和执行路径过程的碰撞，具体方法为：

(1)如图9所示，计算被测物的包围盒和每个视点处的扫描仪 的包围盒，判断两个包围盒的各个顶点是否发生相交，如果相交则认 为发生碰撞；

(2)如图10所示，对路径中相邻的两个点之间等间隔的***N 个视点，判断这N个视点与被测物的碰撞，如果至少有一个点发生碰 撞，则认为这条路径发生碰撞，其中***点只用于碰撞检测，不用于 扫描；

(3)对发生碰撞的视点和路径按照一定间隔向远离被测物的方 向调整，直到不发生碰撞为止，但是如果调整距离超过了扫描仪的景 深范围则直接删除该视点或路径。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并 不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅 是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在 本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况 下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于CAD的线激光全自动扫描路径规划方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤，对CAD模型表面进行采样，以获取用于生成视点的采样点的位置，其中，所述视点为双目扫描仪两个相机投影中心点的连线的中点，

第二步骤，计算并校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，

第三步骤，基于线激光扫描仪的参数计算扫描仪的可视锥的大小，然后根据每个采样点的位置、方向以及可视锥的大小生成视点，并建立视点处的坐标系以确定扫描仪在所述视点的扫描姿态，扫描方向为视点指向采样点的方向，然后合并冗余的视点，

第四步骤，检测每个视点处的遮挡，并调整视点以避免遮挡，

第五步骤，根据所述视点的位置和姿态生成承载所述线激光扫描仪的机械臂的执行路径，

第六步骤，基于所述执行路径，检测每个视点处扫描仪与被测物的碰撞以及执行路径过程的碰撞，然后消除碰撞以形成扫描路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，

第一步骤中，读取CAD模型的每个曲面，并转换成NURLS曲面，曲面面积大于等于预定面积值的曲面为L面，曲面面积小于预定面积值的曲面为S面，L面中，计算NURBS曲面的在参数域参数u和v两个方向上的等参线，在u方向或v方向上的中间的等参线上均匀取点，并计算每个点在等参线上的切向量，在每个点处构造切平面，最后计算每个点处的切平面与v方向或u方向上的等参线的交点，所述交点为采样点，S面中，计算S面的中心点，所述中心点为采样点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，计算每个采样点在NURBS曲面的参数域u和v两个方向上的等参线上的切向量并归一化，然后计算两个切向量的叉乘，叉乘的结果向量为采样点的方向，计算出所述被测物的采样点的方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤中，根据每个采样点的邻域点计算出所述采样点处的平均方向向量n_m，判断所述采样点的方向n和-n与平均方向向量n_m的夹角，夹角较小的方向即为所述采样点的方向。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，线激光扫描仪的参数包括标准扫描距离H_s、扫描幅面范围、扫描景深DOF、扫描视角α。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，以采样点的位置为起点、方向为轴生成可视锥，在可视锥的景深范围内取形心位置作为视点V_p的位置，其扫描方向为沿所述视点到所述采样点的方向。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤中，以扫描方向为Z轴，扫描仪的长边朝上方向为Y轴，以右手准则定向出X轴，视点位置为坐标原点建立视点处的坐标系，根据视点的扫描范围合并扫描范围相近的视点以合并冗余的视点。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，第四步骤中，以所述采样点为原点，所述采样点与相应的所述视点的连线为方向作射线，检测所述射线与所述被测物是否相交，如果相交则认为发生遮挡；对于存在遮挡的视点，以当前视点对应的采样点为原点，扫描方向为轴，按照预定角度和第一预定间隔生成多个视点，然后逐个检测每个视点的遮挡情况，直到找到不存在遮挡的视点。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，第五步骤中，按照完成坐标转换后的CAD模型的坐标系的位置先把空间划分成M个组，每个组内的视点单独排序，对每个组内的视点按照第二预定间隔从下到上再一次分成K个组，对K个组内的视点按照从左到右的顺序依次连接，形成K个路径，对所述K个路径依次进行首尾连接生成每个组的路径，对所有组再进行一次首尾连接生成完整的执行路径。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，第六步骤中，对所述执行路径中相邻的两个视点之间等间隔的***N个视点，判断这N个视点与被测物的碰撞，如果至少有一个点发生碰撞，则认为这条路径发生碰撞，对发生碰撞的视点和路径按照第三预定间隔向远离被测物的方向调整，直到不发生碰撞为止。

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