CN112733428B - 一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法 - Google Patents

一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，本发明包括视点的选择、视场的确定、最小覆盖集、路径优化等。结合待测零部件的测量不确定度，通过算法程序与应用步骤的设计开发，实现零部件高效的检测规划。在获得测点三维坐标以及矢量方向的前提下，视点与可见测点的连线方向为拍摄的矢量方向，基于最小不确定度确定最佳的拍摄姿态。每个视点都视为一个最小覆盖集合，转化为集合覆盖问题，确定最小覆盖集。利用TSP求解出最优路径。这样可以达到覆盖零件测点全覆盖，并且极大地提高了点云的质量，缩短了测量时间。提高检测效率，加快了生产节奏。

Description

一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法。
背景技术
针对零件的精确测量，传统方法一般采用接触式测量，如三坐标测量机等，这种方式可以获得较为精确的数据，但缺点是测量速度慢，且因其接触式测量原理被测对象会因受力而改变其形貌，故不适用于薄壁结构测量。另外，这种测量设备也很难设计为在线测量的工作方式。随着机器视觉和计算机技术的发展，出现了以光学测量为代表的非接触式测量。其中，线激光、结构光等光学传感器的应用，对小型的零件，其测量精度满足要求且效率高柔性好。可满足在线测量要求。但面对大型零件其检测速度较慢且准确度一般。将激光测量设备固定在位移机构末端来实现大范围测量的技术，但因为线激光测量一次只能获取一条线上的数据，这样降低了测量效率和精度。而面结构光虽然可以获得一定范围内的数据，但是由于视场约束，需要多次拍摄才能完成测量如果对于很大的特征还需进行点云拼接，这样精度和效率都大大降低。
已有技术中，Qi Li,Xiang Huang等提出了一种解决扫描姿态设计和优化问题的方法。通过降低测量不确定度，获得最佳扫描姿态角和空间位置，提高了扫描质量。建立姿态坐标系，得到当前扫描姿态与对应测量区域内各点主方向的姿态角偏差，量化扫描区域的测量不确定度。根据扫描的极限包络线确定姿态调整间隔，寻找扫描器的可行方向和位置，通过迭代优化姿态角，降低扫描区域的测量不确定度。但他们只考虑到扫描的角度和方向对测量结果的影响，没有考虑到测量的全覆盖，与测量路径优化等问题。
Salvatore和Gerbino等人分析了一些扫描因素对测量过程的影响。测试了光学传感器入射角与测点的矢量方向夹角和环境光照，以及光学传感器的内部参数对测量结果的影响。通过实验设计(DoE)的方法,和设置均方根误差(RMSE)作为响应函数,测试结果表明光学传感器入射角与测点的矢量方向夹角是影响测量准确度的关键因素。
申请号为:CN 106959080 A,发明名称为一种大型复杂曲面构件三维形貌光学测量。提供一种大型复杂曲面构件三维形貌光学测量***和方法，所述方法基于双目光栅投影测量技术，借助激光跟踪仪和相应的靶标球来获取多站位测量时各个站位的点云位姿，最后将各站位测得的点云根据相应的位姿数据转换到统一的激光跟踪仪坐标系下，实现大尺度复杂面型构件点云数据的全局拼合；所述***以六自由度机器人为点云空间位姿跟踪单元及双目结构光测量设备的载体，测量开始前首先对双目结构光测量设备进行标定以保证单站位测量精度，然后通过测量路径规划来保证数据完整性和测量效率。没有考虑到测量角度对测量结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种缩短检测时间，提高测量精度的光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，
为达到上述目的，本发明包括如下步骤：
S101、在对待测零件进行测量之前需要准备以下内容(1)获取待测零部件特征点的测量特征信息，包括三维坐标值、矢量方向等。(2)获取光学传感器的参数如景深、视场等。(3)获取待测零件不同特征的公差范围，由待测点的矢量方向和测量入射角度计算出待测点的不确定度。
S102、假设分别从上下、左右、前后六个方向将光传感器由远及近移向物体，直至能扫描到被测物体上的最远测点时停止移动并且记下偏移距离。根据各个方向上的偏移距离建立空间包围盒，包围盒所围的空间区域是可行的测量区域。
S103、根据权利要求S102所建立的包围盒，设定步长利用相互平行的平面对其进行空间分割，分割面之间的交线所形成的交点即为光学传感器备选的视点。
S104、根据权利要求S103得到的交点按照权利要求S101中(2)光学传感器的景深约束把超过景深约束范围以及物体内部的点剔除掉，剔除后剩下的点即为光学传感器的可行视点。
S105、根据权利要求S104得到的光学传感器可行视点，视点与测点之间的连线的矢量方向为扫描时光学传感器的方向。结合S101公式(2)中不确定度的计算，基于视场所覆盖的测点的平均测量不确定度最小，来确定每个视点的最佳拍摄角度。
S106、根据权利要求S105得到的每个视点最佳拍摄角度所覆盖的测点会有重复部分，将其转化成集合覆盖的问题，通过遗传算法求出最小覆盖集，同时得到对应的视点。
S107、根据权利要求S106获得的最小视点集合采用模拟退火算法进行TSP路径规划，得出平均不确定度最小的全覆盖最优路径。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明包括视点的选择、视场的确定、最小覆盖集、路径优化。结合待测零部件的平均测量不确定度，通过算法程序与应用步骤的设计开发，实现零部件高效的检测规划。在获得测点信息坐标以及矢量方向的前提下，视点与可见测点的连线方向为拍摄的矢量方向，基于最小不确定度确定最佳的拍摄姿态。每个视点都视为一个最小覆盖集合，转化为集合覆盖问题，确定最小覆盖集。利用TSP求解出最优路径。这样可以达到零件测点全覆盖，并且极大地提高了点云的质量，缩短了测量时间。提高检测效率，加快了生产节奏。
附图说明
图1为点云测量的扫描姿态与路径规划方法流程图。
图2为光学传感器入射角与测点矢量方向夹角示意图。
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，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
如图1所示，本发明提出一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，包括以下步骤：
S101、在对待测零件进行测量之前需要准备以下内容(1)获取待测零部件特征点的测量特征信息，包括三维坐标值、矢量方向等。(2)获取光学传感器的参数如景深、视场等。(3)获取待测零件不同特征的公差范围，如图2所示，由待测点的矢量方向和测量入射角度计算出待测点的测量不确定度。
S102、假设分别从上下、左右、前后六个方向将光传感器由远及近移向物体，直至能扫描到被测物体上的最远测点时停止移动并且记下偏移距离。根据各个方向上的偏移距离建立空间包围盒，包围盒所围的空间区域是可行的测量区域。
S103、根据权利要求S102所建立的包围盒，设定步长利用相互平行的平面对其进行空间分割，分割面之间的交线所形成的交点即为光学传感器备选的视点。
S104、根据权利要求S103得到的交点按照权利要求S101中(2)光学传感器的景深约束把超过景深约束范围以及物体内部的点剔除掉，剔除后剩下的点即为光学传感器的可行视点。
S105、根据权利要求S104得到的光学传感器可行视点，视点与测点之间的连线的矢量方向为扫描时光学传感器的方向。
结合S101公式(2)中不确定度的计算，基于视场所覆盖的测点的平均不确定度最小，来确定每个视点的最佳拍摄角度。
平均不确定度计算公式：
Figure BDA0002841354920000051
其中：n为视场下包含测点的个数；uci为第i个测点的不确定度。
S106、根据权利要求S105得到的每个视点最佳拍摄角度所覆盖的测点会有重复部分，将其转化成集合覆盖的问题，通过遗传算法求出最小覆盖集，同时得到对应的视点。
S107、根据权利要求S106获得的最小视点集合采用模拟退火算法进行TSP路径规划，得出平均不确定度最小的全覆盖最优路径。
本发明针对光学测量中点云质量与测量效率提升问题，提出了一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，解决了待测零部件点云质量差，测量时间长的问题。实现了待测零部件测量路径的自动规划，加快了生产节奏。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：测量待测零件的特征信息、获取光学传感器的参数以及获取待测零件不同特征的公差范围；
S102：利用光学传感器参数建立待测物体的空间包围盒；
S103：设定步长利用相互平行的平面对所述包围盒进行空间分割，分割面之间的交线所形成的交点即为光学传感器备选的视点；
S104：将光学传感器超过景深约束范围以及物体内部的视点剔除，得到光学传感器的可行视点；
S105：可行视点与测点之间的连线的矢量方向作为扫描时光学传感器的方向；结合测量不确定度的计算，基于视场所覆盖的测点的平均测量不确定度最小，来确定每个视点的最佳拍摄角度；
S106：将每个视点最佳拍摄角度所覆盖的测点转化成集合覆盖的问题，通过遗传算法求出最小覆盖集，同时得到对应的视点；
S107：将最小视点集合采用模拟退火算法进行TSP路径规划，得出平均不确定度最小的全覆盖最优路径；
在S101中，所述特征信息包括三维坐标值和矢量方向；所述光学传感器的参数包括景深和视场；以及所述待测零件不同特征的公差范围；由待测点的矢量方向和测量入射角度计算出待测点的不确定度；
平均不确定度计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
n=1,2,3,⋯⋯,n
式中：n为视场下包含测点的个数；uci为第i个测点的不确定度。
2.根据权利要求1所述的光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，其特征在于，在S102中，分别从上下、左右、前后六个方向将光学传感器由远及近移向物体，直至能扫描到被测物体上的最远测点时停止移动并且记下偏移距离；根据各个方向上的偏移距离建立空间包围盒，包围盒所围的空间区域是可行的测量区域。
3.根据权利要求2所述的光学测量的扫描姿态与覆盖路径规划方法，其特征在于，在S104中，以S101中获得的景深参数，将S103中备选的视点，超过景深约束范围以及物体内部的视点剔除掉，剔除后剩下的点即为光学传感器的可行视点。
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